基于兰州砂卵石地层盾构法施工过程中的问题分析及解决措施

冯　萌，杨　蒙，刘　宇，张建佳

（北京交通大学土木工程学院，北京 100044）

基于兰州砂卵石地层盾构法施工过程中的问题分析及解决措施

冯萌，杨蒙，刘宇，张建佳

（北京交通大学土木工程学院，北京 100044）

本文通过对施工区间地质情况分析，针对兰州地铁隧道盾构法施工过程中存在的主要问题提出相关的解决方案。兰州砂卵石地层的特殊地质特性导致盾构法施工过程中，由于人工填土问题、地下水埋深过浅、卵石粒径大等一系列问题，延缓了施工进程，经济成本较高。针对上述问题，本文提出了具体的解决措施。

砂卵石地层；盾构法；问题分析

兰州市有着“两山夹一河”的特殊地形，东西宽、南北窄。因此，在城市轨道交通线路规划过程中，地铁一号线为东西走向，且须跨越黄河。而黄河兰州段的富水砂卵石地层正是地铁施工中的障碍所在，该种地形常采用泥水盾构法施工。针对兰州的特殊地况，文章从以下方面阐述论证。

一、水文地质特征

兰州市气候属中温带、半干旱、大陆性季风气候。四季分明，夏热多雨，冬寒干燥。降雨量少，多年平均降水量仅293.5mm，且一年内分布不平衡，雨季起讫时间为4月～9月。年平均气温为10.4℃，历史最高温度为39.8℃，历史最低温度为-21.7℃。通过现场勘查及相关资料得出，迎门滩—马滩施工区间内河流水文、地下水及岩层的特性:

1.河流水文

黄河自西向东，流经兰州市。黄河兰州段径流量可受刘家峡水库和龙羊峡水库人工控制调节，因此，径流的年际和年内分配趋于平稳。黄河输沙量较大，且随季节变化明显，丰水期含砂量明显高于枯水期。

2.地下水的补给、径流及排泄

施工场地的地下水类型为冲积松散岩类孔隙水，主要含水层为砂卵砾石层。勘察期间，本区间地下水位埋深8.86m～11.66m，地下水动态主要受季节变化的影响，一水文年中表现为一个高水位期（8月～9月）和一个低水位期（3月～4月），与黄河水位有同步涨落的特点。

兰州断陷盆地的地下水补给条件比较复杂，主要有大气降水、田间回归水、污水、侧向基岩裂隙水及沟谷潜水、黄河表水补给。然而，黄河进入枯水期时，水位下降，场地地下水位略高于黄河水位，由地下水补给黄河水。

3.岩层特征

表层为杂填土，特点是无规划堆积、成分复杂、性质各异、厚薄不均、规律性差。因此，同一场地表现为压缩性和强度的明显差异，极易造成不均匀沉降，通常都需要进行地基处理。其杂色分布情况如下：地表以及道路表面、河滩湿地公园人工湖开挖堆土、滨河路路堤、取砂坑回填、垃圾填埋场、银滩大桥基础、公路两侧建筑物基础两侧；成分主要以粉土、中粗砂、卵石、圆砾为主；杂填土来源主要来自砖块、水泥块、煤渣、生活垃圾等；密度为一般松散到中密。

其下为中砂，其成分主要为石英、长石、云母。局部夹有细沙，含少量圆砾、砾砂，含量小于15%。具水平层理，稍密，该层分布不连续。

下层为卵石，以杂色、青灰色为主。其局部夹有薄层或透镜状砂层，分布主要位于杂填土之下。成分构成为：漂石、卵石（占55%～70%），一般为粒径20mm—60mm。漂石最大可达500mm。砾石（占10%～15%）。中粗砂充填。卵石及圆砾母岩成分主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩、燧石等。级配不良，磨圆较好，分选较差，水下部分饱和。该层分布稳定，厚度大，可达200m～300m。

二、盾构施工中的问题分析

由于砂卵石地层的特殊性，在兰州市轨道交通施工迎门滩—马滩区间内，施工有非常大的难度，施工工期多次延长，盾构机刀盘磨损比较严重，水下施工区间较长，地质情况复杂。施工过程主要存在以下问题：

1.松散的人工填土对附属建筑物地基不利

迎门滩—马滩区间主要地貌为黄河高漫滩、低漫滩及黄河河床。虽位于七里河断陷盆地内，但地层分布稳定、断裂构造不发育，场地底层稳定性干扰较小。主要问题在于使用泥水盾构施工的过程中，需要泥水压力大于地下水压力，且二者压力差保持稳定。由于范德华力的作用，悬浮颗粒分子积聚于土壤与泥水接触表面形成泥膜，在掘进过程中，刀盘将泥膜包裹的土体切割后，新的泥膜很快形成。这样可以保证动态平衡，盾构机正常工作运行。但是进行过挖沙作业的位置回淤，甚至出现空洞，都易导致泥水压力平衡不稳定，甚至在空洞部分泥水会流失，导致无法掘进。施工区间长度达到四百米以上，跨度较大，场地局部存在人为取砂坑、建筑场地的回填土、湿地公园人工湖开挖堆土等。例如：安宁砂厂等多家企业曾进行挖沙作业，对河床产生严重的影响。河道采挖砂石后形成的挖沙坑，人为取砂坑回填土、湿地公园人工湖开挖堆土成分以粉土为主，夹有卵石、粗砂，颗粒不均匀，局部还夹杂有砖块、煤渣等生活垃圾。同时，取砂坑边沿较浅，中部较深，结构松散，工程性能差，不仅在施工过程中有一定影响，还对隧道洞壁稳定性和地面建筑地基具有很大的影响。

