大直径土压平衡盾构在成都富水砂卵石地层施工的关键技术

张英明，郭宏浩，李腾飞，罗良乾，2

（1. 中交天和机械设备制造有限公司，江苏 南京 211899；2. 中交南京交通工程管理有限公司，江苏 南京 211899）

随着城市轨道交通逐渐提速，地铁盾构隧道直径也随之加大。目前我国北京、上海、深圳、珠海等地采用大直径土压平衡盾构建设地铁隧道的案例较为典型，国内专家学者针对大直径土压平衡盾构在上述地区的粉土、砂土、淤泥质黏土、砾质黏性土、全风化岩石等地层中的应用进行了深入研究并取得了丰富成果［1-5］。此外，砂卵石地层盾构隧道的工程案例已有较多，如国外的意大利地铁、日本地铁，我国的北京地铁、成都地铁、兰州地铁、台北地铁等［6-8］。国内专家学者及工程技术人员对小直径土压平衡盾构在卵石层中的应用技术进行了深入研究和探讨［9-10］。相对于其它地区砂卵石地层而言，成都砂卵石地层更为典型，其地层卵石含量高、级配不连续、渣土内摩擦角更大、流动性更差、地层与钢铁摩擦系数大、粘聚力小、扰动后更易松散、更易坍塌，而且成都多采用直径6m级盾构建设地铁隧道。

成都轨道17号线一期工程在该地层中采用φ8634mm大直径土压平衡盾构施工在国内尚属先例，在砂卵石地层中建设大直径盾构隧道需要解决的关键技术问题也有所不同。本文针对大直径土压平衡盾构穿越成都富水砂卵石（漂石）地层时，施工过程中渣土改良、仓位控制、塌方控制、泥饼防治和穿越重要建筑物控制的关键技术措施进行了分析和总结。

1 工程概况

成都轨道交通17号线一期工程线路全长约26.145km，其中地下段盾构区间长约20.785km，共9个盾构区间，埋深6～36m。最大站间距6641m，最小站间距1471.8m，平均站间距3175m。盾构区间采用20台中交天和设计制造的φ8634mm大直径土压平衡盾构施工。

线路位于成都西部，隧道洞身位于全断面砂卵石地层，主要为2-9-2中密砂卵石、2-9-3密实砂卵石、3-8-2中密砂卵石、3-8-3密实砂卵石。温江段卵石含量超过75%，漂石粒径20～70cm较多。漂石及卵石天然抗压强度一般为41～200MPa，个别强度达到299MPa，其余为细、中沙填充。工程位置属岷江水系，隧道穿越含水量丰富、补给充足的强透水的砂卵石土，埋深均位于地下水位以下。盾构穿越河流、建（构）筑物、铁路和既有地铁线等58处重、特大风险源，对地面沉降控制要求非常高。盾构掘进时刀盘转动切削扰动，刀盘前方及上方砂卵石土易松散坍塌，地面易沉降。

2 施工关键技术措施

根据成都全断面富水砂卵石地层具有不稳定的特性，提出“以排为主、限量出土、快速通过”的总体掘进思路，掘进过程中重点注意渣土改良、防泥饼、防喷涌、防坍塌等技术措施，提高盾构掘进过程中的安全系数。

2.1 盾构始发端头加固措施

成都富水砂卵石在盾构始发、到达端头均为降水区，原本密实地层经过基坑开挖降水后已经被扰动，地层中细微颗粒被降水带走，形成骨架效应，盾构在掘进过程中刀盘旋转对地层再次扰动而造成地面沉降、坍塌。端头加固采用地面袖阀管加固和隧道拱顶大管棚加固两种方式相结合。

地面袖阀管加固：始发、到达处在端墙至15m长，距盾体边左右各4.15m宽。范围内间隔2m设置1个注浆孔，成梅花状，钻孔深度为隧道中心。注浆材料选用普通硅酸盐水泥，浆液水灰比0.8∶1～1∶1，注浆压力0.2～0.4MPa，如图1所示。

图1 袖阀管加固示意图

大管棚加固：管棚采用φ108大管棚，设置在洞门顶部120°范围内，间距30cm，共34根，每根长18m。注浆浆液采用水泥单液浆，注浆材料选用普通硅酸盐水泥。浆液水灰比0.8∶1～1∶1，注浆压力0.2～0.4MPa，主要目的是加固地层和止水，如图2所示。

