泥水平衡盾构穿越砂卵石地层时的施工控制

戴慧丽

上海城建市政（工程）集团有限公司 上海 200065

泥水平衡盾构因具有适用地质范围广、地表沉降变形控制好、开挖面稳定性高等优点，已经成为了近年来国内修建穿越江河湖海等水下隧道的首选施工方法。然而随着城市地下轨道交通建设的发展，地下工程施工所面临的环境也越来越恶劣，复杂的地质条件给泥水平衡盾构的施工提出了许多挑战。其中，砂卵石地层具有颗粒空隙大、土层渗透性大、强度高而流塑性差等特性，同时分布广泛，可以说是盾构施工中较常碰到的一种复杂地质条件。国内已有较多在砂卵石地层采用泥水盾构施工的工程案例，总结了一些成功的施工经验[1-3]。

目前有许多学者对砂卵石地层的泥水盾构施工进行了相关研究。刘东[4]以北京地下直径线工程大直径泥水盾构隧道为背景，总结分析了富水砂卵石地层中盾构隧道选型、进洞加固、掘进参数控制、泥水处理、进仓换刀等关键施工技术。张长强等[5]在综合考虑盾构掘进参数、泥浆参数、盾构姿态、地层变形机理等信息的基础上，分析确定了泥水盾构在富水砂卵石地层中掘进时同步注浆各主要技术参数间的经验公式。另外还有一些学者重点研究了泥水盾构在穿河施工中的技术难题。王明胜[6]结合南昌市轨道交通1号线越江区间，针对性地研究了泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层时易出现的掌子面失稳、刀盘结泥饼和掘进姿态难控制等难题。贾会森[7]针对沈阳地铁9号线一期工程，通过对土层颗粒组成及河水水位变化进行分析研究，对盾构刀盘和刀具进行优化设计，提出并实现了泥水盾构在穿河施工中的不换刀技术。

然而上述研究大多侧重于泥水盾构在砂卵石地层中的适应性或穿河施工的技术难点中的某一方面，针对富水砂卵石地层中泥水盾构下穿河流施工的研究较少。因此，如何确保在沈阳地区的高水压砂卵石地层中泥水盾构穿河施工的安全性，成为沈阳地铁施工中要解决的重点问题。

本文以沈阳地铁10号线长青桥站—浑南大道站区间地铁工程穿越浑河段为背景，对泥水平衡盾构施工过程中切口水压、泥浆指标、干砂量、掘进速度、刀盘扭矩等关键施工参数进行理论计算和实测分析，提出了富水砂卵石地层过河段泥水盾构在正面稳定、土体损失率和隧道上浮等方面的关键控制技术，为今后类似地层条件下的泥水盾构穿河施工提供了一定的参考。

1 工程概况

沈阳地铁10号线长青桥站—浑南大道站区间基本位于浑河、长青南街下方，线路出长青桥站后沿浑河长青大桥下穿浑河后，再沿长青南街东侧到达浑南大道站，全长约1 617 m，其中过河段约450 m。该段为标准单洞单线区间，采用泥水盾构法施工，覆土厚度为13.2～25.0 m。

1.1 工程地质

该区间段盾构穿越土层依次为砾砂（④4）、圆砾（④5）、中粗砂（⑤3）、砾砂（⑤4）、圆砾（⑤5）层。主要地层为砾砂、圆砾及中粗砂等地层，且含有大粒径砾石、卵石等。一般粒径2～50 mm，部分粒径达90 mm，少量粒径大于150 mm，填充物为中、粗砂及少量黏性土，局部含卵石，盾构始发段将入浑河前有约50 m的地层中黏性土含量偏高，整体颗粒级配良好。

1.2 水文地质

场地地下水为潜水，主要赋存于中粗砂、砾砂、圆砾层（③、④以及⑤）中，属孔隙潜水含水层。稳定水位埋深为7.00～1.25 m，常年水位变幅约2 m，含水层厚度约19 m。地下水主要补给来源为浑河侧向补给及大气降水垂直入渗补给。场地地下水径流条件良好，含水层渗透性强，盾构穿越地层的渗透系数一般在50～110 m/d之间。

