圆砾泥岩复合地层泥水盾构下穿建筑物施工技术

于兴国

圆砾泥岩复合地层泥水盾构下穿建筑物施工技术

于兴国

(中铁十六局集团有限公司北京100018)

泥水盾构机在圆砾、泥岩复合地层中掘进时，容易发生泥浆管、盾构机前仓进渣口堵塞(堵管堵仓)的现象，引起前仓压力波动，施工风险急剧增加。通过对盾构泥浆性能进行优化，降低堵管堵仓发生的概率;通过设定合理的前仓压力，优化掘进参数，保证开挖面的稳定，有效控制建筑物变形;之后选取正确的材料和施工工艺，利用同步注浆和二次补浆，有效控制地层和建筑物后续变形;同时利用信息化管理技术，采用自动化监测和信息化管理平台，使地下与地上联动，及时调整施工参数，更加有效地控制了建筑物沉降，为盾构机安全顺利下穿建筑物提供有力保障。

轨道交通;盾构;圆砾泥岩;下穿建筑物;泥浆性能;掘进参数;壁后注浆

1 研究背景

盾构隧道断面上部为圆砾，下部为泥岩的复合地层，典型特点是上部松散、软弱、强透水，下部致密、较硬、黏性大。盾构在掘进过程中，容易出现超挖、掌子面失稳、地层变形难以控制等问题，特别是对泥水盾构来说，由于泥岩的黏性较大，容易引起盾构机前仓排渣口、泥水管路堵塞，造成开挖仓压力波动幅度较大，大大增加了对地层变形控制的难度，特别是在下穿建筑物过程中，有可能导致严重后果，一直以来都是国内外盾构施工的难题。

笔者以南宁典型的圆砾、泥岩复合地层为例，通过对这种地层条件下的地铁隧道泥水盾构施工技术进行研究，特别针对下穿建筑物过程中的技术要点、技术措施、注意事项等，以便找到解决这一难题的办法，促使地铁隧道盾构施工技术进一步完善，为类似工程提供可借鉴的经验。

2 工程概述

南宁地铁1号线某区间隧道采用直径6.25m的泥水盾构机进行施工，盾构需下穿46栋70～80年代修建的老旧建筑物。以某栋建筑物为例，修建于1979年，为5层砖砌结构，浅层基础，后期加建5处砖砌筒式外挂结构，整体结构非常薄弱，给盾构下穿带来极大风险［1］。区间范围内存在487 m圆砾、泥岩复合地层，其中圆砾以砾石为主，少部分卵石，粒径为2～30mm，最大粒径一般在50～70 mm，粒间充填中、粗砂为主，富含水，强渗透性;泥岩为灰色、青灰色，成岩程度较深，呈半岩半土状，层理不明显，切面光滑，有蜡状光泽，标贯试验实测击数51～197击，天然抗压强度为0.52～1.7MPa，风干抗压强度为1.66～4.89MPa［2］。

盾构机进入圆砾、泥岩复合地层后，出现堵管堵仓现象，开挖仓压力控制困难，之后采取一系列控制措施，最终保证了建筑物安全，使盾构顺利通过。图1圆砾(左)和泥岩(右)的表观性状，图2是盾构下穿的典型建筑物。

图1 圆砾、泥岩的表观性状

图2 下穿的典型建筑物

3 在复合地层下穿建筑物控制要点

盾构机在下穿过程中，保证建筑物的安全其实就是控制地层变形，分为开挖面前沉降(隆起)控制、通过时沉降(隆起)控制、尾部空隙沉降(隆起)控制、后续沉降控制4个阶段［3］。

3.1 保持开挖面稳定

保持开挖面稳定主要是针对开挖面前沉降(隆起)、通过时沉降(隆起)，是控制地层变形的重要措施，也可以说是盾构掘进施工的核心技术措施。主要控制泥浆性能指标、掘进过程中的平衡压力、超挖量、对地层的扰动量等方面内容。

3.2 壁后及时填充

盾构通过后，会在盾构后方的土体和管片之间留有一定的空隙，造成此处土体应力释放、向下坍塌，进而引起地层变形，所以管片壁后的间隙必须得到及时填充。而同步注浆和洞内二次补浆正是为了及时有效地对其填充、补偿，这是尾部空隙沉降(隆起)控制、后续沉降控制的重要措施。

