砂卵石地层地铁盾构施工沉降处理技术

杜聿笙

（中交隧道工程局有限公司，北京）

前言

盾构是一种地铁隧道掘进专用工法，主要借助盾构机开展作业。在地铁工程中，盾构法兼具对操作快速、地面小幅度干扰、高度自动化、全方位作业的优良特点。但是，在砂卵石地层，盾构掘进易引发土体变形走动以及大面积地面沉降。因此，根据砂卵石地层特点，探究地铁盾构作业期间沉降处理工法具有非常突出的现实意义。

1 砂卵石地层地铁盾构工程

一地铁盾构工程全长30 km，均为地下线路，途经18 座车站，相邻车站之间平均距离为1 325 m，相邻车站之间最小距离为835 m，相邻车站之间最大距离为2 336 m，线路示意图见图1。

图1 地铁线路简图

图1 所示线路途径车站均为多跨箱型框架结构，地下区间采用盾构法，盾构机数量为16 台，平均每台盾构机掘进距离为4 km。在区间内，地铁隧道覆土厚度为12.5 m±2.5 m，线路纵坡度为15‰±7‰。区间总体地形高低波动较小，高程在1 520.1 m～1 529.2 m 之间。根据区间场地勘探范围内土层划分情况，得出区间场地土层性质见表1。

表1 盾构区间场地土层性质

地铁盾构主要穿越卵石层，穿越卵石层主要岩土参数见表2。

表2 盾构穿越层岩土参数（局部）

2 砂卵石地层地铁盾构施工方案及沉降表现

2.1 盾构方案

砂卵石地层中，根据作业要求，需要合理设置刀盘开口率以及中心滚刀、正面滚刀、边缘刮刀、边缘滚刀、贝壳刀的数量与间距、高度。地铁盾构操作方案见表3。

表3 地铁盾构操作方案

2.2 沉降表现

在盾构作业初期，地层颗粒在自身重力作用恢复稳定情况下向掘进仓施加水平方向压力，压力值小于静止水平压力，地表迅速沉降[1]。随着盾构时间延长，土仓压力迅速增加至2.2 bar，出土量增加，地表隆起超限。地表沉降随土仓压力变化见图2。

图2 地表沉降随土仓压力变化

图2 中，横轴为土仓压力，bar；纵轴为地表竖向位移，mm；高土仓压力对应2.5 倍保压；低土仓压力对应0.5 倍保压；土压平衡对应1.0 倍保压。在高土仓压力下，地表隆起；在低土仓压力下，地表沉降问题明显，最大沉降值达到-70 mm，超出工程允许限额；在土压平衡情况下，地表沉降最大值达到-55 mm，需要进一步处理。

3 砂卵石地层地铁盾构施工沉降处理技术

3.1 渣土改良

在砂卵石地层，渗透率处于较大数值，地铁盾构掘进过程形成不透水塑流性渣土难度较大，土压平衡状态形成不易，在土仓压力不稳定情况下，地表沉降风险较高[2]。因此，技术人员应从渣土改良视角着手，解决螺旋输送机喷涌问题，确保土仓压力进入平衡状态，在保证顺利出渣的同时，有效控制渣土清出量，规避地表沉降问题。综合考虑砂卵石地层地铁盾构区间水文地质条件，以抗渗性无法满足掘进切削面稳定要求的渣土（或者抗渗性无法满足掘进切削面稳定要求的渣土）为对象，合理选用优质泡沫剂（pH7.3～8.0，黏度0.003 Pa·s～0.2 Pa·s，气泡发泡倍率10 倍～15 倍，气泡注入率30%±10%）等化学试剂，每环用量35 L±5 L，改良渣土，获得和易性、密实度、流塑性均较佳的承压介质，促使土仓承压介质有效传递盾构掘进界面土体、水体压力，最大限度减少盾构掘进对地层的干扰[3]。

在渣土改良的基础上，技术人员可以记录盾构掘进作业期间出渣体积、每环渣土重量，明确1.5 m 管片每环出土体积与重量之间关系，指导下一环盾构掘进作业。比如，右线隧道作业期间，盾构穿越端头井加固段后掘进20 m 位置螺旋输送机渣土清出量达到85 m3显著超出理论渣土清出量50 m3，加之盾构掘进速度下滑，在掘进期间地面局部形状出现大幅度变化，进而出现地面沉降。分析上述问题原因是盾构机刀盘额定扭矩不足，呜啊满足土压掘进要求。因此，在下一环掘进期间应落实保压掘进方针，减少刀盘前方土体形状异变，解决地表向下竖向位移问题。

