下穿黄河强透水砂卵石地层隧道施工参数研究*

黎水昌，李洋溢，秦鲜卓

(1.广西南天高速公路有限公司，广西 河池 547000； 2.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530000)

0 引言

泥水平衡式盾构工法在国内外穿越江河湖海隧道工程中的应用越来越广泛，如日本东京湾道路隧道、荷兰格雷恩哈特隧道、南京纬七路越江隧道、上海人民路越江隧道、北京地下双线铁路隧道等均采用该工法修建[1-2]。与其他施工方法相比，泥水平衡式盾构工法具有掘进效率高、地层扰动小、地层适应范围广等优点[2]。近年来，已有学者对盾构在各种地层条件下的安全施工技术和施工参数控制问题等进行了大量研究，如颜波等[3]结合实际工程地表沉降参数，对盾构参数进行优化，该研究具有较强的现实意义；郭信君等[4]针对南京长江隧道渗透性高的砂砾地层，系统性地总结隧道施工过程中的关键技术和施工参数，对于我国大直径泥水平衡式盾构技术的发展具有重要参考意义；黄君[5]依托华电灵武电厂向银川智能化集中供热一期项目下穿黄河段盾构法隧道工程，统计及分析了富水饱和砂性地层下长距离下穿黄河的相关施工控制参数，该研究具有较强的工程价值；李希宏等[6]探究了福州地铁4号线不同地层条件下的盾构施工掘进参数，并结合数值模拟手段，与实际施工监测值进行对比分析，验证掘进参数与地层的适应性；徐天生等[7]以杭州市某供水管道工程土压平衡盾构施工为背景，针对其粉质黏土、淤泥等软弱土层，研究土压平衡盾构在软弱土层中的掘进参数与控制措施。

兰州地铁下穿黄河隧道工程砂卵石地层具有富水性高、渗透性高、卵石含量高、卵石强度大等特点，工程地质条件和建设环境较罕见。隧道施工难点主要表现为：①地层结构松散，盾构掘进时易破坏地层初始稳定状态，造成开挖面频繁塌方，无法保压；②砂卵石地层孔隙率大，渗透性高，泥浆成膜效果差，不能有效保持开挖面土体稳定；③刀盘、刀具磨损严重，在黄河河底开仓检查和更换刀具作业风险大。由此可见，如果隧道区间砂卵石地层条件复杂，隧道施工面临诸多风险，若隧道施工参数控制不合理，将极大影响隧道施工安全，引发开挖面失稳、地表塌陷等事故。针对下穿黄河强透水砂卵石地层盾构施工参数的研究较少，为此，结合兰州地区黄河阶地复杂的地质条件，对泥水平衡式盾构施工参数进行分析与控制，并结合国内部分已建成的水下盾构隧道工程实例，分析水下盾构隧道施工参数设定的合理性和依据。

1 工程概况

兰州市轨道交通1号线迎门滩站—马滩站区间设计为双线隧道，隧道左、右线间距设计为6.8m。线路总体呈V字形，线路纵坡坡度设计为2.8%。左线起讫里程设计为ZK13+150—ZK15+057，全长1 907m；右线起讫里程为YK13+150—YK15+057，全长1 907m。本工程为国内首条下穿黄河的城市地铁隧道工程。

隧道区间采用泥水平衡式盾构工法进行施工，泥水平衡式盾构直径设计为6.48m，盾体长约9.2m(不含配套设备)。管片外径为6.2m，厚度为0.35m，长度为1.2m，纵、环向采用双面楔形环管片错缝拼装。盾构隧道从银滩黄河大桥上游约38m处下穿黄河，下穿黄河段长达404m，勘察时期河水深度约为2.5m，隧道顶距河床底部18～24m。

2 工程地质条件

盾构隧道区间地层由上至下主要为杂填土层、第四系全新统中砂(分布于卵石层间)和卵石层、第四系下更新统卵石层，各土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

隧道区间内的主要含水层为砂卵石层，最大厚度可达316.77m。地下水主要赋存于卵石层中，卵石层综合渗透系数可达55～60m/d，渗透性较强，为强透水地层。盾构隧道主要穿越第四系下更新统卵石层，本地层结构力学特点较复杂，地下水极丰富，在盾构掘进过程中出现开挖面失稳、河底地表沉降、涌水涌泥、管片上浮的风险极高。盾构下穿黄河段时，应设定合理的掘进参数，严格控制盾构掘进姿态，适当提高泥浆性能参数，减少对周围土体的扰动，避免开挖面失稳及涌水涌砂事故的发生。

3 隧道施工参数控制

泥水平衡式盾构施工参数主要包括盾构掘进参数、泥浆性能参数、壁后注浆参数、二次注浆参数，各参数相互联系、密切相关，施工时应综合考虑，对其进行有效控制。盾构掘进过程中还应根据不同的地层条件、隧道埋深、施工进度及经济技术水平等确定合理的施工参数。通过施工参数的合理调整与控制，可提高盾构施工效率，达到有效控制地表沉降和稳定开挖面的目的。