3.3 信息化管理

信息化管理是以自动化监测为基础，采用信息共享平台，将地面、指挥中心、盾构机操作室、掌子面联动，使信息发布、收集、加工、处理、反馈畅通及时，在第一时间利用监测数据等信息指导施工，确保建筑物安全，是控制地层变形的有效措施。

4 盾构下穿过程中的技术措施

4.1 盾构泥浆性能优化

在泥水盾构施工时，针对孔隙率较大的圆砾地层往往采用比重较高、黏度较大的泥浆，以便有效地在开挖面形成优质泥膜，以维持地层稳定。而在泥岩地层中掘进时，往往采用比重和黏度均较小的泥浆，有利于渣土的顺利排出。而在圆砾、泥岩复合地层中掘进时，两种地层对泥浆指标的要求出现矛盾，必须找到各种指标的平衡点，以满足对地层的适应性。

在圆砾地层中，采用的泥浆指标如表1所示，当进入圆砾、泥岩复合地层时，泥浆黏度、比重迅速增大，盾构堵仓、堵管现象明显，前仓压力波动幅度较大，地层变形反应明显，掘进困难。

分析原因为:高比重黏度泥浆，未有效抑制泥岩结块成团，造成泥岩被刀盘切削下来之后，迅速相互黏结，堆积在开挖仓底部，造成出闸口堵塞，环流不畅，导致前仓压力波动、地层变形。

之后调整泥浆指标，堵管堵仓现象有所好转，但上部圆砾地层反应敏感，地表沉降增大，对控制地层变形不利。

经过多轮比对，最终确定了泥浆指标，堵管堵仓仍有发生，但对前仓现象压力影响不是很大，地面沉降较小，符合控制地层变形的要求。各种泥浆性能指标见表1。

表1 各种状态下的泥浆性能指标

优化泥浆指标的同时，尝试向泥浆中掺入其他添加物，从经济性和适用性出发，选取工业洗涤剂为试验对象，结果表明，当洗涤剂添加量为3‰时，泥浆黏度基本没有变化，对泥膜无影响，但可显著降低泥浆比重。从现场使用来看，进一步降低了堵管堵仓的概率，同时对预防刀盘结泥饼效果显著。

4.2 盾构平衡压力设定

盾构施工的核心在于开挖仓压力与外部水土压力的平衡，因此设定的开挖仓压力是否准确，直接影响着开挖面是否稳定。盾构切口外部水土压力一般采用下列公式［4］计算:

式中:P1为地下水压力，kPa;P2为静止土压力，kPa;P3为变动土压力，一般取20 kPa;γw为水的容重，kN/m3; h为地下水位以下的隧洞埋深，m;K0为静止土压力系数;γ为土的容重，kN/m3;P'2为主动土压力，kPa;K a为主动土压力系数;C u为土的凝聚力，kPa;H为隧洞埋深，m。

而开挖仓设定值一般处于上限值和下限值之间，之后通过试推进来确定。

实践证明，隧道上半部的圆砾拥有一定的自稳性，白火区间隧道埋深为10～18m，水位埋深为7m左右，实际采用的切口压力为110～210 kPa，隧道埋深每增加1m，切口压力相应调高12.5 kPa，可以保证开挖面的稳定。

4.3 盾构掘进控制

4.3.1 掘进参数的优化

盾构主要掘进参数包括推进力、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转数、进排浆流量等。

在圆砾地层中，推进力为7 MN时，推进速度可以达到30mm/min，此时刀盘扭矩为0.4 MNm左右，刀盘转速通常维持在1r/min左右，进排浆流量需要大于650m3/h。

当盾构进入圆砾、泥岩复合地层后，推进力、刀盘扭矩增大，由于泥岩容易堵管、堵仓，需要放慢掘进速度，找到一个平衡点，既要顺畅排渣，速度也要被接受。经过对参数的不断优化，最终采取的参数为:推进速度降低至10～15 mm/min，此时的推进力为12～15 MN，刀盘扭矩2～3MNm。为了让切削下的渣土块细化，以便顺利排出，将刀盘转速提高到2.0 r/min;为了把渣土尽快排出盾构机前仓，防止渣土堆积后堵管堵仓，将进排浆流量提高到900m3/h以上。