图2 大管棚加固示意图

2.2 渣土改良措施

本工程砂卵石地层切削下的渣土极不均匀，原状渣土中的卵石和砂土分离严重，单纯依靠切削下来的渣土压力来保持开挖面平衡几乎不可能。另外其流动性很差，原状渣土很难通过螺旋机排出。因此必须改良渣土，以保持开挖面的稳定和顺利出渣。本工程实施过程中，经过对渣土改良试验和现场应用验证，施工中采用膨润土+泡沫+水、泡沫+水两种方式能起到较好的效果。

（1）常规区段掘进时的渣土改良。

常规区段采用泡沫+水、膨润土+泡沫+水2种方式均能起到较好的渣土改良效果。两者不同的是，在注入膨润土的同时需要减少注水量，注水量减少后，因膨润土浆液的降温效果不如水，卵石和刀盘刀具摩擦产生的热量得不到充分降低，仓内温度随之升高。长期的仓内高温易造成膨润土在仓内结泥饼，因此在实际施工过程中主要采用泡沫+水的方式改良渣土。

（2）加固区、降水区及高风险区掘进时的渣土改良。

加固区、降水区及高风险区掘进时，主要采用膨润土+泡沫+水的方式改良渣土，主要考虑因素有：①加固区土体经过注浆改良后，卵石间填充的细粒被水泥浆液固结，切削下来的渣土呈块状，缺少细粒填充，加入膨润土补充细粒以改善渣土性能；②降水区土体经过地下水抽排后，卵石间填充的粉细砂流失，加入膨润土补充细粒以改善渣土性能；③高风险区域对沉降要求高，加注膨润土能更好的改善渣土性能，且膨润土泥浆覆盖或渗入开挖面土体后能起到一定支撑和止水作用，有利于控制地表及建（构）筑物沉降变形，保证盾构安全通过。

2.3 渣土仓位控制措施

土压平衡理念的理想状态下，土仓内渣土是匀质的，采用满仓位以达到平衡掌子面水土压力。但在此工程砂卵石地层中，由于仓内渣土卵石含量高、粒径大、密度大，在此地层中满仓位推进时将出现一系列不良问题，如：扭矩大、推力高、渣土滞排、渣温高、速度慢、憋仓加大对周边地层的扰动而增加超挖、易结泥饼等。根据成都以往地铁施工经验和本工程实践总结，在此砂卵石地层中宜采用控制欠压推进。欠压造成的不利影响是可能会超挖，工程中采用以下措施解决：

（1）快速推进。卵石特点是不扰动时天然状态稳定，经刀盘转动和推力挤压扰动后松散，所以采用控制欠压模式推进保证推进速度，以减少超挖。

（2）适当保压。欠压推进时，在仓内土体上方充填膨润土液或泡沫，浆液压力或气压对掌子面起到一定的稳定和止水作用。当渣土改良情况较好时也可以适当提高渣土仓位。

（3）渣土仓位判断的方法。因渣土的密度与膨润土浆液或泡沫的密度相差较大，通过土仓壁板上各高度位置的压力传感器间差值变化可以推断出渣土仓位，从而进行渣土仓位控制。

2.4 泥饼防治措施

在本工程砂卵石地层掘进施工中，泥饼会导致刀盘扭矩增加、推进效率低下、滚刀偏磨等不利影响。其主要原因为：（1）刀盘进入土体后刻意建立土压导致洞门密封漏水，注入的改良剂不能充分改良渣土，土仓积渣出现板结；（2）处理超挖产生的地层空洞过程中，水泥砂浆进入刀盘前方和土仓造成渣土凝结；（3）施工不连续、停机时间过长造成土仓内渣土严重失水沉积，加剧土仓积渣板结。

经过本工程实践，在此砂卵石地层掘进施工时，主要从以下几方面进行泥饼防治：

（1）减少泥饼生成条件。在掘进过程中，可通过渣土改良控制、土仓渣土仓位控制（避免刻意建立土仓压力）、土仓温度控制（注水降温）等措施减少泥饼的生成条件。

（2）及时发现泥饼。泥饼是逐渐形成并加重的，在形成过程中往往伴随以下现象：①土压频繁波动变化；②扭矩规律性波动；③推力持续增加；④推进速度降低；⑤渣温持续上升；⑥卵石过度破碎。当出现这些异常现象时，应及时采取相应措施或开仓检查。

