富水砂卵石地层盾构隧道微扰动施工关键技术

戴志仁

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司 城市轨道与建筑设计研究院，陕西 西安 710043； 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043； 3.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室，陕西 西安 710043)

近年来，随着各大城市轨道交通建设的迅速发展，在北京、成都、兰州、南宁以及西安等地，富水砂卵石地层(卵石含量在40%～70%，体积比)条件下盾构隧道工程遇到的问题越来越突出[1]，比如盾尾后方隧道上浮、成型隧道偏离设计轴线、管片碎裂与渗漏、超挖引起地层空洞、刀具检修导致地层失稳等等，可能导致隧道贯通后需要进行大范围调线调坡，大量管片需要进行修补甚至可能引起周边构筑物沉降或裂缝风险等等[2-3]，无法满足建设环境友好型社会的要求！

对于富水砂卵石地层条件下的盾构隧道工程，很多学者都进行了相关研究，戴志仁[4]针对兰州地铁1号线盾构下穿黄河隧道工程，对管片荷载模式与结构选型方面进行了研究，明确了高水压下管片防水与耐久性控制因素；杨志团[5]对高压富水砂卵石地层条件下的盾构管片内力与防水机理进行了深入研究，明确了单层衬砌是合理的；张莎莎等[6]提出了富水砂卵石地层条件下，满足最大河床冲刷深度的区间隧道纵断面设计方案，明确了基于河床地形的沉降变形规律与抗震稳定性；王树华[7]针对成都地铁1号线砂卵石粒径大、强度高的特点，提出了增大刀盘开口率与优化掘进参数的理念，奠定了成都地区盾构快速掘进的基本思路；胡欣雨等[8]针对富水砂卵石地层中盾构掘进遇到的刀盘与螺旋输送机磨损严重、排土困难及开挖面难以平衡等情况，提出了加泥式土压盾构与欠压掘进方法，在一定程度上提高了盾构掘进效率、减小了施工扰动；罗松等[9]提出了富水砂卵石地层盾构掘进地表滞后沉降的主要诱因及其应对措施，对实际工程具有一定的指导意义。这些既有研究成果主要集中在地层稳定性控制与盾构掘进效率方面，很少对富水砂卵石地层盾构掘进相关问题进行系统研究。

目前，对富水砂卵石地层条件下的盾构隧道工程而言，隧道上浮与隧道轴线控制问题、盾构施工扰动与开仓换刀问题、风险源处理与环境保护问题等比较突出，因此本文针对近年来富水砂卵石地层盾构施工中面临的盾构掘进与管片拼装技术、隧道上浮与隧道轴线控制技术、刀具检修与开仓技术，以及风险源处理技术等进行系统研究，提出满足工程质量和周边环境安全的富水砂卵石地层盾构隧道施工成套技术。

1 盾构掘进与管片拼装技术

1.1 基于土压平衡盾构的螺旋排土—泥膜支护工法

砂卵石地层条件下的盾构法隧道一般以土压平衡盾构为主，但由于卵石土颗粒大小不一，细颗粒与胶结成分较少，经常导致盾构机土仓内渣土塑流性与止水性难以满足螺旋机工作需求，砂卵石地层中的盾构法隧道经常出现土仓上半断面无法有效充填，导致出现半仓掘进(欠压掘进)，如图1所示。而砂卵石地层条件下的泥水平衡盾构，经常由于大粒径卵石的破碎问题制约泥浆管道顺利运输。

图1 砂卵石地层中盾构半仓(欠压)掘进

鉴于常规土压平衡盾构与泥水盾构存在的缺陷与不足，针对性地提出一种集合土压盾构与泥水盾构两者优点的新工法，即“螺旋排土—泥膜支护”盾构工法。“螺旋排土—泥膜支护”盾构工法结合泥水盾构开挖面稳定的特点与土压盾构排土简便的特点，运用泥浆(泥膜)支护开挖面，同时使用螺旋排土器将渣土混合物排出，不仅解决了开挖面稳定性难题，还解决了渣土排出难题，实现了富水砂卵石地层条件下土压平衡盾构的保压掘进，为施工微扰动控制奠定了基础！对目前盛行的密闭式盾构法隧道技术而言，是一项重要的技术革新！

