砂卵石地层地铁隧道盾构施工地面沉降控制探讨

彭正杰

（上海同是科技股份有限公司，上海市 201100）

1 引言

兰州轨道交通2号线一期工程4标公交五公司站—定西路站区间主要布设于老城区主干道，周边管线及建筑物密集，城市道路交通繁忙，地层条件复杂，经工程地质勘察查明：隧道主要穿行于富水砂卵石及强风化砂岩层，盾构始发段地层为全断面富水砂卵石，砂卵石粒径较大。盾构始发是盾构法施工的重要环节之一，盾构始发时的风险控制一直是地铁工程中的重难点，盾构在砂卵石地层进洞往往会对周边环境产生比较大的影响。由于砂卵石地层存在不稳定性，盾构掘进时极易产生刀盘前方坍塌，影响盾构机正常始发，严重时引发周边建筑物、管线破坏。因此对砂卵石地层的研究探讨，总结出有效控制地面沉降的技术措施是很有必要的。

2 工程实例

2.1 工程概况及水文地质

兰州轨道交通2号线一期工程4标公交五公司站—定西路站区间盾构拟从定西路站始发，沿排洪南路自北向南掘进至公交五公司站接收。本区间右线长度约831.2 m，左线长度约734.7 m，左右线最大线间距约84.0 m，区间隧道底板标高约1 494.2～1 505.3 m，隧道底板埋深约18.4～31.3 m，区间采用土压平衡盾构施工，区间设一座联络通道兼泵房。

公交五公司站—定西路站区间位于黄河南岸河谷盆地内，地貌类型属侵蚀堆积河谷平原，场地地貌单元属黄河Ⅱ级阶地。地层主要为第四系人工填土、第四系全新统冲积黄土状土、卵石及下第三系渐新统粉砂岩组成，下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层主要为第四系冲积卵石。卵石杂色，密实，颗粒母岩成分以花岗岩、石英岩为主，磨圆度较差，呈次圆状～次棱角状，分选性一般，可能存在粒径≥60 cm的漂石。地下水类型为潜水，地下水埋深9.6～16.4 m，水位高程1 510.96～1 513.91 m。公交五公司站—定西路站区间纵断面采用V字坡，最大纵坡2.95%，区间主要穿行于富水砂卵石及强风化砂岩层，盾构始发段地层为全断面砂卵石层，如图1所示。

图1 公交五公司—定西路区间地质剖面图

2.2 砂卵石地层盾构施工引发地面沉降的危害

因为盾构机盾尾间隙的存在和盾构掘进时的扰动，盾构掘进过程中不可避免会造成地面沉降，但在不同的地质条件下出现的沉降特性存在差异。盾构机穿越砂卵石地层时，砂卵石地层受盾构掘进扰动后，盾构机刀盘前方地面出现不正常的沉降，监控量测速率变大，同时出土量增大，随着盾构掌子面远去，原沉降区域逐步稳定，经过一段时间盾尾脱出管片后，监控量测反映出盾尾后方地面还存在一定滞后沉降的特点。而地铁线路上方主要为城市主干道、各类管线、建（构）筑物等，一旦未及时处理，无法遏制沉降发展时，极易引发重大安全事故。

3 砂卵石地层盾构施工引发地面沉降的主要原因

3.1 地质因素

砂卵石地层是一种的不稳定的特殊地层，卵石颗粒之间点对点传力，卵石间空隙大，没有黏聚力，自稳能力差，砂卵石主要倚靠直角的摩擦咬合作用维持地层稳定，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的地层变动和围岩扰动[1]。结合兰州轨道交通2号线一期工程的实际施工经验，引起地面沉降主要表现在以下方面：（1）盾构刀盘旋转切削时，刀盘与卵石层接触面的压力不均，导致刀头及螺旋机震动、卡顿，对地层扰动较大，刀盘前上方砂卵石松动，会快速下落并产生较大的空洞区域，导致掌子面坍塌、地表沉降发生的概率增大；（2）根据工程地质勘察报告及本地区实地调查，地层下可能存在未知的空洞、废弃的管道、防空洞等；地表层管线布设时埋设回填不密实，土体松散，自稳性差，盾构掘进扰动后易出现地面沉降、塌陷；（3）场地表层多属于人工填土、湿陷性黄土，长时间暴露或遇水易风化和软化，受水浸泡后形成未知空洞；（4）由于卵石之间存在间隙，盾构掘进时地层受刀盘扰动后松散，盾构机盾尾脱出后，二次注浆浆液通过卵石缝隙流窜，地层无法及时有效地填充，导致后续的二次沉降。