4.3.2 掘进操作精细化

在圆砾、泥岩复合地层中下穿老旧建筑物时，由于建筑物和地层的敏感性，在盾构掘进过程中一定要将操作精细化，主要体现在以下几个方面:

1)开挖仓压力的控制。在圆砾、泥岩复合地层中掘进时，由于渣土排放不顺畅、堵管堵仓等原因，造成盾构机开挖仓压力产生较大波动，对控制地层变形非常不利，这就需要盾构操作人员紧盯开挖仓压力变化，当开挖仓压力快速上升或降低时，必须马上将部分或全部通往开挖仓的进浆管路关闭或开启，以减小压力波动，将波动值控制在±40 kPa范围内。

为了防止渣土堆积，操作人员必须不定时地选择开关进浆管路，集中压力重点冲刷渣土容易堆积的地方。

2)出渣量控制。在掘进过程中，应根据掘进速度换算，确定进排浆流量差，时刻注意气垫仓中泥浆液位的变化，调整流量，为了快速运输渣土，应采用大流量循环。每隔10环左右，泥水处理中心实测出渣量，根据结果调整参数，实施二次补浆。

3)盾构姿态控制。在进入圆砾、泥岩地层前，盾构应保持微抬头状态，前后轴线垂直差值不宜大于10mm，切勿以较大的俯仰角仰头进入泥岩，防止盾构上漂。纠偏时，应勤纠缓纠，防止超挖，控制地层变形。

4)防止刀盘结泥饼措施。在泥岩地层中，盾构刀盘容易出现结泥饼的现象，为了防止这一点，应采取的措施是:放慢推进速度，加快刀盘转数，使渣土细化，以便顺利将渣土排出;每推进30 cm，转换刀盘转动方向，加大泥水循环流量，停机，利用管路对渣土堆积位置以大压力进行重点冲刷［5］，切忌开启直接冲刷圆砾地层的泥浆管，以防上部圆砾失稳;在刚开始进入圆砾、泥岩复合地层时，可以在泥浆中加入润滑剂(如工业洗涤剂)［6］，防止泥饼的结成。但在添加之前，需要试验确定添加物对泥浆指标的影响，以保证上部圆砾层的稳定。

4.4 壁后注浆管理

4.4.1 同步注浆

在下穿建筑物期间，必须提高同步注浆浆液质量，同步注浆采用水泥砂浆。表2是实际采用的同步注浆砂浆配比。

表2 同步注浆砂浆配比kg

试验表明，此配合比砂浆体积收缩率为0，对控制地层的后期变形非常有利。

同步注浆量:理论注浆量为4m3，考虑浆液扩散系数调整为6～8m3(150%～200%)。

注浆压力:应大于注浆出口压力100～200 kPa［7］，最终控制在200～250 kPa之间。

注浆量和注浆压力应按水位、地质条件的变化而调整，应以监测数据的指导来确定。注浆量、注浆压力为双控指标，注浆必须及时、饱满，任何一项指标达不到要求时，需及时分析、整改。同时，必须以同步为原则，注浆速度与推进速度相匹配。

4.4.2 二次补浆

二次补浆是抑制后期沉降的重要一环，一般情况下，针对地表沉降较大、出渣量超标的位置进行补浆。在盾构下穿建筑物期间，二次补浆采用水泥、水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为0.8∶1，双液浆凝胶时间控制在45～90 s以内。二次补浆应随盾构掘进一直进行，滞后同步注浆一定距离(9m左右)，及时跟进，重点部位重点控制。注浆压力高于同步注浆压力100 kPa左右，未达到此压力，不能停止，但需确认没有窜浆现象。

4.5 信息化管理

对无法进行人工监测的重要建筑物采用自动化监测，实现盾构推进过程地表建筑物的实时监控，并反馈到手机或计算机上。自动监控系统包括硬件系统、软件系统和运营管理3个部分。图3是自动化监测系统总体构成框架，图4是自动化检测系统某个点的监测结果。

图3 监测系统总体构成框架

图4 自动化监测结果显示界面

信息化管理平台的搭建以远程自动化监测等硬件为基础，以施工参数优化为内核，借助地表监控中心为载体集成，实现盾构掘进参数和施工监测数据的远程自动化获取，在数值模拟的基础上实现盾构掘进参数实时优化、正常掘进信息反馈、预警信息及时上报、重大险情现场指挥及处理等功能，使得地下与地上联动。使各参建单位实时了解监测信息，发布各种指令，协调各方关系，确保盾构下穿建构筑物沉降可知、险情可控、统一联动、协调促进。