“螺旋排土—泥膜支护”盾构工法的本质是基于渣土改良的土压平衡盾构，其实现的关键在于盾构机土仓内渣土的改良。为了改良土仓内的渣土，即改善渣土的流动性和止水性，使渣土处于塑流状态，可考虑往土仓内注入高密度泥浆。根据砂卵石地层特性和室内试验结果，往土仓内注入高密度泥浆较为合理的比例为15%～25%(体积比)，从而使盾构掘进渣土通过螺旋排土器顺利排出。

1.2 盾构掘进总推力

富水砂卵石地层条件下，由于渣土塑流性较差，很多情况下土仓上部分都很难填满(见图1)，因此很难实现真正意义上的土压平衡掘进模式，欠压掘进与地层损失不可避免，所以盾构掘削面挤压力Pg宜控制在静止土压力P0与主动土压力Pa之间，主动土压力Pa的计算公式为

(1)

其中，

Ka=tan2(45°-φ/2)

式中：Hw为水头高度，m；h为隧道拱顶埋深，m；D为隧道外直径，m；γw为水容重，kN·m-3；γ′为土体有效重度，kN·m-3；c为土体凝聚力，kPa；Ka为主动土压力系数；φ为土体内摩擦角。

考虑到盾壳与周围地层之间的摩阻力Ff，盾构机总推力F总可表示为

F总=Pg+Ff≥Pa+Ff

(2)

1)盾壳与周围地层之间的摩阻力Ff

取单位长度隧道(受力示意图详见图2)，以计算点处任意小的1块竖向土条为研究对象，其宽度为a(土条与盾壳接触面相应高度为b)，土条高度为h′，水平土压力σx与竖向土压力σy的合力f指向隧道中心。计算中不考虑沿盾构机轴向应力σz，因为σz与隧道径向垂直，在隧道径向方向无分力。σx，σy及f的计算公式为

σy=γ′h′

(3)

σx=K0γ′h′

(4)

=γ′h′[(cosα)2+K0(sinα)2]

(5)

其中，

h′=h+R(1-cosα)

图2 隧道结构(盾构机)受力示意图

式中：h′为计算点深度，m；K0为静止土压力系数；α为计算点与竖直方向交角(顺时针方向)；R为隧道半径，m。

由于隧道受力左右对称，将f沿圆周方向进行积分，并考虑盾壳与地层之间的摩擦系数μ，可得摩阻力Ff为

(6)

式中：L为盾构机长度，m；μ为盾壳与地层之间的摩擦系数。

对式(6)进行积分计算，可得

Ff=πLμRγ′(h+R)(1+K0)

(7)

以典型的3-9-3(中密卵石土)与3-9-4(密实卵石土)地层为研究对象，取隧道半径R=3.2 m，盾构机长度L=9.5 m，隧道拱顶埋深取10，15，20 m时，基于式(6)，盾壳四周摩阻力Ff的计算参数及计算结果见表1。

2)考虑修正摩阻力Ff的盾构机总推力

根据式(2)得到考虑修正摩阻力后盾构机总推力的计算公式为

(8)

盾构隧道开挖轮廓D=6.28 m，水容重γw=10 kN·m-3，对于2种典型卵石土，隧道拱顶埋深取10，15，20 m，基于式(8)，考虑盾壳修正摩阻力时盾构机总推力的计算参数及计算结果见表2。

表1 典型卵石土地层条件下不同隧道拱顶埋深对应的盾壳四周摩阻力计算

表2 考虑盾壳修正摩阻力的盾构机总推力

针对城市轨道交通工程较常遇到的2种典型卵石土，盾构机总推力与盾壳摩阻力随隧道拱顶覆土厚度的变化曲线如图3所示。其中，当地铁车站为地下2层站时，隧道拱顶埋深一般在10～20 m，此时隧道洞身范围内遇到中密砂卵石土地层的情况相对较多；对于地下3层站而言，此时隧道拱顶埋深一般在15～25 m，此时隧道洞身范围内遇到密实砂卵石土地层的情况相对较多。

由图3可知：中密卵石土地层条件下，盾构隧道拱顶埋深一般在10～20 m之间，所以盾构机总推力宜维持在1 500～2 300 t之间，密实卵石土地层条件下，盾构隧道拱顶埋深一般在15～25 m之间，所以盾构机总推力宜维持在2 400～3 200 t之间。

