成都地铁富水砂卵石地层盾构施工技术深化研究

2016-08-10黄伟

大科技 2016年30期

关键词：泡沫剂渣土富水

黄伟

（中铁十一局集团有限公司城市轨道工程有限公司湖北武汉430074）

成都地铁富水砂卵石地层盾构施工技术深化研究

黄伟

（中铁十一局集团有限公司城市轨道工程有限公司湖北武汉430074）

以成都地铁10号线1标富水砂卵石地层盾构工程为背景，针对1号线、2号线建设期间出现严重制约盾构掘进效率的刀盘刀具严重磨损、频繁换刀、刀盘结饼和导致地面多次塌陷事故的地表沉降等现象，开展了富水砂卵石地层分析、盾构选型及控制参数分析、现场盾构掘进和渣土改良、沿线注浆试验，进一步提出和总结了成都地铁富水砂卵石地层盾构施工关键技术及具体措施。包括：树立“排出为主，破碎为辅”的地层处治理念，调整刀盘和螺旋出土和螺旋出土器的结构形式、刀盘开口率、刀盘布置形式，改进同步注浆和二次注浆浆液配合比，优化渣土改良系统，提升沿线注浆工艺等。施工实践表明：以上调整措施是有效的，10号线1标盾构掘进效率显著提高和工程风险大幅度降低。

成都地铁；富水砂卵石地层；盾构施工技术；深化研究

引言

为了解决城市交通拥堵，国内一、二线城市掀起了一股地铁建设的热潮。继北京、上海、广州之后，深圳、武汉、天津、重庆、杭州、成都等城市也陆续开始了地铁的建设。其中，成都于2010年开通运营地铁。根据成都市地铁规划，到2020年其运营里程将达500km。然而，由岷江、沱江、青衣江、大渡河冲积形成的成都平原下分布着广袤的富水砂卵石地层，与国内其它地方的地层相比，成都富水砂卵石地层具有特殊性，主要表现在“三高”[1]：①地下水位高，水位埋深2.0～5.0m；②卵漂石含量高，含量高达60～71%；③卵石强度高，单轴抗压强度50～150MPa。在这种特殊复杂的地质条件下，地铁盾构法施工遇到了许多技术难题，其中，以刀具磨损、刀盘堵塞结泥饼和地表沉降三个方面最为突出。虽然成都地铁1号线和2号线的针对以上问题，采取了盾构改造、渣土改良和降水-注浆等技术手段，积累了一些建设经验，但由于先前工程的理论研究也不系统，实际工程几乎是“摸着石头过河”，尚未形成完全成熟经验，且多为从某一单一问题角度出发，缺乏整体性认识，因此在进度控制和成本控制等方面付出了惨痛的代价。为了提高施工进度和控制施工成本，有必要对成都富水砂卵石地层盾构施工技术开展进一步研究。

1 成都地铁富水砂卵石地层分析

为获取盾构穿越砂卵石地层空间分布情况及力学特性，选取从簇锦车站开挖出的砂卵石土进行筛分试验，结果如表1所示。

表1 砂卵石地层砂空间分布分析结果

由筛分试验结果可知，成都地铁10号线1标盾构区间砂卵石土层中粒径20～200mm的颗粒所占比例达到65%以上，小于0.075mm的颗粒所占比例不足3%，卵石含量较高，缺少中间颗粒，级配曲线不连续。盾构在该类型地层掘进施工时，容易出现开挖面失稳、坍塌。此外，由于细颗粒含量少，土体难以形成不透水的塑流体而充满盾构密封土舱，导致排土设备堵塞、压力舱内结泥饼等（见表2）。

由地质勘察试验结果可知，盾构穿越的砂卵石土层具有较高的含水量，且土层具有很强的渗透能力，其中盾构主要穿越的<2-6-4>卵石土层的渗透系数达到4.16×10-4m/s。在该土层中进行盾构施工，极易造成喷涌、掌子面失稳等工程事故。另外，<2-6-4>卵石土层的内摩擦角较大，对盾构机内的开挖装置和排土机械的磨损较大，在盾构土舱内容易造成堵仓事故。

