富水砂层地质盾构掘进技术与成本分析研究

摘要：在传统砂层盾构施工中，由于渗透率较高以至土体的含水量较高，导致施工过程中产生结块、地面沉降的问题。以某实际工程为依托，向过砂层的径向孔中注浆以加固地层，并通过控制土槽压力、工作面压力和渣土量控制地面沉降，同时对富水砂层地质盾构掘进技术成本进行分析。实例分析结果表明，富水砂层地质盾构掘进技术的沉降深度，均小于施工允许最大沉降深度，证明了该技术的可行性。采用富水砂层地质盾构掘进技术的成本，在四级围岩处要远远少于五级围岩处。

关键词：富水砂层；掘进；地质盾构

0 引言

目前盾构施工技术在我国已成为地下工程的主要技术之一，其具有地层适应性广、对周边环境影响较小、施工安全以及施工花费较低的特点。随着我国城市化进程的加快，盾构技术已不再局限于岩层、黏土层等具有良好自稳性和低渗透系数的地层，而是逐步扩展到具有高渗透系数、高水头压力和易塌陷的富水砂层。

在富水沙质地层中进行盾构施工，存在土体加固困难、平衡模型难以建立、出渣量难以控制、易出现喷溅、易形成积饼和易扰动地层造成地面沉降超标等问题，使得土体压力平衡盾构施工具有一定的难度和风险。胡鹰志[1]对富水砂岩地层的地质特性及土体特性进行分析，并通过实例验证了土体的各项性能指标。同时对土体的各项指标进行适应性分析，通过应用加固区施工技术进行复杂地质条件下的盾构开仓施工，验证了该技术在盾构掘进改造中的可行性。该方法为处理类似地质条件下的工程提供了宝贵的参考和指导。本文基于已有研究成果，对富水砂层地质盾构掘进技术与成本分析进行研究。

1 工程概况

本次工程选在A市盾构工程地处三水断陷盆地，该工程区地质结构比较简单，无断层、褶皱、断裂、塌陷土层，无岩溶洞穴，场地稳定。该区以冲积平原区为主，以松散土为主，分布广，厚度大，含水丰富的粉砂层、砂层从南向北逐渐加厚，特别是祖庙站区域富水的粉细砂层和中、粗砂层相对较厚。

该盾构施工区域是一个地表水系统较弱、地下水量较大的区域。场地中的地下水，初见水位埋深在0.80～2.15m之间，稳定水位在0.6～1.8m之间，基岩中有一定数量的裂缝水，但是裂缝水的渗透能力比较弱。第四系土壤孔隙中的水分主要来源为大气降雨，并以垂向渗透的方式补充水分，基岩裂缝水的补给来源主要有三个方面：一是竖向渗透，二是横向补给，三是越流补给。该工程地质分层详细数据如表1所示。

2 富水砂层地质盾构掘进施工工艺设计

2.1 地质勘察与盾构机选择

在进行富水砂层地质下的盾构掘进工程前，地质勘察与预测以及盾构机选择是至关重要的关键技术。需要对水文地质特征、土层性质、地下水位等进行详细调查，以便合理预测地下环境情况。通过地质调查、取样测试和地质剖面分析，可以获取准确的地质数据，为后续施工提供可靠依据。在富水砂层地质下，地质勘察应重点关注富水砂层的承载能力、水平和垂直构造、断裂带分布等信息，以全面了解地质条件，为后续工程设计和施工方案制定提供支持[2]。

在选择盾构机时，除考虑地质条件和地层特点外，还需综合考虑盾构隧道的要求，例如设计要求、难度等因素。盾构机型号的选择需要结合具体地质条件和工程要求进行全面评估，确定盾构机的尺寸、推力、刀盘类型、泥水系统等参数。针对富水砂层地质，还应考虑盾构机的密闭性能和排水系统设计，以应对高水压环境带来的挑战[3]。在设计盾构机参数时，运用模拟软件进行仿真分析，以评估在不同工况下盾构机的表现，提前找出潜在问题并制定相应调整方案。

为确保富水砂层地质下的盾构掘进工程安全高效进行，采取预防措施如设置隔水墙、注浆加固、管涌处理等方法。这些措施有助于降低水压、防止水浸灾害发生，保障盾构施工的稳定进行。

2.2 应用注浆技术加固地层

2.2.1 设计注浆浆液配比

富水砂层地质条件下，地下水涌入是一个常见问题，会给盾构施工带来不利影响，如增加施工难度、降低工作效率、甚至造成安全事故。通过注浆技术可以封堵或减小富水层的水压，有效控制地下水涌入，保证工作面干燥，提高施工效率。

首先对注浆将夜配比进行设计，工程选用的浆液配料用量如表2所示。

2.2.2 注浆技术流程

为了确保盾构掘进过程的稳定性，通常注浆技术会与盾构掘进技术同步进行。在盾构尾部后方，内置了同步注浆系统，通过双系四管线同步对称注入浆液。

注浆过程可以通过手动控制或自动控制来进行。在自动控制模式下，注浆压力被预先设定，并通过程序调整注浆速度。当注浆压力达到设定值时，注浆过程会自动停止。而在手动控制模式下，根据实际的掘进情况，工作人员会实时调整注浆速度、流量和压力。注浆技术的工艺流程如图1所示。

