泥水盾构砂土液化地层掘进姿态控制技术研究

郭永顺

（广州地铁集团建设事业总部 广州 510308）

1 工程概况

广州市轨道交通八号线北延段工程（文化公园-白云湖区间），白云湖车辆段出入段线区间，入段线全长685.004 m，出段线全长623.800 m。隧道最大下坡2.476%，最大上坡3.4%，平面曲线半径为270 m，250 m。本区间采用开挖直径为6.28 m 的直接式泥水平衡盾构机，管片外径6.0 m，内径5.4 m，管片环宽1.2 m，楔形量41 mm 管片。

1.1 工程地质

本区间主要穿越地层为〈4N-1〉粉质粘土（流塑）、〈4N-2〉粉质粘土（可塑-软塑）、〈4-2B〉淤泥质土、〈3-1〉粉细砂、〈3-2〉中粗砂、〈9C-2〉灰岩。根据地质勘查结果本区间〈3-1〉层在震动作用下产生局部液化［1］。

1.2 水文地质

隧道区间的地下水按赋存方式划分为第四系松散孔隙水和岩溶裂隙水2 种类型，勘查时混合稳定水文埋深在0.90～2.90 m，水文标高4.98～6.96 m。

2 砂土液化地层盾构掘进垂直姿态分析

2.1 砂土液化地层掘进盾构垂直姿态趋势

入段线掘进完成89 环后，从第90 环开始掘进过程中盾构机垂直姿态出现“下沉”情况。后续掘进过程中盾构机下沉的趋势越来越明显。本段掘进过程中水平处于270 m 右转圆曲线，垂直处以0.85%下坡。入段线掘进92～98 环垂直姿态变化如表1所示。

表1 入段线92～98环掘进垂直姿态变化Tab.1 Variation of Vertical Attitude of Entry Line 92～98 Ring Tunneling

2.2 砂土液化地层掘进垂直姿态下沉原因

根据表1对比分析，泥水盾构掘进遇到底部为砂土液化地层时，每环垂直姿态下沉趋势将逐渐增大，由开始的每环下沉5 mm 至掘进完成97 环时盾体下沉达17 mm。砂土液化地层盾构掘进盾体下沉的原因主要为：盾构机垂直姿态下沉段底部为〈3-1〉粉细砂层，其颗粒级配单一且疏松饱和，在盾构掘进过程中产生的振动作用下有粉细砂颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉细砂的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力时有效应力降到0，颗粒悬浮在水中，砂土即发生液化［2］。盾体失去了有效支撑，在掘进过程中产生下沉趋势且趋势越来越明显。盾构姿态整体下沉段入段线地质剖面如图1所示。

图1 盾构机姿态整体下沉段地质剖面图Fig.1 Geological Profile of Shield Machine Attitude Integral Subsidence Section

2.3 砂土液化地层垂直姿态下沉造成影响

根据表1及图1对比分析，砂土液化地层掘进过程中盾构机垂直姿态整体每环下沉量都将逐渐变大，若不能采取有效措施进行姿态控制，将造成以下后果：

⑴盾构机姿态趋势将比管片拼装趋势大，造成盾尾间隙变小，产生后续管片拼装困难及掘进过程中管片与盾尾刷相互挤压，造成管片的错台、渗漏水和破损等质量事故［3］及盾尾漏浆、漏砂的潜在安全风险。

⑵如果不采取有效措施进行控制，盾构继续掘进，则盾构机下沉趋势将继续加大，导致盾构姿态超限，将造成管片成型姿态也超限［4］的情况。

⑶由于盾体整体下沉，导致盾体与开挖土体之间上部的空隙增大，如果盾体上方为软弱地层，容易造成上方土体下沉造成地表的沉降［5］。

3 砂土液化地层掘进垂直姿态控制措施

盾构掘进过程中盾体整体下沉，是由于隧道底部的粉细砂层在盾构掘进过程中液化导致。因此首先需要及时对隧道底部的液化部位进行填充，为盾体提供有效支撑，然后通过参数的控制逐步进行姿态调整。

3.1 盾体底部填充惰性浆液

3.1.1 惰性浆液的性能指标

盾体底部填充的惰性浆液［6］要具备以下基本性能要求：

⑴具有良好的长期稳定及流动性，以适应盾构施工以及远距离输送的要求；

⑵良好的充填性能，及时填充至盾体与开挖轮廓之间的间隙；

⑶耐久性和抗渗性较好，在地下水环境中，不易产生稀释现象；

⑷原料来源丰富，经济，施工管理方便；

⑸浆液无毒性，对环境无污染。

根据上述惰性浆液性能要求，结合现场实际情况进行惰性浆液的配比试验。最后配比成的惰性浆液性能指标为：比重＞1.8 g/cm3，塌落度 18～20 cm。浆液的配合比为：每m3的石灰、粉煤灰、膨润土、砂、水用量分别为 54、400、67、800、350 kg。惰性浆液配比试验结果如图2所示。

图2 惰性浆液配比试验结果Fig.2 Test Results of Inert Slurry Ratio

3.1.2 惰性浆液的运输及注入

根据现场试验配比利用同步砂浆站进行惰性浆液拌制，拌制完成后抽样进行检测，合格后抽至隧道电瓶车砂浆罐运输至盾构机内部。然后对同步注浆系统进行改造，确保盾构掘进过程中盾尾注浆满足要求的前提下，保证有1 路管路可以进行盾体底部中盾6点位注入惰性浆液。惰性浆液注入点位如图3所示。

