富水粉细砂层盾构下穿湖泊风险分析及控制——以太原地铁2号线下穿迎泽湖工程为例

闫 潇, 杨双锁*, 姜 山

(1. 太原理工大学地下工程系，太原 030024；2. 中铁三局集团有限公司，太原 030001)

随着现代地下空间利用的发展，城市地下工程建设正面临越来越多的地下穿越工程，地下穿越工程是一项高风险建设工程。在下穿湖泊项目中，由于湖水压力大容易造成螺旋输送机喷涌或由于湖底沉降过大造成湖底坍塌，湖水倒灌等险情。一旦发生事故，不仅影响工程自身的建设，还会对被穿越结构或环境产生巨大的影响。所以，每项地下穿越工程的施工都会如履薄冰，必须格外谨慎[1-2]。

中外学者针对盾构下穿河流、湖泊工程的风险和风险控制进行了大量研究。张庆贺等[3]以南京地铁为例，研究了超浅覆土下盾构穿越水底隧道所需的最小覆土厚度，并针对超浅覆土风险提出了河底加固措施；吴世明等[4]以泥水盾构穿越钱塘江大堤为例，针对产生的风险源，分析了风险产生的原因，提出对泥水盾构掘进参数优化的控制措施，保证了工程顺利进行；任瑛楠等[5]采用三维非线性有限元模型，对杭州地铁土压平衡盾构穿越钱塘江大堤进行了数值模拟，分析了大堤沉降和变形的风险，并提出了有效控制地面沉降措施；万俊峰[6]以郑州地铁2号线富水粉细砂地层中长距离下穿有压给水管线为例，提出盾构刀盘结构形式及相应配置要适应富水粉细砂层掘进和保压;合理的施工工艺措施对地表沉降控制的必要性；李承辉等[7]通过总结兰州地铁盾构下穿黄河的经验,对泥水盾构穿越黄河过程中的风险控制进行了研究，提出了掘进参数对风险控制的重要性；黄俐等[8]结合北京地铁六号线青褡区间施工实际，研究了盾构施工中7个典型突出风险事件；雷泽明[9]以武汉地铁为例，研究了盾构参数及同步注浆压力与注浆量在软土地基中的关键技术；朱伟等[10]从孔隙水渗流流量角度，解释了土压平衡盾构喷涌机理，并对影响喷涌的要素就行了分析；黄宏伟等[11]总结了不同国家不同地区盾构隧道地表沉降规律，介绍了盾构各阶段对沉降的贡献度；张忠苗等[12]分析了过江隧道盾尾密封失效原因，并总结了在高承压水中盾尾刷修复方法。

目前对盾构下穿河流和湖泊工程的风险分析和控制较少，且多集中在泥水盾构穿越江河湖泊的风险分析和控制。针对太原这种地处河漫滩地区，土压平衡盾构穿越富水粉细砂地层还缺少更多的相关实例。为此，基于富水粉细砂层[13]土压平衡盾构下穿湖泊工程，对于存在的风险，分析了该地层条件下风险产生的机理，并针对性地提出了3种风险控制措施。结合太原地铁2号线土压平衡盾构穿越迎泽湖底施工实例，进一步验证了风险控制的合理性，并取得了较好的施工效果。

1 工程条件分析

太原地铁2号线双塔西街到大南门盾构区间，区间线路从双塔西街站盾构始发后，左线和右线分别下穿位于迎泽公园中的迎泽湖后，到大南门站接收。迎泽湖水深2～2.5 m，湖宽40～300 m。盾构下穿迎泽湖平面图如图1所示。

图1 盾构下穿迎泽湖平面图Fig.1 Shield tunneling through yingze lake plan

湖底地层由上而下为杂填土、黏质粉土、粉质黏土、中砂、粉细砂。盾构左线隧道顶距离湖底16.9～18.2 m，其中湖底杂填土厚度9.56～11.2 m。盾构右线隧道顶距离湖底13.5～17.67 m，其中湖底杂填土厚度7.67～11.8 m。盾构左线下穿湖体长度约185 m，盾构右线下穿湖体长度约459 m，隧道顶部有大范围液化黏质粉土层存在，盾构穿越期间造成的扰动极易在湖底形成渗漏通道，造成冒顶、喷涌、湖底塌陷等事故的发生。双大区间左线地质剖面图如图2所示。

图2 双大区间左线地质剖面Fig.2 Two lager left-line geological profiles

2 工程风险分析及控制

土压平衡盾构穿越富水粉细砂层，工程风险主要集中于盾构螺旋机喷涌；湖底沉降过大引起的湖水渗透、地表变形；盾尾密封失效。

2.1 盾构螺旋机喷涌风险机理分析及控制

2.1.1 土压平衡盾构的工作原理

土压平衡盾构机在盾构掘进机中部设有密封挡板，又称承压板。它与刀盘、盾体之间形成密封土压力仓。刀盘旋转掘削下来的土体，经过刀盘开口进入密封土仓压力室后，经螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道的渣车上。盾构机通过盾构千斤顶推进油缸给土仓压力室加压，以平衡开挖面水土压力，从而保持开挖面的稳定。图3为土压平衡盾构机原理示意图。