2.2.3 保证注浆质量措施

保证注浆质量的关键在于掘进过程管片中的注浆，其可以防止管片上浮，提高施工结构的抗渗能力并预防工程变形。确保浆液质量的优良性能的措施如下：首先，充分保证浆液充盈，使其填满空间，以确保注浆效果。其次，避免地下水过度稀释浆液，可选择合适的浆液稠度来实现最佳效果。此外，可根据具体需求，控制初凝时间间隔和提高早期强度，以减小硬化后的体积收缩[4]。

2.2.4 注浆量控制

盾构机掘进过程中，开挖出的土体、曲线段掘进时的过度开挖，盾构机在隧道中移动形成的S形轨迹引起的土体损失，由于纠偏引起的土体破坏，以及安装在盾尾上管片形成的间隙，均会导致土体损耗。为减少砂层损失，要及时通过调整注浆量并且监测地表情况[5]。

2.3 控制地表沉降技术应用

2.3.1 地表沉降与控制机理

在富水砂层中进行盾构掘进技术，施工引起的地表损失与盾构隧道重塑土的再固结是地表沉降的基本原因。在盾构施工过程中，维持土槽压力与工作面压力（土压、水压之和）的平衡，是防止地表沉降、保障建筑物安全的关键，而土槽压力的大小必须能够与地层土压力、静水压力等相匹配。

设定施工地质中心的静水压力p0与土压力c之和为，其表达公式如下：

p=p0+c （1）

在黏性土中c一般取0，在实际施工中其误差大小约为0.01MPa。在砂性土中c一般为0.04MPa，误差约为0.02MPa为准。

2.3.2 控制地表沉降措施

在施工过程中，根据地质情况、埋深和地面沉陷等观测资料，对土槽压力进行调节，使其保持在挖土体积和排土体积之间的平衡。它可以采用两种方法实现：一种是调整掘进速度，另一种是控制地面沉降产生的渣土量。

地面发生沉降就会产生渣土，而渣土的产出量必须与盾构掘进的挖掘量相吻合。通常出渣数量异常或者出渣数量很大的区域，沉降会相应很大。土压平衡盾构在富水砂层开挖过程r1qPsbSodGI0V4Oqo/+bSKtdMkwzIvYjTOZBJ5pwyaw=中，易产生出土量异常情况，为防止这种现象的出现，需对渣土进行调整，以确保渣子流塑性符合铁钉状出土器的排土条件。

3 施工效果分析

基于文中的工程概况，测试该技术的性能是否符合工程需求。

3.1 沉降分析

在富水砂层进行施工的地质横截面示意图如图2所示。由图2可知，经过盾构掘进施工后，地质横截面较为完整，未出现明显沉降。

为进一步获取施工数据，使用检测仪进行检测，不同测点的施工结果如表3所示。由表3施工结果表明，本文设计的富水砂层地质盾构掘进技术的沉降深度，均小于施工允许最大沉降深度，证明了该技术的可行性，有一定的借鉴意义。

3.2 成本分析

根据盾构掘进技术在施工中的预算成本，进行富水砂层地质下的盾构掘进技术成本分析。首先，计算施工定额、材料价格、工费标准、施工机械台班费等一系列费用。然后根据相关费用计算，得到掘进成本对比如表4所示。通过表4掘进技术的成本可知，本文采用富水砂层地质盾构掘进技术的成本，在四级围岩处要远远少于五级围岩处。

分析认为，五级围岩的掘进施工较为困难，情况较为复杂，设备使用上花费较大，且租赁成本较高，且需要维护保养人员定时进行操作，因此人工成本较高。由此可以看出，掘进成本会因地质结构的不同而发生改变。

4 结束语

在传统砂层盾构施工中，由于渗透率较高以至土体的含水量较高，导致施工过程中产生结块、地面沉降的问题。针对这一现象，以某实际工程为依托，向过砂层的径向孔中注浆以加固地层，并通过控制土槽压力、工作面压力和渣土量控制地面沉降，同时对富水砂层地质盾构掘进技术成本进行分析。

实例分析结果表明：富水砂层地质盾构掘进技术的沉降深度，均小于施工允许最大沉降深度，证明了该技术的可行性。采用富水砂层地质盾构掘进技术的成本，在四级围岩处要远远少于五级围岩处。由此可以看出，掘进成本会因地质结构的不同而发生改变。

参考文献

[1] 胡鹰志.富水动压砂层地质条件下盾构开仓的加固区施工技术[J].建筑施工，2020，42（6）：1038-1040.

[2] 高路恒，王斯海，钱野，等.富水砂层地质环境下城轨施工盾构端头加固技术优化[J].河南科技，2021，40（19）：94-96.

[3] 展超.富水砂层盾构施工技术及掘进问题分析[J].建筑技术开发，2018，45（24）：32-33.

[4] 曾英俊.郑州地区富水砂层土压平衡盾构掘进技术探析[J].安徽建筑，2022，29（7）：131-133.

[5] 杨永豪，刘浩然.含富水砂层条件下地铁中盾构机进洞施工技术[J].大众标准化，2021（15）：49-51.

[6] 朱卫东.不同类型盾构渣土烧制轻质高强陶粒研究[J].福建建设科技，2023（4）：54-57.