表2 各土层物理力学性能

综上所述，在富水砂卵石地质条件下，盾构施工过程中盾构开挖面容易失稳而发生地面坍塌。假如施工中采用单纯土压平衡盾构施工，会给工程带来极大的风险，盾构掘进时刀盘、刀具以及螺旋输送机等设备会磨损严重，对盾构的正常掘进非常不利。因此，应稳定开挖面、提高压力舱渣土的流动性与抗渗性、减轻刀具磨损，必须根据该具体的地质条件来选择适合的盾构设备及配置、采取适当的渣土改良方法、制定新的刀具维护与更换方案、实施因地适宜的盾构沿线地层注浆加固方法。

2 渣土改良技术

2.1 原材料及配合比

渣土改良材料选择界面活性材料和膨润土，由两套系统分别运输，界面活性材料为德国巴斯夫公司生产的特殊发泡剂和压缩空气制作成的气泡，膨润土为钠质膨润土。其它材料有水泥、砂、粉煤灰等，其中，水泥为阿法基P.O42.5水泥，砂为河砂、中砂，粉煤灰为Ⅰ级。

在盾构掘进过程中，通过盾构机的膨润土系统向土仓和掌子面注射泥浆混合液，泥浆的注入流量满足下列关系：Q（泥浆的流量）=α（泥浆注入率）×Q（渣土的流量）；Q（渣土的流量）=A（掌子面的面积）×V（掘进速度）。其中，浆液配合比为：水泥：水：黄砂：粉煤灰：膨润土=1.00：2.50：2.50：3.0：0.625。

界面活性材料为泡沫添加剂3%、水97%组成的混合物，通过盾构机的泡沫系统注入。泡沫添加剂由90～95%压缩空气和5～10%泡沫添加剂混合而成，不同的地层中选择相应的泡沫用量有所不同。在本工程施工过程中，根据地下水的特点和改良效果，适当调整了加水量。

2.2 室内试验

2.2.1 直剪试验

为测定盾构掘进地层中的重塑土以及加入泡沫剂改良土体的抗剪强度参数（黏聚力c和内摩擦角准值），采用应变控制式直剪仪，分别施加50～300kPa的不同垂直压力，进行剪切试验，求得破坏时的剪应力τ，亦即抗剪强度S。以抗剪强度为纵坐标/垂直压力P为横坐标，绘制S～P关系曲线，然后根据库仑定律得出土的抗剪强度参数c和准。其试验数据如表3所示，不同掺量泡沫剂重塑土抗剪强度与垂直压力关系如图1所示（掺量0%时为未加入泡沫剂）。

成都砂卵石土层的摩擦角较大，抗剪强度较高，在200kPa固结压力下的直剪强度为188.238kPa，使得盾构掘进过程中需要维持较大的刀盘扭矩，容易造成盾构推进困难。由图1可知，不同比例的泡沫济注入重塑土进行改良后，其土体的内摩擦角和抗剪强度均比改良前有不同程度降低，土体改良效果较为明显，其中按5%比例的泡沫剂注入后使重塑土体的内摩擦角降低最大约5°；按3%比例的泡沫注入后的重塑土抗剪强度与按5%比例的泡沫注入后的重塑图抗剪强度相当，考虑经济因素，选取3%溶液浓度较为合理。

图1

表3 抗剪强度参数

2.2.2 渗透试验

本次试验取重塑砂卵石土以及加入泡沫剂改良后的土体分别进行渗透试验。

由图2可知，砂卵石土层具有较强的渗透性，其渗透系数为加入泡沫剂后的240～500倍，表明加入泡沫剂改良后的土体抗渗性能明显提高，若不采取加入泡沫剂改良土体，盾构施工极易引起掌子面前方土体固结及土舱内结泥饼，从而导致盾构机排土不畅，掘进困难。