1.3 主要施工风险及技术难点

泥水盾构下穿浑河区段的地质条件及周边环境复杂，覆土厚度小，受到很多条件的限制，要在这种情况下实现安全、顺利且环境友好的施工，具有很大风险和挑战。

主要的施工风险有：土体软硬结合，对盾构机刀盘磨损大，掘进速度受影响；成拱性差，盾构开挖扰动下地层无法形成稳定的压力拱，易造成连续破坏；砂卵石地层渗透性强，施工中易产生涌水、涌砂；施工中开挖面不稳定，易坍塌，容易产生较大的地层损失及地表沉降；易超挖，砂卵石地层的软硬结合特性使得掌子面顶力分布不均，从而导致开挖过程出土过多，切口土体损失率过大；浅埋施工危险性大，埋深太浅达不到临时压力拱所需高度，同时砂卵石抗剪能力弱，易发生剪切破坏；盾构和管片姿态控制较难，成形隧道易产生上浮，严重时造成隧道轴线出现较大偏差、管片碎裂、盾尾漏浆等不良情况。

主要的技术难点是：通过合理的正面泥水压力、泥浆性能、推进速度和刀盘扭矩等参数控制，在盾构开挖过程中维持开挖面的稳定，防止河中段切口冒浆或河底地层沉降；通过岸边段的地面沉降监测，逐步过渡到河中段盾构出土即干砂量的监控，随时优化调整正面泥水压力和其他推进参数，来有效控制盾构掘进过程中的切口土体损失率，防止河底地层沉降；通过盾构掘进姿态、掘进线路设计和同步注浆方式的调整，使盾构姿态、管片姿态和隧道上浮量可控，同时，有效降低因盾构与管片姿态不良引起的盾尾漏浆风险。

2 过河段泥水盾构施工关键技术

针对以上提出的主要技术难点，本文将从正面稳定性控制、土体损失率控制、隧道上浮控制3个方面，阐述工程在过河段隧道区间采用泥水盾构施工所用到的关键技术。

2.1 正面稳定性控制

确保开挖面稳定是盾构顺利施工、减小超挖和控制地表沉降的基本措施和保障。目前泥水盾构正面稳定性的判别方法主要有稳定系数判别法、地层损失判别法、流量控制法几类。本工程正面稳定性控制，主要结合地表沉降的监控和实际出土量的测量与分析，在开挖面水土压力平衡、泥浆性能、刀盘扭矩和推进速度方面采取相应的控制措施。

2.1.1 开挖面水土压力的平衡控制

盾构切口水压用于平衡开挖面的水土压力，维持开挖面的稳定，是保证盾构掘进安全顺利的关键。盾构实际切口水压，随着隧道的覆土深度、开挖面土层性状、地下水水头的变化而变化。因此，通过切口水压控制开挖面稳定是一种动态的管理，掘进到不同阶段，切口泥水压力的设定需及时调整。本工程综合考虑地下水压、土压设定误差、土层渗透系数、泥浆性能指标、送排泥设备中的泥水压变动、浑河水位的变化等因素后，认为实际切口水压力一般应比理论计算值大20～30 kPa，得到穿越浑河段盾构的实际切口水压设定值与理论水土压力计算值的比较情况（图1）。

图1 实际切口水压与理论水土压力计算值比较

由图1可以看到，由于隧道埋深不断变化，盾构机顶部承受的土水压力也呈现波动起伏，但泥水仓顶部压力的设定值一直保持在比静止土压力大10～20 kPa，这说明切口水压设定较为合理。从下面的地表沉降分析和干砂量分析中也可看出，整个盾构推进过程中没有出现较大的地表沉降或隆起，开挖面稳定的控制较好。另外，尽管切口水压设定值在盾构推进过程中有极少数情况超过了被动土压力，但始终未超过地层劈裂抗力，在理论上确保了盾构推进过程中不会造成地层坍塌等危险。

2.1.2 泥浆性能管理与控制

对于本工程砂卵石地层来说，泥水平衡盾构的泥浆性能指标的好坏，与开挖面的稳定、地层损失率的控制、刀盘扭矩的降低、刀具的磨损、泥水输送与分离处理的效率等直接相关，应对泥浆的相对密度、黏度指标进行重点的控制管理。