PW为水压力；P为土压力；PTBM为盾构土仓压力；PW+P=PTBM图3 土压平衡盾构机原理示意图Fig.3 Schematic plan of soil pressure balance shield machine

2.1.2 喷涌风险

土压平衡盾构喷涌风险是指在地下水位高，透水性大的沙土地层中，水在盾构开挖的渣土中渗流会具有动水力。在一定动水压力作用下，如果开挖的渣土具有明显的触变性，则水体与砂体、土体无法形成固结，会从螺旋输送机排土口喷涌而出，对工程产生风险[14-15]。

2.1.3 盾构机喷涌机理分析

水在沙土中渗流时，会受到微小沙粒的阻力。这个力的作用方向与水在沙土中渗流方向是相反的。根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，方向相反，水流也必然对沙粒产生一个相等的力。通常把水流作用在单位体积土颗粒上的力称为动水力GD，又称渗流力[16]。

通过力的平衡条件可得动水力的计算公式：

GD=T=γwI

(1)

图4为盾构喷涌渗流模型，根据动水力的计算公式，可得在盾构机压力仓中产生的动水力为

图4 盾构喷涌渗流模型示意图Fig.4 Schematic plan of gushing seepage model of shield

(2)

式(2)中：l1为盾构机土压舱宽度。

在螺旋输送器其中产生的动水力为

(3)

式(3)中：H3为螺旋输送器中水头高度；l2为螺旋输送器长度。

在螺旋输送器中，当土颗粒受到向上的动水力等于土的有效重度时，即

GD=γwI=γ′=γsat-γw

(4)

式(4)中：γsat为土的饱和重度；γ′ 为土的有效重度。

此时土颗粒间的黏聚力等于零，土颗粒间将处于悬浮状态而失去稳定，这时的水力梯度称为临界水头梯度Icr。当IIcr时，土体喷涌。

由此可认为喷涌发生的机理是：在地下水位高的区间段，由于开挖面上水压力高，加之开挖出来的沙土本身透水性大，级配不好，水在沙性土中发生了渗流，由此产生了动水力。当动水力小于土体重度时，土体和水体以相同速度经螺旋输送机传送到皮带输送机上，当动水力大于土体重度时，此时水体对土粒的作用力大于了土颗粒间的重力，导致水体运动速度大于土体排出速度，流水便在增大的压力下带动正常排出的沙土喷涌而出，形成了喷涌现象。

2.1.4 喷涌风险控制措施

由于喷涌发生是因为动水力大于了土体重度，故需要降低土中水渗流时的动水力。现场施工中，通常通过渣土改良方式，来控制喷涌发生。即通过盾构机端头部注入口向前方土体、刀盘面、密封压力仓和螺旋输送机注入泡沫、膨润土或者高分子聚合物等添加剂，使盾构掘削下来的砂土具有较好的抗渗性、流塑性和黏聚性，可以有效降低沙土中水渗流时产生的动水力。

(1)常用渣土改良材料：在盾构施工中，通常将泡沫剂、膨润土、高分子聚合物等作为渣土改良的材料。表1为常用渣土改良材料优缺点比较。

表1 常用渣土改良材料优缺点比较Table 1 The advantages and disadvantages of commonly used residuum materials are compared

针对湖底全断面砂层富水地层此种地质条件,根据表1优缺点综合分析施工采用高分子聚合物进行渣土改良。

(2)现场实际应用：富水粉细砂层中掘进采用高分子聚合物进行渣土改良，根据已有施工经验，工程添加的高分子聚合物浓度一般在 1/1 000～3/1 000 。但在工程实际应用中，原有的高分子聚合物浓度没有很好的改良渣土和易性，喷涌现象还有发生，将高分子聚合物浓度创新性地提高到 10/1 000，渣土实现较好的和易性。有效抑制了喷涌的发生。图5为现场改良后的土体。

图5 现场改良后的土体 Fig.5 Field improved soil

2.2 盾构通过后的盾尾空隙沉降机制及控制

2.2.1 盾构施工引起地表沉降的主要4个阶段

(1)盾构到达前的先期沉降。盾构机向前掘进过程中，在尚未到达开挖面前一段距离内，会对前方土体产生扰动。对于沙质土，其部分原因是由于地下水位下降，引起前方土体应力释放。在应力重新分布过程中，土颗粒实现重新固结，在固结过程中，引起地表沉降。