图3 惰性浆液注入点位图Fig.3 Bitmap of Inert Slurry Injection Point

3.1.3 惰性浆液注入方量控制

砂土液化地层掘进过程中，惰性浆液注入方量需要结合理论计算及盾构机实际姿态变化趋势进行调整。其惰性浆液理论注入量计算如下：

式中：S1为盾体下沉后中盾断面面积；S2为中盾断面面积；L 为盾体长度，取8.19 m。中盾直径为6.24 m，盾体每环按30 mm 下沉量进行计算。

结合式⑴可得：砂土液化地层中掘进过程中每环理论注浆量V=2.4 m3。

因此在98 环掘进过程中同时开启中盾底部惰性浆液注入，注入方量为每环3.0 m3。后续注入量根据每环姿态变化趋势及时调整。

3.2 参数控制

3.2.1 掘进参数控制

砂土液化地层中为了减少刀盘切削对掌子面的扰动，掘进过程中刀盘转速控制在0.8 r/min，掘进速度控制在30～40 mm/min。同时同步千斤顶上下压差控制在120～160 bar，且顶部分区压力不能低于40 bar，防止上部区压过小造成管片错台、破损、渗漏水等质量事故。

本区间泥水平衡盾构机采用主动铰接［7］，铰接转向最大角度（垂直/水平）1.7°。为了保护设备，本段垂直方向角度控制在0.8°，水平方向角度控制在0.4°，上下铰接行程差控制在80 mm，及左右铰接行程差控制在40 mm。

3.2.2 环流参数控制

砂土液化地层掘进进浆流量满足携渣要求的情况下控制在320～350 m3/h，避免流量过大对掌子面造成的冲刷。掘进过程中发现管路不畅时及时旁通，必要时清理采石箱。

3.2.3 泥浆参数控制

泥水盾构掘进泥膜质量是保证开挖面稳定的前提条件［8］。本段掘进过程中泥浆参数［9］控制在：比重 1.15～1.25 g/ml，粘度 22～25 s，pH 值 7～10。掘进过程中加强泥浆参数检测频率，及时进行制调浆。

3.3 注浆控制

3.3.1 同步注浆控制

本段地层掘进过程由于底部粉细砂层液化，会出现超挖情况，同时为了防止管片脱出盾尾后出现再次下沉情况。因此液化粉细砂段掘进过程中必须加大同步注浆量及质量控制［10］，理论计算每环注浆量为3.2 m3，实际填充系数提高至2.2 倍，确保每环注浆量控制在7 m3，凝固时间控制在4 h。

同步注浆要求，掘进过程中均匀注入，没有砂浆严禁掘进，确保管片脱出盾尾后空隙及时填充。由于下部为粉细砂的液化地层因此注浆方量按照上下1.5∶2.0 的比例注入。

3.3.2 二次注浆

由于盾体下沉导致盾构机姿态超限，管片成型姿态也出现超限，因此需要在成型管片进行二次注浆［11］稳固。注浆采用水泥、水玻璃溶液，其中水玻璃和水的体积比为1∶1，水泥和水的质量比为1∶1，初凝时间控制在35 s，注浆压力控制在0.35 MPa。注浆点位为成型管片现底部5、7 点位交替进行注浆，依次往上注浆。二次注浆如图4所示。

图4 管片部位5、7点位注浆Fig.4 Grouting 5 and 7 Point at Segment Position

3.3.3 盾尾油脂的压注

为避免管片相对盾尾发生位移，造成盾尾漏砂、漏水，造成安全事故，在掘进过程中需加强盾尾油脂压注监测，出现异常情况，需立即处理。

二次注浆要求：注浆前调整好初凝时间，注浆过程中加强注浆压力控制，专人控管。注浆停止的标准为注浆压力达到设定值，或注浆过程中管片出现裂纹、错台、漏水、漏砂。二次注浆时需复测成型隧道轴线，注浆压力可适当提高至0.40 MPa，不超过0.5 MPa。

4 砂土液化地层掘进垂直姿态纠偏效果

自99 环开始调整掘进参数，加强过程控制，盾构机垂直姿态下沉趋势逐渐得到控制，并逐步纠偏至正常水平。其自99～106 环盾构机垂直姿态变化如表2所示。

表2 入段线砂土液化地层垂直姿态纠偏效果Tab.2 Effect of Vertical Attitude Rectification on Sand Liquefaction Stratum of Inlet Line

根据表2综合分析，泥水盾构掘进过程中遇到砂土液化地层时，采取上述的控制措施后盾构机前点上抬趋势明显，中点和后点下沉趋势逐渐减小后上抬明显。盾构机垂直姿态纠偏［12］至设定值后姿态趋于平稳。

5 结束语

本段砂土液化地层掘进盾构机垂直姿态整体下沉后采取的控制措施效果明显，后续可用于其他软弱地层盾构掘进垂直姿态调整及成型隧道轴线有效控制。对于液化地层，若在地面施工许可情况下，建议提前加固地层；若无条件提前加固，在盾构机通过后，应在隧道内进行注浆加固稳定隧道，确保日后运营中隧道的稳定、安全。