浅谈富水砂层盾构施工控制措施

韦 珪

（中铁十八局集团轨道交通工程有限公司，天津 300222）

0 引言

本论文以广州市轨道交通某标段盾构区间工程为背景，为确保盾构顺利穿越富水砂层地带及地表为浅基础和无基础的 175 栋群体房屋，在富水砂层地质试验段，进行盾构施工管控及施工参数拟定。借鉴成都地铁盾构穿越富水砂卵石地层的掘进管控方式，拟定非同条件地层的施工管理方式、施工参数。目前富水砂层盾构施工成为研究的热点问题，本次研究可为盾构穿越复杂地质条件施工提供可靠的技术依据。

1 工程概况

广州市轨道交通某标盾构区间工程（DK 20+264.92～DK 20+540）下穿既有建筑物（居民区），其中盾构施工段右线 257～372 环，共 174 m；左线 225～257环、307～344 环，共 107 m。开挖面地层多为砂层和黏土层，地质较差，隧道洞顶距地面 10～20 m。线路正上方有不同年代居民房屋 40 栋，总面积 12 066 m2，施工影响范围（隧道 2 倍埋深，约为 25.0～38.0 m）内有房屋 175 栋，总面积 50 938 m2。受规划道路拆迁的影响，既有建筑物均有加盖现象，地表建筑物极其密集。其中多数建筑物为浅基础或无基础，少部分为人工挖孔桩基础，直接坐落在砂层地质上，存在较大施工风险。

根据补勘资料，本工程所处的地质条件较为复杂，隧道穿越的地层主要包括粉细砂、中粗砂、砾砂、黏土层，地下水丰富。选择试验段为 YDK 20+790.17～YDK 20+661.23 区间（40～125 环），试验重点段为YDK 20+745.16～YDK 20+685.16 区间（70～110 环），地质条件与目标区域类似。其中砂层约占 87.2%，黏土层约占12.8%，地表为盾构施工场地与荒地，无建筑物。经过试验段掘进施工，对渣土改良、掘进参数、洞内注浆、地表沉降等进行分析，工程概况如图 1～图 3 所示。

图2 既有建筑物实物图及加盖实物图

图3 试验段与既有建筑物区域纵断面地质图

2 试验段盾构施工控制措施

2.1 施工参数统计分析

为解决砂层中出现的喷涌问题，先对施工参数进行理论分析，在实际掘进过程中，根据出渣量、地面沉降监测数据对施工参数做动态调整。盾构机总推力与掘进速度曲线如图 4 所示，盾构机刀盘转速、扭矩、上部土压、出渣量曲线如图 5 所示。

根据以上掘进参数采集，试验段的主要施工参数范围如表 1 所示。

通过试验段参数进行统计，该段范围内埋深 11 m，地层主要是黏土层和砂层，施工过程中总推力 1 200～1 500 T、刀盘转速 1.4～1.5 rpm、扭矩 1.3～1.8 MN · m、土压 1.2～1.5 bar、出渣量 60～63 m3、注浆量平均 4.5～5.5 m3，施工过程未出现喷涌、出渣正常、注浆量偏少，主要原因为盾尾漏浆，导致同步注浆量不足引起地表沉降。

2.2 渣土改良

试验段 70～110 环内砂层约占隧道的 80%，据此情况，利用泡沫剂进行渣土改良。泡沫剂比例为泡沫剂 3%、水 97%，泡沫溶液混合液 10%、压缩空气 90%。改良后的渣土流塑性较好，螺旋机出渣口无块状渣土流出，渣温正常且无喷涌现象，渣土改良效果较好。

2.3 注浆施工

同步注浆是控制沉降的主要措施之一，务必做到“掘进注浆同步，不注浆不掘进”，确保每环的注浆足量。同时对脱出盾尾的管片及时进行二次注浆填充稳固，确保周围土体填充密实，有效控制了后期沉降。同步注浆配比如表 2 所示。

同步注浆是盾构施工的重要工序，注浆饱满、均匀是控制地表沉降的有力保证。在实际施工过程中考虑土体的渗漏，要求同步注浆量不少于 6 m3/环，而根据实测值，同步注浆一般为 4.5～5 m3/环。同步注浆量偏少，主要原因是因为盾尾刷出现漏浆现象，无法达到足量的注浆量，及时跟进了二次注浆，二次注浆量 2～3 m3/环。盾构施工同步、二次注浆量统计如图 6 所示。

图4 盾构机总推力、掘进速度曲线图

图5 盾构机刀盘转速、扭矩、上部土压、出土量曲线图

表1 主要施工参数范围表

表2 同步注浆材料及配合比

2.4 监测结果分析

根据试验段盾构掘进的沉降数据，将统计数据绘制成地表横向沉降槽曲线图和断面沉降时程图（图 7～图 9）。

D2 监测断面右线对应 15～20 环， 7 月 5 日刀盘掘进至 D2 断面，7 月 9 日盾尾通过该断面，最大沉降出现在D2-8 点位，监测点对应右线隧道轴线，累计沉降量为-26.05 mm。从图 7 可看出，沉降较为明显且主要发生在盾尾脱出管片后。

掘进 D2 断面时，盾构主要施工参数：土压力稳定在 1.0～1.5 bar，推力控制在 700～900 T，推进速度 5～20 mm/min，同步注浆量约为 4.7～5.7 m3/环，出渣量 64 m3/环。沉降原因主要是同步注浆量偏少导致沉降较大。

D3 监测断面右线对应 38～42环， 8 月 5 日刀盘掘进至 D3 断面，8 月 7 日停机进入分体始发第二阶段，8 月22日恢复掘进。最大沉降出现在 D3-4、D3-5 点位，监测点对应右线隧道轴线，累计沉降量-14.79 mm。停机后有小量沉降，2 天后趋于稳定。