2.3 现场试验

通过对右线第15～19环不改良渣土与第33～37环按3%配合比加入泡沫剂改良渣土的2种掘进状态进行比较，其盾构掘进参数如表4所示。

表4 砂卵石地层盾构掘进参数

由表4不加泡沫剂的掘进参数可知，盾构在掘进第15～19环过程中多次停机，存在推力大、扭矩大、进尺小、刀盘被卡死、出渣量不易控制、姿态偏差过大、地表沉降控制相当困难等问题。在掘进至第19环时，盾构机最大推力达到16.273kN，最大扭矩达到4.59MN·m，推进平均速度仅4mm/min，从螺旋输送机排出的渣土温度达到56℃，不得不停机，开仓检查后发现刀盘开口被泥饼封住，土舱内的卵石土潮湿，有结球现象。在保持掘进过程中土舱压力一定的情况下，通过向掌子面注入泡沫后，盾构掘进参数得到明显的改善，其中，掘进第33～37环过程中的平均掘进速率达到44mm/min，且千斤顶总推力降低约22.4%，刀盘扭矩降低约18.3%；在掘进过程中加入泡沫剂后，从土舱内排出的渣土均呈流塑状态，盾构掘进正常，且地表沉降得到有效控制。

3 沿线注浆技术

3.1 传统注浆技术在砂卵石地层的不足

在富水砂卵石地层，采用传统工艺注浆加固存在一下问题：①水泥浆由于浆体颗粒大无法注入密实砂卵石中；②袖阀管注浆时，管的顶部封口困难，注浆加固时浆液向上冒，注浆效果不好。成都砂卵石地层地质特殊，常规的注浆加固方法效果不理想。因此，以往的注浆加固方法应用于成都富水砂卵石地层中无法保证注浆效果。

由于砂卵石地层颗粒间无胶结力，整体稳定性差，盾构穿越时对砂卵石扰动较大，隧道上方地层易剥层坍塌。因此，成都地铁盾构穿越建筑物时，必须进行盾构穿越前的预注浆和穿越后的二次注浆。此外，成都富水砂卵石地层不适用搅拌桩和旋喷桩进行加固施工，一般采用袖阀管注水泥浆的加固方法。与一般地质条件相比，砂卵石地层采用传统袖阀管注浆加固不足之处有：①洗孔过程中，孔壁周围的砂卵石向孔内塌陷，严重时砂卵石会将孔隙全部充满，导致套壳不能按设计下到位，封口位置不准确，影响注浆效果，同时，成都砂卵石地层一般是上部松散下部相对致密，施工过程中往往是浆液注入表层的松散层，需要注浆加固位置的深层反而未注入浆液。②成都砂卵石层地下水丰富，注入的水泥浆液很容易稀释并被水冲走，导致注浆效果不好。③对于致密性好的富水砂卵石层，由于水泥粒径相对偏大，无风注入到砂卵石缝隙中，不能加固成一个整体，导致注浆加固效果不好。

3.2 富水砂卵石地层注浆施工

根据传统袖阀管注浆加固在成都富水砂卵石地层的不足，在传统袖阀管的施工工艺的基础上提出了改进措施，形成了高富水、高砂卵石含量地层条件下的固定封口、水泥-水玻璃与AB化学浆液相结合的注浆施工方法。富水砂卵石地层的注浆工艺见图3所示。

图3 注浆工艺

不同于传统的袖阀管注浆，成都砂卵石地层的注浆材料选择水泥-水玻璃浆液和AB化学浆液。其中，水泥-水玻璃浆液采用双液气动注浆泵将搅拌好的水泥浆和水玻璃按1：1体积配合比注入注浆管内（水泥-水玻璃初凝时间控制在10min左右），经注浆管单向阀向加固区域扩散，填充大的空隙并凝结。当气动注浆泵注入压力达到3MPa左右时停止。AB化学浆液采用气动双液注浆泵注入。化学浆液经注浆管单向阀注入到水泥－水玻璃浆无法注入的需加固范围内，挤走此范围的水，并迅速反应与砂卵石粘结在一起，形成具有一定强度的整体。AB液的初凝时间控制在3min左右，注入体积为计划加固区域体积的6%（设计为加固区域含水体积的1.2倍）。当AB液按计划量注入完成后清理现场，注浆加固结束。若计划量未全部注时，气动注浆泵已经无法泵入，则需要调整AB液材料配比，需适当增加AB液的初凝时间。此外，无论是水泥-水玻璃浆，还是AB化学浆液，在注入过程中设备必须完好，不能中途停止。一旦由于某种原因停止，注浆管内浆液凝固，不能再次注浆，将无法达到计划注浆效果。