3.1 盾构掘进参数

本研究盾构掘进参数主要包括盾构推力、切口泥水压力、盾构掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、盾构掘进姿态控制。结合黄河阶地砂卵石地层特点，设定合理的盾构掘进参数，既要考虑其对地层扰动的影响，又要考虑其对刀盘、刀具磨损的影响，确保隧道开挖面土体稳定。

3.1.1盾构推力

现场监测数据及施工效果表明，盾构穿越黄河段时，设定的盾构推力较大，其值基本控制为9 000～13 000kN，波动范围较大；盾构未下穿黄河段时，盾构推力较小，其值基本控制为9 000～11 000kN，波动范围较小，如图1所示。

图1 典型隧道区间盾构推力

分析现场实测数据，可得以下结论。

1)盾构下穿黄河段时，水文地质条件更复杂，存在诸多不确定因素。为适应多变的地质条件，使盾构推力波动范围较大，施工时应加强监控量测，确保开挖面土体稳定。

2)盾构下穿黄河段时，砂卵石层间细砂易随着水的渗透而流失，使卵石颗粒间的咬合作用变弱，黏聚力降低，卵石骨架受盾构施工扰动易坍塌。为保证开挖面土体稳定，应适当提高盾构推力。

3.1.2切口泥水压力

泥水平衡式盾构主要利用有效泥水压力平衡地下水土压力，达到支护和稳定开挖面土体的目的。因此，切口泥水压力设定合理性对盾构施工安全具有较大影响。

现场监测数据表明，盾构穿越黄河段时，切口泥水压力较大，多控制为0.22～0.26MPa，波动范围较小；盾构未下穿黄河段时，切口泥水压力较小，多控制为0.18～0.22MPa，波动范围较小，如图2所示。

图2 典型隧道区间切口泥水压力

分析现场实测数据，可得以下结论。

1)盾构未下穿黄河段时，切口泥水压力不宜过高，应结合地层条件、隧道埋深等因素进行合理调整。

2)盾构穿越黄河段时，地下水位高，面临更大的地下水土压力，且地下水渗流会对开挖面产生影响。为有效保持开挖面土体稳定，切口泥水压力应相对较大，避免发生开挖面失稳现象。

3)当切口泥水压力波动较大时，会引起较大的地层扰动，不利于开挖面土体稳定，因此盾构掘进过程中应严格保持切口泥水压力稳定。

3.1.3盾构掘进速度和刀盘转速

盾构掘进时适当增大掘进速度、降低刀盘转速可减少刀具磨损。由于本工程强透水砂卵石地层为典型的力学不稳定地层，盾构掘进速度不宜过快，以免影响地层和开挖面土体稳定。

为有效保证隧道开挖面土体稳定，盾构穿越黄河段和未下穿黄河段掘进速度均较小，且变化范围较小，基本控制为14～20mm/min，如图3所示。

图3 典型隧道区间掘进速度

3.1.4刀盘扭矩

随着掘进距离的增加，刀具磨损情况越来越严重，在刀盘阻力增大的同时，刀盘扭矩相应增加。当刀盘扭矩较大时，可适当降低盾构掘进速度，结合实际情况、参考相关施工经验确定最佳取值。

现场监测数据表明，盾构穿越黄河段和未下穿黄河段刀盘扭矩值差别较小，多控制为700～1 000kN/m，波动范围较大，如图4所示。

图4 典型隧道区间刀盘扭矩

3.1.5盾构掘进姿态控制

盾构掘进姿态控制是影响隧道施工安全的关键因素，如控制不当，盾构会偏离设计轴线，当偏差大于容许界限值时，会导致地表沉降增大，须进行反复纠偏。纠偏过程中管片环面受力不均，管片间易发生错台等现象。因此，在盾构施工过程中，须严格控制掘进姿态，尽可能使其沿隧道设计轴线掘进。

施工过程中，盾构中心线与隧道设计轴线的水平偏差始终控制在40mm以内，垂直偏差始终控制在30mm以内。为保持良好盾构掘进姿态，实际工程中主要采取以下措施：①采用高精度盾构导向远程控制系统和人工测量技术进行控制，控制系统可实时显示盾构掘进姿态，工作人员可依据系统反馈结果及时进行调整，使偏差满足要求。辅以人工测量技术实现盾构精确定位，以保证盾构掘进方向准确。②对盾构掘进装置系统进行合理分组，通过调整盾构各方向编组的油缸推力控制盾构掘进姿态和方向。当盾构掘进姿态偏向隧道设计轴线上方时，可适当增加盾构下方油缸组推力或减小盾构上方油缸组推力；当盾构掘进姿态偏向隧道设计轴线左侧时，可适当增加盾构右侧油缸组推力或减小盾构左侧油缸组推力；当盾构处于直线平坡段时，应使全部油缸组推力保持相近。

3.2 泥浆性能参数

根据达西定律，泥浆中颗粒会在渗透压的作用下向地层中渗透，此过程泥浆颗粒会慢慢填充地层间隙，使地层渗透系数减小，从而在开挖面形成致密性良好的泥膜。相关研究表明，采用性能良好的泥浆浆液，可形成致密的泥膜，有利于开挖面稳定。泥浆性能参数主要包括泥浆黏度与相对密度。