(2)盾构通过时引起的地表沉降。如图6所示，由于刀盘外径为6 480 mm，而盾壳外径为6 440 mm，土体作用力由刀盘到盾构外壳，因为外径不同有沉降差，会引起部分土体沉降。此外，由于施工因素影响，盾构盾壳在千斤顶液压支架推力作用下，向前推进过程中对土体也形成了扰动，使周边土体松弛，在这些因素共同作用下引起了地表的沉降变形。

图6 盾构机构造示意图Fig.6 Schematic drawing of shield mechanism

(3)盾构通过后的盾尾空隙沉降。如图6所示，盾壳外径为6 440 mm，管片外径为6 200 mm，当土体作用力由盾壳作用到管片上时，由于管片与盾构外壳之间空隙较大，容易造成较大的地表沉降。而这部分空隙主要通过同步注浆和二次注浆进行填充，若盾尾空隙同步注浆注浆量不足或者注浆凝固时间过长，在土体作用力完全作用前无法形成一定的强度，就容易引起地表较大的沉降。

(4)管片衬砌后地表长期后续沉降。盾构机通过，管片衬砌同步注浆后，由于浆液需要凝固时间产生强度，以及土层固结、次固结、蠕变等作用。土体发生这些变化需要一段很长的时间，故会引起长期的地表沉降。

2.2.2 富水粉细砂层盾构主要沉降发生阶段

富水粉细砂层盾构沉降主要发生在盾构通过后的盾尾空隙沉降，这是因为和其他地层相比，富水粉细砂地层有特殊的水理特性。

(1)胶结性较差，颗粒粒径的分布广，与岩石相比，承载能力较小。

(2)颗粒级配性差，松散状态较多，具体表现为渗透能力强，有较大的渗透系数。

由于粉细砂自身结构特征：在盾构施工时其成拱性差，极易出现坍塌。刀盘掘进过程中对粉细砂土产生大的扰动致其孔隙水压力变化比较大，容易产生超孔隙水压力，加之盾尾通过后会留下较大的空隙。故该阶段容易产生较大的沉降。

2.2.3 沉降风险控制措施

富水粉细砂层盾构沉降主要发生在盾构通过后的盾尾空隙，也就是第3阶段沉降，对于这一阶段沉降控制措施主要为同步注浆及二次补浆。当位于盾尾的管片拼装完成后，盾构机在千斤顶推力下继续向前推进，当土体接触面由盾壳转移到管片上时，这部分会形成较大的间隙。对这部分间隙的控制采用4组管路通过同步注浆和二次补浆的方式填充，以防止和减小底层的变形，并且提高结构稳定性。

(1)注浆材料及其配比设计。同步注浆材料采用水泥砂浆。水泥砂浆有许多优点，如结石体强度高、结实比率大、具有较长的耐久性，并且有很好的抗渗性，能有效防止地下水侵析。同步注浆水泥采用42.5硅酸盐水泥，该水泥可有效提高注浆结实体的胶结性、耐腐蚀性，将管片包裹于耐腐性注浆结实体中，从而减弱地下水中含有的化学物质对管片混凝土的腐蚀。现场注浆材料如图7所示。浆液的主要物理力学指标如表2所示。掘进过程同步注浆配比实验如图8所示。

图7 施工现场注浆材料Fig.7 Grouting materials for construction site

表2 同步注浆浆液的主要物理力学性能指标Table 2 Main physical and mechanical properties of synchronous grouting slurry

图8 掘进过程同步注浆配比实验Fig.8 Synchronous grouting ratio test during tunneling

(2)同步注浆主要技术参数。

注浆压力设定：根据设计要求，本工程同步注浆压力选择为0.2～0.3 MPa。

注浆量的控制：每推进一环的建筑空隙为

π(D12-D22)L/4

(5)

式(5)中：D1为刀盘外径6.48 m/盾构外径6.44 m；D2为管片外径 6.2 m；L为管片宽度1.2 m。

根据管片壁后环形间隙与地层有效填充的经验公式计算，结合该工程的地质特点和设计要求取环形间隙理论体积的1.4～1.6倍，管片宽度1.2 m。故左线每环壁后注浆量：Q=4.7～5.4 m3一般取值5.0 m3/环。

注浆速度：同步注浆速度与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.2 m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度，达到均匀的注浆目的[17]。

二次补浆：二次注浆材料与同步注浆浆液材料一致。二次注浆管片间距为3～5环，距离盾构机位置15～20环处相当于钟表1点或11点位置进行二次注浆。注入量根据注浆压力确定，注浆压力不超过0.4 MPa。

工程施工按照设计盾构掘进过程中同步注浆浆液凝固时间为6 h，注入该浆液地表沉降变形过大，不足以把沉降控制在合理范围内。通过实验优化注浆配比，使其凝固时间由6 h变为4 h，有效控制了湖底沉降，最终监测点累计沉降25.33 mm。