掘进 D3 断面时，盾构主要施工参数：土压力稳定在 1.3～1.5 bar，推力控制在 1 000～1 400 T，推进速度 20～40 mm/min，同步注浆量约为 4.5～5.5 m3/环，二次注浆量 2～3 m3，出渣量控制在 62 m3/环。沉降原因主要是同步注浆量偏少导致沉降较大，掘进土压导致的沉降影响较小。

D4 监测断面右线对应 54～56 环，8 月 23 日刀盘掘进至 D4 断面，8 月 25 日管片脱出盾尾。最大沉降出现在 D4-4 点位，监测点对应右线隧道轴线，累计沉降量 -27.26 mm。8 月 27 日单次沉降 -24 mm 严重超标，盾尾脱出管片1.5 天后沉降监测数据超标，砂层区域地表沉降迅速。

掘进 D4 断面时，盾构主要施工参数：土压力稳定在1.1～1.4 bar，推力控制在 1 300～1 500 T，推进速度 20～40 mm/min，同步注浆量约为 4.5～5 m3/环，二次注浆量 2～2.5 m3，出渣量控制在 63 m3/环。单次沉降主要原因为同步注浆量不足，二次注浆未及时跟进，导致单次沉降远超规范值。

图6 盾构施工同步、二次注浆统计图

图7 D2 断面监测数据曲线图

图8 D3 断面监测数据曲线图

图9 D4 断面监测数据曲线图

从以上监测数据曲线图可看出，盾构施工参数基本正常，土压能够满足施工要求。引起沉降的主要原因为盾构施工过程中，盾构机掘进对土体有一定的扰动，即扰动土体在成型管片脱出盾尾后，成型管片与土体之间的空腔未能及时填充充足，土体失稳沉降 1～1.5 天反应至地表。分体始发过程中，盾尾油脂管路长导致浆液注入不及时，密封效果不好导致同步注浆窜入盾尾，盾尾漏浆影响同步注浆量不足，二次注浆未及时补充跟进导致土体沉降速率加大。隧道正上方反应明显，分析得出以下沉降规律。

（1）盾构掘进到达前，盾构推力的扰动和刀盘的转动会对地表产生微量的沉降，沉降值稳定在5 mm 之内。盾构机通过后，浅部土体、较深部土体沉降明显，最终体现为整体沉降。从断面监测情况看，盾构经过该断面时，土体趋于稳定需耗时 4～6 天。

（2）盾构右线通过断面对线间产生扰动，形成 V 型沉降槽。盾构区间左、右线中心间距约 14 m，左、右线净间距约 8 m，右线盾构掘进引起的左线隧道上方地表沉降10 mm 左右，对左线隧道土体有一定的影响。

（3）沉降槽曲线基本沿隧道中线呈正态分布，一般在轴线处的沉降值最大。隧道洞径范围是沉降的主要范围，离隧道边线 5 m 处的沉降基本占峰值的 65% 左右。单线施工对地表影响范围为距中心20 m 左右（隧道顶埋深约 2 倍洞径时），沉降约在 -5 mm 内。

3 结论

（1）土压力控制。在以黏土层为主、砂层为辅的地质中，埋深 10.8～11.5 m 时，盾构掘进施工土压控制在 1.3～1.5 bar 时，地表沉降相对较稳定；在砂层为主、黏土层为辅的地质中，埋深 10.8～11.5 m 时，土压控制在 1.4～1.5 bar 时，地表沉降相对较稳定。

（2）渣土改良控制。在黏土层为主、砂层为辅的地质中掘进需采用泡沫添加剂， 砂层中适当加大泡沫剂的用量能有效地改良黏土的和易性、降低渣土的温度、减小刀盘扭矩、减少泥饼产生，渣土改良效果较理想。

（3）出渣控制。本试验段以黏土层与砂层地质为主，富水较大，出渣经过三重控制，即行程控制、渣土斗控制和门式起重机称重系统控制。出渣量严格控制在 63 m3以内。

（4）注浆控制。注浆初凝时间控制在 5～6 h 以内，必须 4 根管同步均匀注入，通过同步注浆减少砂层快速坍塌，稳定隧道内管片的姿态，在此地层中注浆压力控制在 2.0～3.5 bar 较为合适。脱出盾尾 3～5 环位置及时配合二次注浆（双液浆），主要注上半部。同步注浆与二次注浆同时进行，及时填充和稳定管片上方的空隙，避免同步注浆凝固之前地层坍塌。脱出盾尾 10 环后每 3环注入一定量的二次注浆（单、双液浆），填充同步注浆浆液固结收缩产生的空隙，确保管片外周填充密实。

（5）盾构姿态控制。砂层施工过程中姿态成向上趋势，富水砂层中为减少上浮影响，盾构机推进施工姿态控制于 -20 mm，严格按照规范要求将掘进姿态控制在±50 mm 以内。

（6）盾尾油脂注入量。油脂注入 28～40 kg/环，需确保均匀、饱满。加强盾构机盾尾刷的检修，施工时注入足量的盾尾油脂，防止因浆液冲入盾尾刷及第一舱内固结导致的盾尾密封性差、漏浆等不良现象。

（7）地表监测控制。加强地表监测，在原有的监测断面，在隧道边线 6 m 范围外适当增加监测点，加大到 30 m 监测范围，通过实际数据来分析沉降影响范围。

（8）穿越风险源前基础控制。在进入建筑群前对所有设备进行全面检修，保证设备出勤率，做好施工组织计划、物资和劳动力配备及资金、技术储备，保证盾构机连续平稳掘进，顺利通过既有建筑群。