（3）泥饼处理。在泥饼形成前期阶段可使用分散剂泡仓，或根据参数波动情况预判板结位置，并通过土仓壁板预留的注入孔对该位置进行冲洗。泥饼严重时则开仓清理。

2.5 喷涌防控措施

（1）保压掘进：保压后，同步注浆不会串到土仓，管片背后也会饱满，产生喷涌的情况会大大降低。

（2）减小加水量：把泡沫水量减到最小，泡沫交替开启加入，前提要保证泡沫孔不能堵塞，加水管关闭，保证管路没有堵塞。

（3）螺旋输送机控制：螺旋输送机要开起，转速2～3转即可，不造成螺旋堆积压力。

（4）管片后部放水：打开管片吊装孔，把后部积水放掉，减少土仓水汇积。

（5）二次双液浆做封水环：连续注多环双液浆做封水环隔断后部来水。

2.6 坍塌防控及应对措施

本工程砂卵石地层受扰动后变得松散，易产生掌子面及刀盘上前方土体超挖，甚至造成地层坍塌和地面较大沉降或塌陷。除按土仓渣土仓位加以控制外，主要采取以下防控和应对措施：

（1）严格控制每一环的出土量，采用出土体积和出土质量双重指标控制。

（2）严格把控同步注浆的浆液质量和注浆量。考虑本工程砂卵石具有受扰动松散和强透水性，同步注浆采用凝结时间较短（初凝3～6h、终凝10h左右）、强度高的浆液，每环注浆结束或中途停机要及时采用膨润土清洗注浆管路以防堵管；正常注浆量为计算空隙体积的1.5～1.8倍，在出土超方地段加大同步注浆方量，或采取背后二次补注浆。

（3）空洞回填。当出现大方量超方时，应立即停止掘进，主动探测寻找空洞，同时做好土仓保压工作。若空洞与开挖面连通，径向及盾尾注入膨润土防止盾体被抱死。为避免回填材料造成刀盘抱死和土仓渣土固结，需要在刀盘周围回填砂子形成隔离层后，再回填水泥砂浆或混凝土让地层形成板块效应。待回填材料凝固后再恢复掘进。

2.7 穿越重要建（构）筑物控制措施

本工程盾构成功穿越河流、建（构）筑物、管线、铁路和既有地铁线等重、特大风险源共58处，穿越掘进过程控制及后续地表沉降控制均在允许范围内。采取主要控制措施如下：

（1）穿越前准备：①充分调查被穿越物情况，提前对被穿越物及其基底地层进行预加固或施做隔离桩，对建筑物基底地层加固一般在地表采用袖阀管注浆，有条件时采用管棚加固；②邻近穿越的50～100m作为试验段，以积累穿越最佳参数并指导穿越掘进；③做好盾构设备维保及刀盘刀具检查维修，保证在穿越过程中盾构设备处于良好状态，避免穿越过程中停机；④提前做好穿越事故应急预案和演练，做好应急准备。

（2）穿越过程控制：①严格控制穿越掘进各项参数，采用注入膨润土+泡沫+水为主要渣土改良措施，高仓位保压推进；②连续施工，快速通过，减少施工停顿；③加大同步注浆量，及时进行二次补注浆，确保将盾尾建筑间隙及扰动松散带填充密实，控制注浆压力以防止地层隆起；④通过盾体径向注浆孔向盾体周边注浆，确保将被扰动后松散的土体充分填充加固；⑤加强监测，及时反馈指导施工。

3 结束语

成都轨道交通17号线一期工程φ8634mm直径盾构在全断面富水砂卵石地层中成功应用，实现最高月进尺429m、最高日进尺24m的高掘进效率，顺利完成了工程任务。本工程实施过程中，根据砂卵石地层特点，提出了“以排为主、限量出土、快速通过”的总体掘进思路。掘进过程中主要采取地面袖阀管和隧道拱顶大管棚加固端头，采用膨润土+泡沫+水和泡沫+水两种方式改良渣土，采用控制欠压快速推进和充分注浆填充等措施控制地层沉降。通过对本工程盾构应用关键技术进行总结，为后续大直径盾构在类似地层施工提供参考借鉴。