2.3 盾尾密封失效风险分析及控制

2.3.1 盾尾密封失效风险

土压平衡盾构机盾尾密封是将盾构机内部与外界土层隔离的系统。通过盾尾密封可以将土体、地下水与盾构机之间形成一道重要的安全屏障。盾尾密封失效就是盾构机盾尾不能有效阻止盾构机外界土体、水体向盾构机内部渗透。如果盾尾密封失效一旦发生，加上处理不及时，就可能造成严重后果。同步注浆及二次注浆过程会发生漏浆，富水沙土会从盾构尾刷间隙涌入隧道内部，间接导致土层水土流失引起地面不均匀沉降。如果对于湖底盾构施工，还可能发生湖底贯穿、冒顶而危及整个工程。

2.3.2 盾尾密封控制措施

盾尾密封控制措施主要是改进盾尾刷。盾尾刷主要用于盾体尾部的密封，确保管片拼装完成后，在管片与土体直接接触时，不会出现向盾构机内部漏水、漏砂问题。盾尾刷通常采用钢丝刷结构，密封效果较好。通过向钢丝刷两边沟槽注入油脂，既保持了钢丝的弹塑性也起到了油脂较好的隔水作用。盾尾密封的道数通常根据隧道埋深、地下水位高低来定，一般为2～3道。图9为盾尾密封系统示意图。

图9 盾尾密封系统示意图Fig.9 Schematic diagram of shield tail sealing system

工程土压平衡盾构主要在富水粉细砂层中进行，富水粉细砂对盾尾刷磨损较大，加之掘进距离长，且该地层无更换条件。故在实际施工前，已对盾尾刷进行了改造。将前边两道钢丝刷更换为弹性好的优质钢丝刷，将第三道钢丝刷更换为采用36层薄钢板组装而成的盾尾刷，如图10所示。改良后防水效果明显，保证了盾构一次性安全通过。

图10 现场改良后盾尾刷Fig.10 Field improvement backing tail brush

3 工程实践研究

3.1 监控量测

监测点的布设原则是配合盾构在富水粉细砂层中安全施工，优化盾构在掘进过程中的参数控制，取得该盾构区间段的沉降控制参数。工程因需要对湖底沉降监测，采用对湖底打不锈钢管的方法。具体布置为：迎泽湖内监测点布设间距20 m一个断面，共布置7个断面；监测点布设采用1根3分不锈钢管，长3 m带丝扣，附2根不锈钢管长1 m带丝扣及接头(图11)。

图11 迎泽湖面布设沉降观测点现场Fig.11 Site map of settlement observation point on Yingze Lake

3.2 监测数据分析

整理实际监测沉降数据如图12所示。由图12可知，盾构机机身通过断面前，地层沉降基本没有发生变化，在盾构机掘进至监测断面下方，测得监测点累计沉降为2.5 mm，监测断面脱出盾尾，地层发生沉降，监测点累计沉降达到10.93 mm；当监测断面脱出盾尾12 h后监测点累计沉降量达到 15.9 mm，当监测断面脱出盾尾24 h后监测点累计沉降达到19.2 mm，当监测断面脱出盾尾48 h后监测点累计沉降量达到23.14 mm，沉降速率趋于稳定，最终测得监测点累计沉降25.33 mm。

图12 实际监测沉降数据Fig.12 Actual monitoring settlement data

4 结论

针对土压平衡盾构在富水粉细砂层中下穿湖泊的风险，分析了风险产生机理，提出了相应控制措施。结合太原地铁下穿迎泽湖工程的实例加以验证，得出以下结论。

(1)盾构穿越富水粉细砂层时，针对螺旋机喷涌风险，通过渣土改良将高分子聚合物浓度创新性的提高到 10/1 000，可以有效控制螺旋机喷涌，维持土仓压力平衡，降低盾构在富水粉细砂层中下穿湖泊时湖底坍塌、湖水倒灌风险。

(2)根据盾构喷涌渗流模型，当沙土动水力超出临界值时,将发生对工程有危害的喷涌风险；富水粉细砂地层盾构沉降主要发生在盾尾空隙沉降。该沉降主要是由于管片与盾构外壳之间空隙较大，同步注浆浆液无法有效填充空隙导致。

(3)由于富水粉细砂特殊的水理特性，盾构掘进过程中经过实验，创新性的采用改良后同步注浆浆液配比，使其凝固时间由6 h变为4 h，有效控制了湖底沉降，并测得最终沉降量为25.33 mm。

(4)针对在富水粉细砂层中长距离掘进可能导致盾尾刷失效风险。通过将第三道盾尾刷由钢丝尾刷改造为钢板尾刷，有效减小了盾尾刷磨损导致盾尾刷失效风险，可以成功一次性安全通过。