盾构在砂层中的施工技术探讨

毕景佩，郭志涛

(1.郑州市轨道交通有限公司，河南郑州 450046;2.河南工业大学土木建筑学院，河南郑州 450052)

盾构在砂层中的施工技术探讨

毕景佩1，郭志涛2

(1.郑州市轨道交通有限公司，河南郑州 450046;2.河南工业大学土木建筑学院，河南郑州 450052)

盾构隧道在砂层施工时，由于砂性土摩擦角较大，渣土流动性差，排土困难，容易发生喷涌，造成地面沉降，影响周边建筑物、管线与道路安全。本文以郑州市轨道交通1号线博学路站～体育中心站区间隧道盾构施工为例，认为砂层施工中必须合理设定土压、改良渣土、严控出土量、防止螺旋输送机喷涌、盾尾密封与注浆工作，才能确保盾构在砂层中的平稳、高效掘进。

土压平衡盾构;砂土层;隧道掘进;控制技术

盾构法施工具有机械化程度高、地层扰动小、掘进速度快以及对环境影响时间短、程度低等特点，但盾构法施工仍不可避免地会引起地层的扰动，使地层产生变形，当埋深较浅时会波及地表并产生地表沉降，特别是砂土地层，土压平衡盾构易因喷涌、失水、扰动造成沉降［1］，当地层变形超过一定的范围，会严重影响周围临近建构筑物、地下管线的安全和道路行车安全，因此研究盾构在砂层中的施工技术，控制盾构施工参数，有助于实现平安地铁施工的工程安全目标。

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

博学路站～体育中心站区间全线总长约2210m，在该区间共设三处联络通道和一处风井兼废水泵房。本段区间线路沿线较空旷，两条平曲线的曲线半径分别为450m、350m。线路下穿规划及现状河流、市政道路等构、建筑物，最小坡度3.1‰，最大坡度21.40‰，覆土深度8.0m～16.5m。

1.2 工程地质

地质土层是影响盾构掘进的主要因素之一。从地质勘查资料来看，博学路站～体育中心站区间盾构隧道施工穿越的土层为:第(16)层细砂、(16－1)层粉质粘土、(17)层细砂层。其中约80%长度范围内为全断面穿越(16)细砂层，切削砂土将对盾构机刀盘产生较大的磨损，另有一大部分穿越密实度更大的(17)层细砂层，该层密实度高，可压缩性小，且有不同程度的胶结层和姜石，对盾构掘进带来极大的困难与挑战。

2 施工难点

土压平衡盾构掘进机依靠刀盘旋转切削开挖土体，这些土体进入且充满刀盘后的密封土舱，盾构机通过隔板对土舱内经搅拌呈“塑性流动状态”的土砂施加压力来平衡开挖面上的水土压力，并利用土舱下部的螺旋输送机将土、砂输送出盾构机体外。掘进过程中，盾构机通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速等来调整切削土量和出土量并保持土舱压力平衡，在土舱压力与开挖面水土压力保持平衡的状态下实现掘进［2］。

郑州市轨道交通一号线博学路站～体育中心站区间盾构机穿越土层为全断面密实砂土层，且上覆土层厚度变化较大，造成土仓压力忽高忽低，给保持土压平衡控制盾构施工姿态带来很大难度。随着盾构掘进，因土压在某一时间点上的不平衡造成砂土超量进入土舱，容易导致地表出现漏斗状塌陷。同时，由于饱和砂土地层易固结、土水分离，易受水的渗透，不易形成塑性流动，因此被开挖下来的土砂在刀盘、压力舱内易形成“泥饼”，造成压力舱闭塞致使旋转扭矩上升、排土不畅;或由于排土口水压过大而发生喷涌，最终使开挖面失稳。饱和砂土围岩一旦发生开挖面失稳，严重时会导致开挖面前部产生流砂，最后发生地面坍塌。所以砂层掘进的关键是要采取有效的技术措施，防止超挖、大量失水而使地表及建筑物产生沉降。本文结合博学路站～体育中心站区间的工程实践，对砂层地段盾构施工技术进行探讨。