1.3 盾构施工微扰动控制与中盾注浆技术

由表2可知，砂卵石土地层条件下，在盾构机总推力组成中，盾壳摩阻力占比一般在56%～61%之间，随着隧道埋深的增大，占比有减小趋势。

对于砂卵石土地层普通隧道直径的盾构机而言，额定推力在3 500 t左右，最大推力一般在3 600～4 200 t之间。如果盾构总推力过大，必将导致盾构机姿态难以控制、转弯与纠偏困难、影响管片拼装与掘进轴线控制。因此，为了实现微扰动施工控制目标，在盾构掘削面水土压力变化不大的情况下，应采取措施减小盾壳摩阻力。

图3 典型卵石土地层条件下盾壳摩阻力与盾构机总推力变化曲线

为此，基于中盾注浆技术，通过盾壳四周设置的径向注浆孔将惰性浆液注入盾壳与地层之间的空隙，可显著减小盾壳与地层之间的摩擦效应，减小盾壳摩阻力，减小盾构机总推力；同时，还可及时填充盾构施工过程仔由于刀盘超挖造成的盾体与土体之间的空隙，隔离土仓掘进压力和盾尾同步注浆压力，最大程度地减缓盾尾空隙与地层沉降趋势。

中盾注浆所用浆液应以惰性浆液为主，防止浆液凝固硬化将盾壳抱死。惰性浆液可视地层情况考虑采用克泥效(clay shock)[10]，克泥效是将黏土与强塑剂以一定比例混合后形成的高黏度、不硬化的可塑性黏土，惰性浆液现场试验如图4所示。

当采用中盾注浆技术在盾壳四周注入惰性浆液后，对于中密卵石土和密实卵石土地层条件，经测试，盾壳与卵石层之间的摩擦系数分别减小为0.17和0.22[11]，仍采用表1和表2的计算参数，盾壳摩阻力和盾构机总推力随着隧道埋深逐渐增加的变化曲线如图5所示。

图4 惰性浆液现场试验

图5 中盾注浆后典型卵石土地层条件下盾壳摩阻力和盾构机总推力变化曲线

对比图3与图5可知：采用中盾注浆后，盾壳摩阻力显著降低，盾构总推力相应降低；其中中密卵石土地层中，盾构总推力为800～1 300 t，这是由于盾壳摩阻力下降约70%，在总推力中的占比由55%～61%下降至20%～23%；在密实卵石土地层中，盾构总推力为1 200～2 100 t，这是由于盾壳摩阻力下降约82%，在总推力中的占比由58%～61%下降至20%～22%。

由以上分析可知，采用中盾注浆后，可使盾构总推力减少近一半，从而极大地增加了盾构纠偏、转弯的能力，更为重要的是减少了掘进扰动与超挖，在盾构穿越重大风险源地段宜推广应用。

1.4 大比重浆液(厚浆)同步注浆技术

富水砂卵石地层中，由于地下水丰富且渗透系数大，因此浆液注入盾尾空隙后存在被稀释、随地下水流动的可能，再加上盾构掘进超挖的影响，导致盾尾空隙难以被浆液有效充填，地层空洞与地面突然坍塌现象屡见不鲜。

常规的单液可硬性浆液(水泥砂浆)初凝时间长(一般在5～8 h)，注入盾尾空隙被地下水稀释严重，如图6所示，无法确保盾尾空隙有限范围的有效充填。

图6 盾尾后方管片注浆孔打开后地下水涌出

改用大比重浆液(厚浆)，其质量配合比见表3，具有较高的比重，为1 893 kg·m-3，屈服强度随时间的变化见表4。采用大比重浆液，从根本上解决了常规单液浆较好的塑流性与较高的早期强度之间的矛盾！同时具有较好的抗水分散性，能满足盾尾后方三维空间的有效充填，可实现盾构管片与地层有效接触，确保地层稳定与环境控制的目标，大比重浆液(厚浆)泵送情况如图7所示。

表3 大比重浆液质量配合比 (单位：kg)

表4 大比重浆液屈服强度随时间的变化

1.5 管片拼装技术

众所周知，由于管片接缝的存在，导致成型后的盾构法隧道纵向刚度相对较低，管片接缝的螺栓预紧力是控制接缝刚度与纵向稳定性的重要参数。管片接缝螺栓预紧力对管片接缝张开量、错台与踏步、螺栓孔处管片的碎裂与渗漏，以及管片衬砌的耐久性都有一定影响。

管片接缝的螺栓预紧力并不是越大越好，当管片脱出盾尾时，由于隧道平均密度(视密度)远小于浆液密度，因此液态浆液将导致盾尾后方一定范围内隧道出现上浮趋势，过大的螺栓预紧力可能会使螺栓屈服，导致接缝张开、渗漏加剧、管片碎裂，进而导致盾尾后方隧道纵向上浮趋势更加明显。