对于以砂砾地层为主的过河段，送泥泥浆相对密度应严格控制在1.10～1.15 g/cm3；而对于黏性土含量较高的局部区段，送泥泥浆相对密度也应尽量控制在1.25 g/cm3以下，以保证排泥畅通、正面不结泥饼、刀盘切削扭矩不会过大。必要时，在现场因环保要求不具备弃浆的情况下，应借助压滤机，有效分离出循环泥浆中的大量细颗粒来降低送泥泥浆的相对密度。

合适的送泥泥浆黏度，有利于悬浮和携带刀盘切削下来的土体，从土颗粒的悬浮性要求而言，要求泥水的黏度越高越好，但黏度的提高会使泥水的凝胶强度和塑变值提高，加大泥浆泵的负荷，同时加大泥水分离的难度。本工程综合考虑以上因素，黏度值取20～25 s。

一般来说，当送泥泥浆的相对密度、黏度较大时，可加水进行稀释，来降低其数值；当泥浆的相对密度、黏度较小时，可适当添加膨润土来提高其数值；而压滤机的使用，则是泥水处理系统无法分离过多细颗粒而引起泥浆相对密度、黏度过高的补充手段。本工程在黏土含量较高的局部区段掘进时，采用了1台APN15SL60M型压滤机，弃浆量达29.4 m3，干渣含水率＜30%，在满足该工程废浆处理量与干排需求的情况下，保证了送泥泥浆的性能指标符合要求，及时扭转了施工中出现的刀盘结泥饼、刀盘扭矩居高不下和掘进效率低下等不利情况。

2.1.3 刀盘扭矩控制

本工程的盾构正面稳定性控制除水土压力控制外，还运用了实时监测刀盘扭矩变化来保障盾构推进的顺利进行（图2）。

图2 刀盘扭矩和推进速度的关系

从图2可以看出，刀盘扭矩与推进速度基本上满足递增关系，这是因为扭矩与推力成线性关系，而推力与推进速度又成正指数关系，故刀盘扭矩与推进速度也应成递增关系。但同时应该考虑到，当推进速度继续增大时，若刀盘扭矩再大，会超过额定扭矩的50%，这对盾构机顺利推进是不利的，故施工过程中需要不断关注刀盘扭矩的变化，采取措施避免扭矩过大而影响盾构推进。

除与推进速度相关外，上文所述送泥泥浆的相对密度和黏度指标，也会直接影响刀盘的实际切削扭矩，有可能严重影响盾构的掘进施工。因此，一旦出现指标异常，应及时采取相关措施，确保送泥泥浆的性能指标恢复正常。

2.2 土体损失率控制

干砂量是指泥水盾构推进过程中实际开挖出来的土颗粒体积，即盾构出土量，是重要的施工参数。实际工程中，在无法直接进行地表沉降监测的场合，如穿越河流，常用干砂量的大小来直接判断泥水盾构的超/欠挖情况，以控制土体损失率和地表变形。实际干砂量根据送泥、排泥的流量计和密度计测定的数据进行统计而得。本工程未进入浑河段前，先以每5环测量一次的频率，测量掘进180环（穿越浑河前10环）的干砂量，对照地表沉降监测数据，判断盾构超/欠挖状态，以土体损失率为控制目标，确定实际干砂量的控制范围和对应不同的埋深及地层的推进参数，主要是切口设定压力，为盾构顺利穿越浑河做准备。随后在穿越浑河区段时每隔5～10环测量一次干砂量，通过干砂量变化实时调整推进参数。

土体损失率一般可以通过地表沉降的监测数据，或者根据理论出土量与实际出土量的差值，进行分析并控制。本工程盾构直径6.24 m，一环理论开挖量为36.7 m3，正常切口土体损失率应控制在0.5%以内，即每环偏差量应小于0.18 m3。180环前的测量数据分析和穿越浑河段实际施工情况表明，在砂卵石地层中，采用不含主动或被动铰接装置的泥水平衡盾构掘进，若综合考虑推进速度、刀盘扭矩、千斤顶推力、盾构姿态和地表沉降等因素，且同步注浆措施到位，那么，以施工参数正常且沉降最小化为原则，将在直线段施工盾构超/欠挖量控制在1.5%以内、曲线段施工盾构超/欠挖量控制在3.0%以内较合理。