3.2 掘进控制

在盾构掘进期间，前方地层会形成空洞，一旦处理不及时，就会出现地表竖向位移超标。在盾构掘进期间，技术人员应维持不间断稳压、稳速前进，确保现实渣土清出量与理论渣土清出量平衡、土仓压力与水土压力平衡、浆液灌注量与盾构尾端建筑孔隙平衡[4]。特别是在穿越第四系全新统冲积地层卵石与第四系下更新统冲积地层卵石期间，技术人员应控制刀具贯入量小于10 mm/r，并正向或反向转动刀盘（刀盘扭矩小于10%），缓慢切削，刀盘转速大于1.0 r/min 但小于1.5 r/min，减少刀盘旋转对砂卵石不稳定地层的干扰。进而技术人员可以将土压平衡掘进为重点，科学调整油缸推力与泡沫参数，控制上部土仓压力在0.6 bar 以上，规避盾构偏心，减少盾构掘进对地层扰动引发的地层沉降问题。

3.3 注浆加固

砂卵石地层地铁盾构作业大幅度沉降与盾构掘进期间渣土清出量超标且填充不及时具有较大关系。因此，技术人员应综合考虑注浆压力、体积、注浆参数等因素，改良注浆方案，促使浆液密实填充管片、地层之间缝隙，从源头解决地表沉降问题。改良后的注浆方案是同步注浆和二次注浆方案，并将1 道止水环设置到五环管片。具体操作时，技术人员可以盾构机进入洞门为标准，调整、固化盾构洞门圈压板，再次紧固压板固定螺栓。同时技术人员可以盾构进入洞门后第五环为节点，准备微膨胀水泥与水玻璃配置的双浆液（7 m3±1 m3），经2 套管路输送到灌浆口，在灌浆口混合后经孔内埋管注入管片，及时封堵五环管片。进而技术人员可以盾构进入洞门后第十二环为节点，依据2.5 bar±0.5 bar 的压力，向加固区间内脱离盾构尾端的第一环管片到第八环管片交叉注入单液（质量分数水泥130 份～150 份，粉煤灰310 份～450 份，水380 份～550 份，膨润土30 份～150 份，砂550 份～1250 份）、双浆液（水泥浆液水灰比0.5/1，45°Be 水玻璃与水泥浆液浓度0.35/1），利用双浆液约束管片规避管片上浮，并封堵管片后渗水渠道，规避盾构尾部漏水，利用单浆液密实填充卵石缝隙，提高地层密实度，从源头解决地层沉降问题[5]。

若盾构掘进刀盘前上方卵石出现严重坍塌，技术人员可以从盾构始发前期着手，利用高压旋喷桩注浆法，固结处理区间始发端刀盘前上方卵石层。同时根据砂卵石地层地面沉降点多面广的特点，技术人员可以渣土清出量分析为依据，根据分析结果推测地铁隧道盾构区间里程点，配合管线探测仪器，人工挖掘深坑，经深坑尽快灌注混凝土。灌注方法为纯压式全孔一次灌浆法，灌浆压力为0.5～1.0 bar，灌浆进入尾声的标准是压力达到标准值、注浆量达到设计体积。灌注期间，跟踪处理沉降，解决盾构作业期间地面向下发生竖向位移问题。

4 砂卵石地层地铁盾构施工沉降处理结果

4.1 测点布置

在砂卵石地层地铁盾构作业开始位置、盾构吊出位置100 m 范围内，设置若干测点断面，相邻测点断面之间距离为20 m；在砂卵石地层地铁盾构作业开始位置、盾构吊出位置100 m 范围外，设置若干测点断面，相邻测点断面之间距离为50 m；在地铁隧道开挖外轮廓线30 m 范围内，设置若干观测点，观测点与建筑物数量占比为4/1，并在转角位置增设1 个测点[6]。沉降监测点布置方法见图3。

图3 沉降监测点

图3 中，1 为水泥砂浆填实；2 为路面；3 为孔；4为光圆钢筋；5 为钢筋底部与路面之间保护盖。

4.2 监测标准

在位于盾构刀盘周边10 m 范围内的测点监测时，设定检测频率为2 次/d；在位于盾构刀盘周边50 m 范围内的测点监测时，设定检测频率为1 次/7d。监测工具为水准仪，沉降预警值为砂卵石地层地铁盾构作业沉降许可值的3/4[7]。

4.3 监测结果

汇总监测数据，选择具有代表性的数据，将数据代入Peck 公式内进行回归分析，得到断面监测数据。计算公式为：

由表4 可知，回归后地铁隧道监测面最大沉降值为-15 mm，小于盾构作业标准中关于盾构地表最大沉降-30 mm 的标准，且断面沉降曲线符合正态分布，沉降曲线基本以地铁隧道中轴线对称分布，沉降范围大致在隧道中轴线两侧20 m 范围内，沉降数值均小于标准限额，表明隧道中轴线两侧20 m 范围内的地铁隧道地面沉降处理效果良好。

表4 回归后地铁隧道监测面最大沉降值

5 结论

综上所述，砂卵石地层颗粒与颗粒之间无粘聚力，且颗粒之间孔隙较大，盾构刀盘旋转切削时围岩易受扰，进而引发地面沉降。面对地铁盾构作业沉降问题，技术人员应在地铁隧道覆土深度一定的情况下，探究面板式刀盘盾构对地层的扰动规律以及沉降表现，选择最佳处理工法，确保砂卵石地层地铁盾构作业高速、安全推进。