一般情况下，城市轨道交通盾构隧道管片螺栓拧紧力矩M的计算公式为

M=Pd(k1+k2+k3)

(9)

式中：P为螺栓轴向预紧力，kN；k1为螺母与支撑面间摩擦力矩系数；k2为螺旋副间摩擦力矩系数；k3为拧紧力矩用于产生螺栓轴向力相应力矩，N·m。

对于一般的城市轨道交通，管片螺栓最大强度等级为8.8级，相应的螺栓公称直径d=30 mm，k1=0.5，k2=0.4，k3=0.1，螺栓轴向预紧力P=359.04 kN，采用式(8)计算可得螺栓拧紧力矩M=1 292.54 M·(N·m)-1。扳手作用于螺栓的力矩为隧道内手动扳手或气动扳手施加的总力矩，通常取计算螺栓拧紧力矩的0.8倍作为实际应用的拧紧力矩控制值，即1 292.54×0.8=1 034.04 N·m。由计算结果可知，螺栓屈服条件下对应的最大拧紧力矩不足1 300 N·m，实际工程中，应严格控制最大值不超过1 034 N·m，避免拧紧力矩过大导致螺栓屈服，影响接缝密封效果与错台控制。

2 盾尾后方隧道上浮与隧道轴线控制技术

2.1 盾尾后方隧道上浮机理分析

根据文献[12]的研究成果可知，盾尾后方隧道上浮的根本原因是由于液态浆液包裹与竖向不平衡地层力所致，并且根据隧道上浮范围与影响程度，可以将上浮范围分成2个阶段，即盾尾空隙范围内的上浮与突破盾尾空隙影响隧道上覆土体稳定性的上浮，如图8所示。

图8 盾尾后方隧道(管片)上浮两阶段示意图

对于富水砂卵石土地层而言，由于地层胶结性差，大颗粒相对较多(最大粒径一般可达到50～60 cm)，因此理论上14 cm的盾尾三维环状空间，经常由于超挖与地层扰动，扩大至25～30 cm，再加上地层渗透系数较大、地下水压力较大，因此给盾尾后方隧道上浮提供了条件，经常导致盾尾后方隧道上浮超限、隧道轴线难以有效控制，因此第1阶段的上浮，是富水砂卵石土地层中隧道上浮的主要形式。

2.2 隧道上浮控制措施

针对高压富水砂卵石土地层的特性，为确保隧道成型质量、满足安全运营的限界要求，可主要从以下几方面控制盾尾后方管片的上浮。

1)盾尾后方隧道上浮机理与大比重浆液应用

从根本上抑制隧道上浮的措施是提高盾尾空隙内浆液的初始屈服强度，利用浆液的屈服强度抑制盾尾空隙范围内隧道的上浮。由于大比重浆液具有较高的初始屈服强度，较好的工作性能(流动性与抗水分散性)，因此建议考虑采用大比重浆液及时充填盾尾空隙，确保盾尾后方成型隧道与地层间的有效接触，利用大比重浆液的初始屈服强度抑制盾尾后方隧道上浮。

2)加强隧道纵向刚度

通过增大纵向连接螺栓等级、隧道内纵向槽钢联结(如图9所示)，以及适当减少甚至不用环缝传力衬垫等措施提高隧道纵向的整体刚度。

3)隔断隧道纵向水流通道、减小上浮力

从行车与节能角度出发，城市地铁隧道一般沿纵向呈“V”字形，当盾构沿下坡掘进且纵坡较大时，地下水将会聚集于开挖面附近，这将进一步加剧盾尾后方管片的上浮，因此可通过双液浆打“环箍”或设置“止水环”的方式，隔断纵向水流通道，减小盾尾后管片的上浮力。其中，“止水环”管片现场施工情况如图10所示。

图9 隧道内管片采用纵向槽钢联结

图10 “止水环”管片施工现场

4)严格控制切向分力

当盾构机沿着平曲线或竖曲线段掘进时，千斤顶反力在隧道曲线段切线方向的分力作用，将会导致盾尾管片出现向曲线外侧位移趋势。研究表明[13]：当竖向分力增加250 kN时，盾尾隧道上浮量增加15 mm(尤其是高压富水地层)。因此，实际工程中，需严格控制曲线外侧的千斤顶荷载，严格控制切向分力。