3 砂性土层中施工要求

3.1 土压平衡掘进

盾构机穿越砂层时建立土压平衡掘进模式，掘进参数选择时适当提高盾构机的推进速度，降低刀盘转速，严密监测地表沉降情况，确保平、稳、快通过砂层。土压力设定的原则是使设定值控制P在主动土压力Pa和被动土压力Pb之间。如P＜Pa，则盾构前部土体因应力松弛造成地层损失，地面将发生沉降;如P＞Pb，在附加荷载作用下将产生超静水压力，随着土体固结过程的进行，超静水压力逐渐转化为有效应力的增量，由此产生土体沉降，另外如控制值与静止土压力值相差较大时，会造成土体的扰动，从而引起土的触变，经扰动后的土体重新固结会产生较大的变形。因砂性土的特性，盾构在砂性土层中掘进极容易造成超挖，超挖会导致地面较大的沉降，所以在这种情况下适当提高正面土压力的设定值，一般正面土压力设定值为盾构刀盘中心处地层的静止土压力的1.3倍左右，并需根据沉降监测结果作适当微调。通过提高正面土压力的设定值，使盾构正面的砂性土产生挤压疏干效应，降低土舱内土体的动水压力，防止螺旋输送机中砂土的液化［3］。

3.2 渣土改良

砂的内摩擦角较大，土仓内渣土的摩阻力较大，流动性差。同时因砂层的透水性好，螺旋输送机不能起到良好的止水作用，从而将会在螺旋输送机出口发生喷涌现象，一方面造成地层失水与地表沉降超限，另一方面影响出渣并造成洞内环境污染。所以砂层中的渣土改良将直接关系到盾构推进和地表安全。正面土压力的提高，使盾构正面的砂性土产生挤压疏干效应。正面砂土疏干后，砂土就变得更加密实，土仓进土困难，掘进时给盾构机刀盘切削土体带来较大的困难，尤其在覆土较深处，因土压力较大，盾构机掘进时盾构机的推力、刀盘的扭矩会超过其正常工作允许范围。为保证一定的刀盘转速，对掘进土质的改良成为一个关键问题。在博学路站～体育中心站区间盾构掘进过程中，向刀盘、土舱喷注泡沫剂，土舱中砂土、水体与泡沫剂充分搅拌，形成具有较好和易性、密水性的稠体状塑性流动体，通过盾构机螺旋排土器输送到盾构机体外，有效防止螺旋排土器出口处喷涌现象的发生。

3.3 严控出土量

适当调节螺旋输送机转速及闸门开启度以控制渣土排放量，使土舱压力与开挖面土水压力保持平衡，防止开挖面水、土混合体超量涌出土舱。

4 砂层盾构施工控制技术

土压平衡盾构穿越砂层地段宜采用相对固定的掘进模式，不宜频繁转换工况，否则，会造成掌子面及其周围砂土因受扰动过大而液化坍塌、突水喷涌。掌子面的坍塌致使地面下陷是导致地面建构筑物下沉、倾斜、开裂及地下管线拆裂的主要原因。因此，盾构砂层掘进时必须采取以防止砂土液化、盾构突水喷涌为主的技术措施［4］。

4.1 螺旋输送机的防喷技术措施

在砂层中当含水量较大，加入高浓度的泥浆充分搅拌和及时调整螺旋输送机的开门度来防止因地下水压力过大而发生喷涌。通过分别从盾构机的螺旋输送机出口拾取原始土样、掺加普通润滑剂的土样和掺加泡沫剂的土样分别进行土工试验。试验研究证明:加过泡沫的砂土渗透系数远远小于砂土的渗透系数，即在易发生流砂、管涌、液化的土层中施工时，掺加泡沫能够有效地改善砂土的渗透性，增强其保水性和流动性(和易性)。在本区间粉砂层盾构掘进中，采用掺加泡沫来对土体进行改良，来防止喷涌现象的发生，在施工过程中也未发生过喷涌现象。

4.2 盾尾密封

盾构掘进时应控制好掘进方向，尽量保持管片外壁与盾构机内壁的间隙四周均匀，以保证盾尾密封刷处于良好工作状态。同时盾构掘进过程中加强盾尾密封油脂的压注，以保证盾尾密封刷的密封性能。为了防止在隧道内的漏浆和漏水、积水情况的发生，在隧道内加大型抽水水泵，以备必要时使用。若因盾尾钢丝刷损坏或盾构机姿态太差而发生盾尾漏浆时，须采用泡沫海棉等材料来堵漏，以确保盾尾密封具有一定的压力。严重时需采用聚氨酯进行堵漏。

当盾构机姿态较差时会导致地下盾构间隙过大，甚至会发生管片破碎，导致盾尾密封效果差，在加大盾尾油脂仍不能凑效的情况下，可在管片下放置海绵条的措施来进行堵漏。海绵堵漏措施:在管片拼装之前，采用15cm×15cm，1.5～2m长的两列海绵条纵向并排，放置在漏浆点的位置，并使上一环管片缝隙及海绵环向搭接缝隙错开，将拼装管片压放在海绵条上，达到彻底封堵的效果。

4.3 同步注浆控制措施

4.3.1 浆液配合比确定

为保证浆液能起到抵抗周围土体挤压的作用并易于注入，要求所选用的浆液应具备以下特性:

(1)有略低于周围土体的容重;

(2)具有一定的抗剪强度和压缩系数，浆液稳定后抗剪强度和压缩系数高于周围土体相应指标;

(3)静态下有一定自稳性和强度，经扰动后有一定的流动性，可泵送性好，不堵塞管路，能均匀地充满各种间隙;

(4)体积收缩率小，压缩系数、压缩指数小;

(5)浆液不易析水;

(6)在振动荷载作用下不发生振动液化［5］。

4.3.2 注浆量及注浆压力

同步注浆量可按下式进行计算:

其中:Q－注浆量，D－理论掘削半径，d－管片外半径，L－行程长度，α－注入率(注入率决定因素:注入压力决定的压密系数α1，土质系数α2，施工损耗系数α3，超挖系数α4)。

理论上讲，浆液只需100%充填建筑空隙即可，考虑浆液的失水收缩、盾构纠偏、部分浆液劈裂到周围地层中、盾构机壳体外周带土等影响，在确保盾尾不漏浆的前提下，本区间的实际注浆量为理论建筑空隙的180%～220%(即注入率为1.8～2.2)。

注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，一般为0.2～0.3MP，博学路站～体育中心站区间注浆压力控制在0.25MP左右，且保证注浆与掘进同步，以达到管片脱开盾尾后控制上部土体不下沉的目的。4.3.3同步注浆

在砂性土中盾构掘进除，控制好盾构的正面稳定及各项参数的调整外，还需及时进行同步注浆。在盾构推进过程中，浆液以适当的压力、必要的数量和合理的配比，在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆，这是在砂性土中减少地面沉降的关键措施。本区间采用的是可硬性浆液，由膨润土、水泥、水、粉煤灰、砂经充分搅拌而成，其配合比(重量比)为1∶1.6∶7.3∶6.7∶13.3，浆液稠度控制在9cm左右(过稀，盾尾容易漏浆;过稠则容易堵塞注浆管路)。浆液要求48h的强度不低于0.2MPa，28天的强度不低于1 MPa［6］。

4.4 二次注浆

为提高充填密实性，更好地控制地层沉降，掘进施工中在盾尾后4－6环处利用管片吊装孔进行二次单注浆作为同步注浆的补充。通过二次注浆，可以快速阻断地层涌水，削弱其对同步灌浆的冲刷，提高同步灌浆效果，强化管片环与围岩的固结，改善接缝防水，提高结构防渗效果，保持盾构通过后的地表稳定。

5 结语

盾构机姿态的在富水砂层中掘进是具有控制困难、易发生喷涌、地表沉降容易超限等问题，通过工程实例分析了土压平衡盾构机在富水砂层中掘进时施工控制要点，并提出了主要控制技术和应对措施，保证了盾构在砂层中的平稳、高效掘进，为以后类似工程提供了借鉴。

［1］张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨［J］.岩土工程学报，2009，vol33(9):1445－1449.

［2］刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991:91.

［3］郑坚.在软土层中应用盾构法施工的关键技术研究［M］.建筑施工，2000(06):53－56.

［4］汪挺.砂粘土层盾构施工几项技术的探讨［M］.北京建筑工程学院学报，2001(s1):52－56.

［5］刘昌.盾构施工引起地表沉降的研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2007.

［6］邹翀.盾构隧道同步注浆技术［J］.施工技术，2002(09):7－9.

A Study on Construction Technology of Tunnel Shield in Sand Stratum

BI Jing－pei1，GUO Zhi－tao2
(1.Zhengzhou Rail Transit Co.Ltd，Zhengzhou，Henan，China 450046;
2.Civil Construction Institute，Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan，China 450052)

In shield tunnel construction，due to large friction angle of sandy soil，poor liquidity of muck and dumping difficulties，the tunnel shield passing through the sand stratum maybe result in inrushing，which bring about the land subsidence and jeopardize the nearby building，pipeline and road.In this paper，the tunnel shield construction of Zhengzhou rail transit line1 between Boxue Station and Tiyuzhongxin Station is taken as an example.It＇s deemed that it must set a reasonable soil pressure，improve muck，strict control the amount of muck，prevent screw conveyor spewing，seal shield tail and grout during sand stratum construction，so that a stable and efficient excavating work done by tunnel shield in sand stratum can be ensured.

EPB Shield;sand stratum;tunnel excavating;construction technology

U452

A

1009－3842(2011)04－0083－03

2011－04－26

毕景佩(1978－)，男，汉族，河南范县人，工程师，主要从事地铁施工的安全质量管理研究工作，E－mail:1137782392@qq.com