3.2 环境因素

（1）地铁主要布设于老城区，老城区管网老旧破损以及渗漏情况严重，地层长时间受水影响，软化崩解后产生未知空洞；管线长期渗漏而形成的不良地质体也反作用于管线，各类管线支承条件进一步恶化，使其发生渗漏、断裂的可能增大；但城区主干道车流量大、交通繁忙，地下管网错综复杂，不良地质和破旧管线常常无法快速有效地治理，在管线与不良地质的长期相互作用下，地层整体性受到破坏，强度降低，自稳性差，盾构施工扰动后，易出现坍塌。

（2）兰州市常年水位高差变化较大，近年汛期降雨量增大，地下水位会相应增高，雨水对地层冲刷后，地层中卵石重新组合沉积，导致部分区域卵石松散，整体性差。

3.3 技术管理因素

施工单位的综合技术直接影响到地铁盾构施工成效，因施工单位管理方面欠缺引起的地面沉降主要表现在以下方面：（1）现阶段有资质承接城市轨道交通建设工程的承包方较多，但大部分承包商缺少卵石地层盾构施工的经验，盾构机司机更是经验短缺；（2）未严格按照设计及施工方案组织施工，存在未及时进行地层补充勘察、注浆浆液配比不符要求、未及时进行同步注浆和二级注浆、频繁纠偏、管片链接螺栓未紧固、长时间停机或停机保压不当、渣土改良不到位、长时间欠压掘进等问题；（3）前期地质勘察单位对超前地质预报工作不到位，实际的地质情况与勘察成果存在不符，相关单位对地质的勘查与分析不准确，造成实际施工存在较大误差，导致地铁盾构施工出现地面沉降等问题，增大了盾构施工的难度。

4 盾构施工地面沉降控制技术要点

4.1 施工前控制

（1）地质勘察：在开工前及时进行地质补充勘察掌握砂卵石地质现状；进行周边环境排查，重点探查地下管线、地表土层，及时回填空洞、加固松散土层、修复渗漏管线。

（2）盾构选型：将建设地的地质水文条件作为盾构机选型的主要依据，择优选择刀盘、开口率、刀具配置、主轴承、螺旋输送机、推进系统、刀盘驱动系统，合理科学地选型匹配，从根本上提高设备操作质量，保证盾构再掘进过程中安全有效地施工[2]。

4.2 施工中控制

（1）超前地质加固：盾构始发前，采用三轴搅拌桩进行卵石层加固，其纵向加固深度8 m，径向加固厚度3 m，可有效提高卵石层稳定性[3]。

（2）降水：富水砂卵石地层进行盾构始发，始发段需要采取降水措施，在地层加固完成后，对始发段进行水位检查，可在洞门范围内施做水平探水孔，保证降水水位低于盾构开挖面以下0.5 m。

（3）盾构掘进要设置合理的土压力，保持稳速、稳压不间断地前进，防止超挖，严格控制掘进速度、盾构推力、刀盘转速和扭矩，并根据掘进时卵石层的松散系数，计算掘进的理论排土量，实际出土量采用重量和方量进行控制；在穿越砂卵石和其他地层交接位置时，要及时调整盾构参数，防止发生偏心；如遇粒径较大的漂石，适当减小刀盘转速，增大油缸推力，将刀具的贯入量控制在10 mm/r以下，同时采取刀盘正反转的方式缓慢切削漂石，同时控制刀盘扭矩的变化幅度控制在10%以内[4]。

（4）盾构纠偏：在曲线上推进时，土体对盾构和隧道的约束力差，盾构轴线较难控制，因此推进速度要放缓，纠偏幅度不要过大，并加强纠偏测量工作等，以减少地层损失，降低地面沉降量。