5 盾构下穿过程中的注意事项

1)在优化泥浆性能指标时，应以控制圆砾地层的稳定为原则，各项指标应逐步进行小幅度调整，直至找到适合的指标参数。

2)当发生堵管堵仓现象时，以控制前仓压力波动为原则，切不可盲目推进，反复改变掘进参数，造成对地层的过大扰动。

3)当推力增大、刀盘扭矩增加时，应注意防止刀盘结泥饼，不能为了追求掘进速度，不断增加推进力来“硬推”，这样相反会使参数进一步恶化［8-10］。

4)严格控制前仓压力和注浆压力，防止因压力过大而击穿地面，出现冒顶;同时防止击穿盾尾，造成盾尾漏浆。

6 结语

通过以上的技术研究，获得了与圆砾、泥岩复合地层相适应的盾构下穿建筑物施工技术。得出结论:合理的泥浆性能指标、准确的平衡压力、优化掘进参数结合精细化的操作、严格的壁后注浆管理以及利用信息化指导施工，是确保建筑物安全和盾构机顺利通过的有力措施。通过上述技术措施的实施和严格的技术管控，盾构机顺利下穿白火区间多栋房屋。监测数据显示，盾构机通过后，房屋沉降平均值仅为3mm左右，远远低于30mm的设计允许值，而且在节约工程投资的同时，取得了显著的社会效益。

［1］中铁隧道勘测设计院有限公司.南宁市轨道交通一号线一期工程白苍岭站—火车站区间设计说明［G］.天津，2012:4-5.

［2］化工部郑州地质工程勘察院.南宁市轨道交通一号线一期工程白苍岭站—火车站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告［R］.郑州，2012:9-11.

［3］李曙光，方理刚，赵丹.盾构法地铁隧道施工引起的地表变形分析［J］.中国铁道科学，2006，27(5):87-92.

［4］王江涛，陈建军，吴庆红，等.南水北调中线穿黄工程泥水盾构施工技术［M］.郑州:黄河水利出版社，2010:345.

［5］田宝恩，张志鹏.泥水平衡盾构施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施［J］.石油天然气学学报，2012，34(4):309-314.

［6］陈乔松，刘德智.泥水平衡盾构机刀盘泥饼形成机理及防治技术［J］.长沙铁道学院学报，2011，12(2):214-215.

［7］盾构法隧道施工与验收规范:GB 50446—2008［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008:87-88.

［8］张士屹.盾构法施工同步注浆施工工艺［J］.西部探矿工程，2009(4):164-167.

［9］黄威然，杨书江.砂与砂砾地层盾构工程技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2013:169-172.

［10］竺维彬，鞠世建.复合地层中的盾构施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2006:88-89.

(编辑:郝京红)

Construction Technology of Slurry Shield Crossing under Buildings in Com posite Stratum of Round Gravel and Mudstone

Yu Xingguo
(China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018)

When slurry shield is boring in the composite stratum of round gravel and mudstone，the blocking phenomenon in the slurry pipeline and in the slag fillingmouth of the slurry chamber occurs easily to cause slurry pressure fluctuation in the slurry chamber.The construction risk also increases dramatically.By optimizing the slurry performance，probability ofblocking can be reduced.And by using reasonable pressure parameters in the slurry chamber and optimizing the excavation parameters continuously，the stability of the excavation face can be guaranteed，and the deformation of buildings can be effectively controlled.Afterwards，by selecting propermaterials and the reasonable construction technology，using synchronous grouting and secondary grouting，the subsequent deformation of ground and buildings can be effectively decreased.At the same time，with the aid of the information management technology，the linkage between the underground and the ground became possible.Specifically，when the TBM is crossing under buildings，it is safer and more valid to control the subsidence by adjusting construction parameters timely with the help of the automatic monitoring technology and the information management platform.

rail transit;shield;round gravelandmudstone;crossing under the building;slurry performance;excavation parameters;grouting behind the segment

U231.3

A

1672-6073(2016)02-0057-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.013

2015-08-22

于兴国，男，本科，工程师，从事隧道及地下工程技术研究，yxg0305@126.com

中国铁建股份有限公司技术研发(14-C18)