2.地下水位埋深较浅

本区间位于兰州断陷盆地，地下水补给条件比较复杂，主要有大气降水、田间回归水、污水、侧向基岩裂隙水及沟谷潜水、黄河表水等。黄河水与地下水具有双向补给、水流交替循环强烈、水位恢复迅速的特点，因此，区间内地下水水位偏高，区间内黄河水面高程为1519.6m～

1521.1m，河道宽度约404m，水面宽约200m，水深一般为3m～7m，最深处可达9m。若附属建筑物深基坑降水措施不当，可能产生涌水、涌砂、周围地面沉降等风险。并且在施工过程中，为保证施工安全，需将地下水水位降至施工高度一米以下。此次施工高度位于地下20米，那么，地下水需至少降至地表以下21米，所以，在施工过程中的排水问题也不容小觑。

3.卵石颗粒粒径较大，坚硬岩居多

本区间卵石层普遍分布粒径大于200mm的漂石，分布随机性较强，并无明显的成层规律，据钻孔资料及附近大基坑开挖资料，最大粒径500mm，漂石含量不均匀，卵石母岩成分为花岗岩、石英岩等，卵石石英含量普遍较高，经室内石英含量分析，石英含量平均值约71.61%。卵砾石强度因岩性的不同而有很大差异，从坚硬程度上划分，包括中硬岩和坚硬岩，以坚硬岩居多；从风化程度划分，包括中等风化和微风化，以微风化居多。

由此可见，采用盾构法进行施工时，卵石单轴抗压强度部分大于100MPa，局部基础下方含有中砂透镜体，因此，要注意地层软硬不均对刀片的磨损。且地层中可能存在大于粒径500mm的漂石，不排除可能遇到个别粒径超过500mm的漂石，无法通过螺旋输送机排出。

三、盾构法施工措施建议

1.稳定性问题

本区间填土结构较松散，工程性能差，部分地段距隧道较近，对隧道洞壁稳定及施工有不利影响，因此，建议施工到距离线路较近的填土区时，适当降低施工速度，及时支护，制定对填土区盾构施工针对性的方案，并加强各项监测。地面变形监测：于隧洞沿线地面布置条带性检测系统，利用仪器测量监测地面沉降、隆起、变形情况，分析变形规律，提前预警并及时采取工程措施；洞壁及支护结构变形监测：于隧洞内洞顶、洞壁不同部位埋设多点变形仪，时刻掌控监测洞壁、洞顶隆起、变形情况，分析变形规律，建立信息化预警并及时采取工程措施；地面建筑物变形监测：于隧洞沿线的地面建筑物布置检测网，利用仪器测量监测建筑物变形情况，分析变形规律，提前预警并及时采取工程措施。做好提前防护工作，并制定可行的应急处理方案。

2.刀盘选型问题

在盾构机刀盘选型时，需注意配置耐磨度及尺寸合适的刀盘，盾构压力等参数应适宜；及时调整因地层软硬不均，盾构产生的洞轴线偏移。建议刀盘采用面板式。虽然辐条式刀盘有防止砂土闭塞、刀盘扭矩装备、经济性等方面的优势，但面板式可以安装滚刀，有效稳定掌子面地层，滚刀可将螺旋输送机送不出去的大卵石切碎，以便排出。同时，建议加装采石箱，不仅可以提高收集大粒径卵石的效率，也可大大节约清空采石箱所需的时间，进而提升施工效率。

3.地下水问题

在基坑开挖施工过程中，严格进行地下水动态监测，利用降水井、施工水井、隧道基坑涌水变化及水中含砂量变化，及时掌握施工期间地下水变化情况。为防止基坑坑底和坑壁产生管涌现象，施工中严禁中断抽水。如排桩加截水帷幕或地下连续墙施工，可考虑基坑内二次降水，并做好相应的安全保障措施。

4.市区环境问题

由于施工区间位于兰州市区，同时，也应注意尽量降低对市民生活的影响，合理确定施工时间以及运输材料时间，减小对市区交通压力的影响。进出施工场地的车辆需要冲洗轮胎，防止对市区环境产生不良影响。

综上所述，针对兰州特殊的地理位置与地质构造引起的人工填土松散、地下水水位埋深浅、卵石粒径大等问题，建议在施工过程中，加强各项监测，并提前做好防范措施与应急预案。同时，泥水盾构选取面板式刀盘，并安装滚刀，可有力破碎粒径较大的卵石，并成功排出。地下水问题要根据动态监测的各项指标，做好安全保障措施。

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TU

A

1673-0046（2016）5-0190-02

本文系2015年北京交通大学大学生创新项目“基于兰州市城市轨道交通砂卵石地层盾构施工的问题研究与解决方案”（项目编号：150130037）的阶段性研究成果之一