（5）渣土改良：盾构机在砂卵石地层中掘进时，通过加水或膨润土一般不能有效地改善土体流塑性，从而导致刀盘扭矩增大，螺旋机出渣不畅，作业面失去稳定。应优化渣土改良材料，可选用泡沫、钠基膨润土、高分子材料等，能够有效改善土体的流动性，降低扭矩并保护盾构机刀具，达到稳定作业面的效果，通过采取渣土改良的措施，盾构机在砂卵石地层中掘进时，地面沉降可以得到良好改善。

（6）注浆：保证同步注浆饱满，采用结合出渣量判断注浆需求量和控制注浆压力方法，最大程度利用同步注浆填充满管片背后的间隙和地层损失；盾构掘进施工的同时，进行洞内二次注浆，进一步补充地层空隙；二次注浆要及时，一般在盾尾4～6环即开始二次注浆，二次注浆时注浆管尽量穿透同步注浆层，使二次注浆能够到达松散地层中[5]。注浆材料及配比选用应严格按照施工方案并经实验后确定，因双浆液凝结时间较快，无法有效填充卵石缝隙，注浆先采用单浆液快速进行填充，之后再用微膨胀水泥与水玻璃为原料的双浆液进行有效封堵，并严格控制浆液结石率，注浆压力和注浆量双重指标控制，能有效填充卵石孔隙，从整体上提高地层密实度。

（7）刀盘卡顿：刀盘卡顿是砂卵石地层施工中较为常见的问题，因卵石粒径过大，导致刀盘卡死、扭矩增大，从而引起掌子面坍塌或超方等问题。若较大粒径卵石或卵石群将刀盘开口卡住，进而卡死刀盘，通常预防措施有以下3种：①可正反转刀盘实现脱困；②增大浓泥浆注入压力，并收回推进缸或采用主动铰接油缸辅助，可将盾构机倒退20～30 mm，再转动刀盘，出半斗渣土，再注入浓泥浆，再转动刀盘，反复如此，从而实现脱困；③若刀盘仍无法脱困，则盾构掌子面施加气压，进行开仓取石[2]65。

（8）地层加固：盾构掘进时刀盘前上方卵石坍塌严重时，可在相应位置的地面进行钻孔至刀盘上方，采用高压旋喷桩注浆对砂卵石进行固结，增加砂卵石间的黏结力，提高卵石群的整体性，能有效控制刀盘前上方卵石坍塌。

（9）监控量测：按照监控量测方案要求的频率进行监测，并提高监测数据的准确性，出现异常情况及时调整监测频率，做到“勤测量、速反馈”。兰州轨道交通2号线一期工程建设充分利用信息化管理平台及远程监控系统管理、分享、汇总、分析监测数据，预测地面沉降、位移趋势，在信息化管理平台中设定警戒值，数据异常或超标时，系统自动报警，并将报警情况通过手机短信告知相关人员，提高了监控监测的及时性、有效性，并高效指导施工。

4.3 管理改进

（1）严格按照设计和施工方案组织施工，加强盾构掘进工序间的管理工作，掘进、出土、管片拼装等各工序衔接紧密，充分做好施工前的准备工作，及时进行盾构机设备配件的维修、保养工作，减少停机；采用耐磨性较强的刀具，减少换刀次数，并提前建立刀具更换计划，选择合适的换刀位置和方案，有序开展换刀，减少换刀停机时间[5]68。

（2）严格审查分包单位资质、业绩，强化分包合同安全责任条款，现场进场材料要严格把关，技术、质量、安全、进度等管理应纳入承包商的管理体系中，同时加强分包商的风险意识及管理风险意识，杜绝以包代管的现象发生。

5 结束语

随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断进步，我国大中城市大范围修建地铁，目前大部分地铁隧道施工首选盾构施方法，而砂卵石地层是一种典型的自稳性较差的地层，受盾构施工扰动，极易造成坍塌，引发地面沉降，盾构施工过程中必须高度重视；通过开工前的补充勘查，分析地质特征，提前消除地层隐患，强化超前地质预报、盾构选型、盾构参数、排土量、同步注浆、二次注浆等工作，并根据监控量测数据进行统计分析，找出规律变化，来指导盾构参数修正，采用信息化手段进行安全风险管控，有效控制地面沉降，保证了盾构机安全、快速推进。以兰州市轨道交通2号线工程建设为例，针对砂卵石地层盾构施工地面沉降控制进行了初步的探索和总结，为砂卵石地质条件下盾构法施工地铁隧道提供参考依据。