小半径富水砾砂过河段盾构施工技术

杨洲

摘 要：土压平衡盾构过河段富水沙砾层地层结构松散，地层自稳性差，地下水丰富，卵石含量多，在该地层中实施盾构管廊施工存在较高技术要求，结合沈阳市地下综合管廊工程某盾构区间穿越小半径富水砾砂过河段施工，从优化掘进参数控制、渣土改良控制、管片选型拼装进行了技术研究有效解决出渣控制难、螺旋机易喷涌、管片易错台破损、沉降控制难度大等问题为类似工程提供借鉴作用。

关键词：综合管廊；盾构施工；小半径曲线段；富水砾砂；过河段

1 引言

过河段施工时地下水位高，砾砂层粗骨料直径大且数量多，土压平衡盾构掘进中需严格控制盾构土压的动态平衡、及时同步注浆可以减少对周围土产生的扰动，有效控制地表沉降，使渣土具有充分的和易性，解决出渣难控制、易造成螺旋机喷涌现象。

盾构设计轴线转弯半径小，接近北重盾构机极限转弯半径，姿态纠偏及管片选型困难，在小半径曲线转弯过程中盾构机与管片之间可能会因盾尾没有间隙极易造成管片错台破损，以至于影响成型隧道管片质量。

2 简述

2.1 工程概况

沈阳市城市地下综合管廊（南运河段）工程，是国内首条盾构法施工的地下综合管廊，是沈阳市十大市政重点工程之一。本工程单线长12.6km，断面为单洞单圆形式，外径6m，内径5.4m。区间左线于里程左K0+346.6～左K0+638.2盾构以305m小半径曲线过河段施工。隧道拱顶覆土厚度约为8.0m～15.0m，最大坡度21‰。

2.2 水文地质条件

经地质勘探，该盾构区间地层主要由第四系全新统和上更新统黏性土、砂类土及碎石类土组成。盾构区间隧道施工范围内所处地层主要由圆砾层、砾砂层及粉细砂层组成，地质软硬不均，易形成“泥饼”。地下水稳定水位埋深为6.5m～9.3m，地下水位高，透水性强，过河段地层主要以富水砾砂为主。

3 采取的技术措施

3.1 优化掘进参数

结合盾构始发前100m掘进情况，盾构正常掘进参数拟定如下：根据富水砂卵石盾构掘进经验，本工段盾构掘进为快速通过减少因刀盘转动对周围土体长时间扰动而导致超排，通过调整土仓内上土压实施适度的欠压掘进，能有效的减少对刀具磨损，降低刀盘扭矩的同时加大推进压力，提高掘进速度，从而减少设备运转时间，可降低土仓内渣土温度，减少刀盘固结泥饼现象出现，降低改良渣土所需材料耗材降低成本。

掘进参数调整优化的措施核心问题是如何用好膨润土，掘进时采取泡沫结合膨润土进行渣土改良，使土仓内渣土具有良好的和易性，操作手根据观察螺机排土情况调整使用外加剂。

在实际掘进施工中，应根据不同的地质条件，合理的设定土仓上部压力、推力、掘进速度、刀盘扭矩、刀盘转速、螺旋机转速等重要参数，及时同步注浆且要加大注浆量，减少对地表土体造成沉降。

3.2 强化渣土改良

在富水砾砂地层中施工，由于砾砂地层摩擦阻力较大，地下水丰富，透水性强，在掌子面上注入泡沫混合液、膨润土等外加剂，充分搅拌刀盘切削下来的渣土，使土仓内的渣土具有良好的和易性，实际施工中比对改良效果好具有和易性的渣土与土仓中没有充分搅拌而排出的渣土而言，改良和易性好的渣土很明显可以使刀盘扭矩减小，增大推力后使掘进速度增加，减少盾构设备运转时间、刀盘磨损，提高设备的使用寿命，保证了盾构安全、连续、快速施工。

根据现场配比实验及结合实施中经验得：泡沫由90%～95%压缩空气和5%～10%泡沫混合液组成；泡沫混合液的组成为泡沫原液3%～5%、水97%。本工程所用泡沫剂粘度不低于0.1Pa·s。泡沫系统中压缩空气26m3/h～28m3/h，混合液1.5m3/h，使用四路泡沫打入刀盘，控制每环泡沫原液用量50L～70L。

膨润土泥浆配合比：水：膨润土=10：1，经充分搅拌均匀后，发酵40分钟，让其充分膨松。其中膨润土为优质的钠基膨润土，膨润土稠度根据地层情况渣土改良效果控制在40s～60s之间。改良过的渣土可有效解决出渣难控制。

3.3 小半径曲线阶段管片选型

小半径曲线隧道施工掘进关键还在于盾构机的铰接性能、盾尾间隙的大小及管片选型。北重的盾构机盾尾间隙3公分已经确定的情况下，管片选型成为拼装管片的首要考虑。小半径曲线掘进隧道轴线控制难度大，纠偏困难，管片易发生错台破损，造成管片渗水等不良影响。

以300m半径右曲线为例，取1.2m小段，外圈变长L1，内圈变长L2，则L1-L2=6000×1.2/300=24mm。由于管片错缝拼装，无法保证每环管片纠偏量均为24mm，则需将线路分为小段，以小段为单位（不超过5环）通过管片点位的不同组合保证平均纠偏量为24mm/环即可。左曲线同理。

3.4 成型隧道管片质量控制

控制小半径曲线成型隧道管片拼装质量主要采取加大同步注浆量、二次双液注浆止水环及三次管片螺栓复紧的检查相结合，以加强小半径曲线段成型管片不出现侧向移动造成成型管片的上浮、错台现象。使脱出盾尾的管片成型稳定，为盾构掘进提供反力，避免掘进过程中成型管片被挤破，让盾构机沿隧道设计轴线方向掘进。

在管片拼装之前首先要对盾尾进行全方位的清理，以保证拼装后的管片不产生挤压破环；管片螺栓需复紧三次以上，每环管片拼装时对横向纵向螺栓初次拧紧，管片脱出盾尾后进行二次复紧；盾构掘进完成下一环拼装开始对三环内的管片再次复紧。

若管片脱出盾尾出现管片下沉，应在管片下部增加2个注浆孔增大注浆量且采取二次注浆的方法稳定成型管片。

3.5 解决掌子面喷涌、冒顶问题

掘进过程中如发现上部土压瞬间增大螺机喷涌，应及时关闭出闸口，关闭螺机，首先确定全部关闭了通往土仓内的水管，在顶部土压不超限的情况下继续掘进，刀盘油压、扭矩较大判定土仓内渣土较满停止掘进，适当打开出闸口，不启螺机，让土压将土仓内渣土挤出，观察出闸口排出渣土速度较慢至不自流时再启动刀盘开始掘进。及时观察开挖面地层变化和出土量严格控制超挖避免地面沉降。當盾尾拖过10环左右加大二次注浆量。

4 结束语

通过沈阳市地下综合管廊工程某盾构区间穿越小半径富水砾砂过河段的施工经验，根据地层变化排渣状态及时从优化掘进参数控制、渣土改良控制、管片选型拼装进行了技术研究且有效解决，避免因超排带来的地面沉降过大等安全质量风险，保证了成型隧道的管片拼装质量，为类似工程提供借鉴作用。

参考文献：

[1] 金淮.中国城市轨道交通工程地质[J].北京：中国计划出版社，2015（11）.

[2] 王建伟.富水圆砾地层中复合式土压平衡盾构施工技术[M].福建建设科技，2014.

[3] 晏立忠.沈阳市地铁某区间盾构始发脱困施工技术[J].浙江建筑，2009（9）：52～55.