在实际工程中，当盾尾后方隧道上浮导致隧道轴线难以控制时，经常采用压低轴线掘进的方法进行处理，这不但违背了盾构法隧道沿设计轴线高精度推进的基本原理[13]，也加大了盾尾后方管片碎裂与渗漏的风险，因此应慎重采用！

3 盾构刀具检修与开仓技术

一般情况下，富水砂卵石地层中掘进时，当掘进长度超过500 m时，就需要考虑刀盘检修与刀具更换[14]，以保证盾构机顺利掘进，并保证周边环境风险的可控。

从工程风险、造价与工期方面综合考虑，一般以常压换刀方式为主，富水砂卵石地层条件下的常压换刀常采用降水结合地层加固(如素桩)的方法进行处理。然而，在临近河流或湖泊，或周边存在重大风险源时，降水效果难以保证或素桩无实施空间，常规方法实施存在较大的安全隐患，此时针对性地提出了塑性浆液“泥墙”(如衡盾泥)技术。该技术通过向土仓内注入衡盾泥，对渣土进行逐步置换，并在开挖面形成“泥墙”，实现常压换刀与刀盘检修。“泥墙”实施效果如图11所示。

图11 “泥墙”实施效果

塑性浆液可通过对无机物黏土改性得到，即通过塑化剂反应，形成一种高黏性泥浆。利用“泥墙”的保护，土仓内压力可保持在300 kPa左右，相应水头高度为30 m，完全可满足城市轨道交通盾构法隧道刀盘检修与刀具更换的需要，且具有较高的可靠性，应在实际工程中推广应用。

4 风险源处理与地层加固技术

对于富水砂卵石地层，常规的预注浆地层加固效果有限，难以满足重要构筑物的保护需求。因此提出了钢管隔离桩与袖阀管跟踪注浆技术。钢管隔离桩主要用于盾构隧道与重要构筑物有条件被有效隔离的情况，如图12和图13所示(袖阀管跟踪注浆用于盾构穿越老旧民房与大片密集村庄的情况)。

图12 盾构侧穿肖家河(中水管)钢管隔离桩设计方案

图13 盾构侧穿肖家河(中水管)钢管隔离桩实施现场

钢管隔离桩的工作机理是：利用钢管自身刚度与内部压注的微膨胀水泥砂浆加上内插型钢，在盾构隧道与被保护构筑物之间设置1排或多排(梅花形布置)，隔断盾构掘进地层扰动的传播途径，隔断附加应力传播路径，进而达到保护周边重要构筑物的目的。

钢管隔离桩与水平面的夹角可控制在45°～90°之间，考虑成孔扰动影响，尤其在大粒径卵石较多的情况下，与被保护构筑物最小净距应控制在3 m左右，钢管长度与平面布置应能满足隔离被保护构筑物的要求[15]。

在现场实际施工中，必须采取措施确保隔离桩成孔工艺，根据砂卵石粒径大、强度高的特点，根据现场实施情况，可考虑采用潜孔钻跟管钻进工艺，确保成孔角度与长度满足设计方案要求。

5 结论与建议

(1)富水砂卵石土地层中盾构总推力中盾壳摩阻力占了很大比重，可考虑采用中盾注浆(惰性浆液)的方法减小盾壳摩阻力，从而减小总推力，增加盾构掘进的灵敏度与可控性；同时应控制管片螺栓最大拧紧力矩，避免螺栓屈服，减小管片碎裂、接缝张开与渗漏风险。

(2)大比重浆液可确保盾尾空隙有效充填与盾尾后方隧道的纵向稳定性，螺旋排土—泥膜支护工法同时具有泥水盾构开挖面稳定与土压盾构排土简便的优点，实现真正意义上的保压掘进与微扰动施工控制，建议在实际工程中推广应用。

(3)富水砂卵石土地层中盾尾后方隧道上浮主要集中在盾尾空隙范围内，可综合考虑采用大比重浆液、增加隧道纵向刚度、隔断隧道纵向水流通道、严格控制切向分力等措施综合治理，压低隧道轴线掘进的方法不利于成型隧道质量控制，应慎重采用。

(4)塑性浆液可在开挖面形成“泥墙”，并使土仓内保持0.3 MPa左右的稳定压力，可基本满足盾构刀具更换的需要，建议在实际工程中推广应用。

(5)富水砂卵石地层中重要构筑物的保护，可考虑采用工艺灵活、效果可控的钢管隔离桩技术。