从开挖面土体稳定角度考虑，泥浆黏度与相对密度越大，成膜性能越好，有效的泥水压力越大，对开挖面土体稳定越有利。然而，如果泥浆黏度与相对密度过大，泥浆流动时所受阻力相应增大，导致泥水运送泵等工作功率相应增大。因此，选择合理的泥浆性能参数时，既要考虑泥膜质量，又要考虑泥浆设备综合性能。

盾构穿越黄河段时，泥浆黏度多控制为25～40Pa·s，泥浆相对密度多控制为1.15～1.25；盾构未下穿黄河段，泥浆黏度多控制为19～34Pa·s，泥浆相对密度多控制为1.1～1.2，如图5，6所示。分析可知，与未下穿黄河段相比，盾构穿越黄河段时适当提高泥浆性能参数，有利于形成致密性良好的泥膜，使泥浆压力有效作用于开挖面，有效应对黄河段相对复杂的地质条件，以保证隧道开挖面土体稳定。

图5 典型隧道区间泥浆黏度

图6 典型隧道区间泥浆相对密度

3.3 壁后注浆参数

壁后注浆参数主要包括注浆浆液性能、同步注浆量(注入率)、同步注浆压力等。选择合适的注浆浆液，合理调整注浆量和注浆压力，及时填充管片脱离盾尾后留下的间隙，对抑制地表沉降、控制管片上浮及提高隧道抗渗性等具有重要作用。

3.3.1浆液性能

壁后注浆常用浆液包括单液浆和双液浆[8-9]。实际工程对各影响因素进行综合考虑后，同步注浆选择单液浆(水泥)，二次注浆采用双液浆(水泥+水玻璃)。施工现场考虑单液浆初凝时间较长，且浆液注入砂卵石地层后易流失，注浆后不能满足迅速控制地层沉降的要求。因此，在盾构掘进过程中，如果单液浆注浆效果不佳，地表沉降不能得到有效控制，应配合使用双液浆。

3.3.2同步注浆量

同步注浆可有效填充盾尾地层间隙，对减少地层扰动具有重要作用[9]，如图7所示。砂卵石地层松散，且孔隙率较大、渗透性高，为有效控制地层扰动，需加强盾尾同步注浆控制，合理调整注浆量和注浆压力，提高注浆工艺水平。在盾构内部空间允许的情况下，可根据地质条件合理确定注浆孔位置和数量。本工程采用双泵四管路装置进行同步注浆，注浆时选择自动控制方式。根据相关施工经验，结合黄河阶地特有的砂卵石地层特点，将同步注浆量控制为理论建筑间隙的150%～200%。

图7 盾尾同步注浆效果示意

根据现场监测数据，盾构未下穿黄河段和穿越黄河段注浆量变化较小，注浆量多控制为5.5～6.2m3/环，如图8所示。经计算，实际注浆量为理论建筑间隙的165%～185%。本工程注浆量较大，这是因为盾构在渗透系数大的地层中掘进，浆液注入后易流失。

图8 典型隧道区间同步注浆量

3.3.3同步注浆压力

同步注浆压力控制应满足有效填充建筑间隙而不对土体产生劈裂的要求。若注浆压力过大，可能造成漏浆、跑浆等现象；若注浆压力过小，会影响浆液注入和填充地层效果，导致地表沉降增大。

根据现场监测数据，盾构穿越黄河段和未下穿黄河段注浆压力变化较小，注浆压力多控制为0.2～0.3MPa，如图9所示。注浆压力可根据实际情况进行合理调整，确保达到浆液有效填充建筑间隙的目的。注浆压力不宜过大，以免引起浆液渗漏和地表隆起等。

图9 典型隧道区间注浆压力

3.3.4二次注浆参数

如果进行同步注浆后，地表沉降控制效果不明显，需进行二次注浆。二次注浆参数主要包括二次注浆压力和注浆量。二次注浆压力主要依据注浆口水土压力确定，二次注浆量依据地层条件、同步注浆效果等确定。根据现场监测数据，二次注浆量控制为同步注浆量的15%～20%。在卵漂石含量较多的地层中，应适当增加二次注浆量。

4 结语

本文针对兰州地区黄河阶地特有的大粒径强透水砂卵石地层条件，对下穿黄河泥水平衡式盾构隧道施工参数进行研究。工程实践表明，隧道穿越黄河段施工过程安全、顺利，采取的施工参数实施效果良好。

1)盾构施工参数相互联系、相互影响，盾构掘进过程中应综合考虑各参数的联动关系，从而确定合理的施工参数。

2)盾构穿越黄河段的地层条件复杂多变，为保证开挖面土体稳定，施工时应适当提高盾构推力，保持切口泥水压力稳定，盾构掘进速度不宜过快。

3)盾构穿越黄河段时，适当提高泥浆性能参数，利于形成致密性良好的泥膜，有效应对穿越黄河段相对复杂的地质条件，以保证隧道开挖面土体稳定。

4)黄河阶地砂卵石地层孔隙率较大，渗透性强，为有效减少地层损失和地表沉降，应加强同步注浆控制，选择初凝时间较短的注浆浆液。