2.3 隧道上浮控制

2.3.1 盾构姿态控制

本工程盾构穿越浑河段的地下水位较高，土层复杂，如果控制不当，极易导致盾构机上浮，进而引起浑河底部地层塌陷，威胁周边环境安全，因此盾构姿态的控制显得尤其重要。同时盾构直径大、线路长、穿越土层复杂也使得盾构姿态控制较难。推进初期是上半部分为砂质粉土而下半部分为黏土的上硬下软土层，推进后期则依次穿越全断面黏土、全断面粉砂等地层，盾构机在同一断面的掘进速度难以保持一致。

对于上硬下软土层，适当加大上侧油缸的推力和速度后效果良好。而全断面黏土地层处（主要是过河段）盾构机则发生了一定程度的上浮（图3）。

图3中，管片上浮的最大值达57.5 mm，超过了报警值（50 mm）；且大多数管片的上浮值在25～50 mm之间，已经接近报警值。为减小上浮的趋势，本工程采取了以下措施：推进时考虑上浮情况，预先向下掘进50～70 mm；将2.3.2节中提到的“四点注浆”变更至“两点注浆”，利用注浆的“下压”抑制上浮；加大注浆量以保证盾尾间隙填充密实；抛压重物以平衡盾构质量。

图3 盾构管片上浮情况

2.3.2 同步注浆控制

注浆一直是盾构施工中用于充填盾尾空隙和防止地表沉降的关键技术，其中又可分为同步注浆和二次注浆。本工程针对砂卵石地层开挖后极易被破坏的特性对注浆技术进行了相应设计。这里重点从注浆孔布置、注浆量控制2个方面介绍本工程采取的同步注浆控制技术。

本工程盾尾注浆孔在左上、左下、右上、右下4个位置共布置4个（图4）。一般来说，应尽量保持4个注浆孔同时注浆，从而保证同步注浆的均衡、稳定。但当盾构机发生上浮或下沉而偏离了设计路线时，可适当调整注浆方式，将四孔注浆变为三孔注浆或两孔注浆，从而实现纠偏。

图4 注浆孔分布示意

经计算，在充填率为1的情况下，本工程盾构隧道每环注浆量理论控制值为2.76 m3，对隧道穿越浑河区段每环的注浆量进行统计，绘制成注浆量曲线图（图5）。

可见，除推进初期注浆量较低外，盾尾注浆量基本保持在150%左右，且各环注浆量大多处于150%～200%之间，满足一般要求。

3 结语

本文结合沈阳地铁10号线穿越浑河段，对泥水平衡盾构施工过程中的关键施工参数进行理论计算和实测分析，针对富水砂卵石地层过河段盾构正面稳定性控制、土体损失率控制和隧道上浮控制进行研究分析，得到以下主要结论：

1）砂卵石地层具有力学不稳定特性，开挖后极易破坏，使盾构开挖面不稳定。对于本工程以砂砾地层为主的过河段，实际切口水压力的设定比理论计算值大20～30 kPa，能满足正面稳定的要求。送泥泥浆黏度值取20～25 s，相对密度控制在1.10～1.15 g/cm3，刀盘扭矩控制在额定值的50%，这些参数一旦超限，应分析原因，尽快采取必要措施予以调整。

2）在无法实施地表沉降监测的过河段，应以干砂量的测量与分析结果为参考，及时调整施工参数，有效控制超/欠挖量。本工程泥水盾构未设置铰接装置，对于砂卵石地层中的施工，应以施工参数正常且沉降最小化为原则，综合考虑各种因素，将在直线段施工盾构超/欠挖量控制在1.5%以内、曲线段施工盾构超/欠挖量控制在3.0%以内，总体沉降可控。

3）本工程在隧道左上、左下、右上、右下4个位置共布置4个注浆孔，并保持4点同时注浆，同时将各环注浆量控制在理论值的150%～200%之间，很好地控制了地表沉降。隧道穿越浑河区段盾构管片出现了一定程度的上浮，为减轻盾构上浮的趋势，采取了预先向下掘进、将“四点注浆”变更至“两点注浆”、加大注浆量、抛压重物等措施，起到了良好的效果。

图5 隧道穿越浑河区段注浆量曲线