富水砂卵石地层长时间降水段大直径盾构施工技术

2020-01-13夏洪波

国防交通工程与技术 2020年1期

夏洪波

(1.中国交建总承包经营分公司，北京 100088；2.中交机电工程局有限公司，北京 100088)

1 工程概况及难点分析

1.1 工程概况

成都轨道交通17号线一期工程项目范围为金星站(含)～机投桥站(含)，线路全长约26.140 km，设计速度目标值140 km/h。明九区间2#中间风井～九江北站盾构区间左线长2 180.048 m，右线长2 285.11 m，2台土压平衡式盾构由明九区间的2#中间风井始发，九江北站接收。左线第809～1 438环和右线第800～1 517环隧道之间为947 m的明挖区间，明挖区间小里程端接五桐庙停车场出入场线隧道，设盾构吊出井，大里程端接九江北站，17号线正线左右隧道与明挖区间平行设置，见图1所示。

图1 正线隧道盾构区间与明挖区间平面位置关系

明挖区间采用坑外降水明挖顺作法施工，17号线正线盾构隧道掘进至790环(1 185 m)时进入明挖基坑降水影响区域，明挖降水段隧道埋深为9.1～25.4 m，处于10.8‰上坡段，左线盾构隧道外边线距明挖区间主体结构7.7 m，右线盾构隧道外边线距离明挖区间主体结构6.6 m。

盾构机采用中交天和设计生产的土压平衡式盾构机，型号为∅8 580 mm，设计推力76 000 kN，最大扭矩29 189 kN·m，主驱动功率29 189 kN·m，开挖直径8.634 m；管片外径8.3 m，管片内径7.5 m，管片宽度1.5 m。

1.2 明挖降水段地质情况

1.2.1 原地质情况

通过地勘报告及明挖基坑开挖情况察看，此段地层从上到下依次为1.2～5.3 m厚的人工填筑杂填土、0.5～2.8 m厚的粉质黏土、0.7～3.0 m厚的层状或透镜状沙土，底层为卵石土，稍密～密实，卵石含量占55%～70%及70%以上不等，粒径一般为2～15 cm，其余为细、中砂充填，渗透系数最大可达30 m/d以上。

1.2.2 降水及降水后地质情况

明挖基坑于2017年6月开始降水施工，至2018年12月主体结构封顶经历长达17个月降水。降水过程中，地层中填充的部分砂砾细小颗粒被降水井抽排带走，降水过程前期沉砂池砂量较高，后期砂量减少，沉砂情况及降水后明挖基坑地质情况如图2所示。

2018年12月进行专项补勘，补勘结果表明地层上部人工杂填土无变化，中间细颗粒含量减小，砂卵石含量约75%，渗透系数最大可达35 m/d以上，卵石含量及渗透系数较降水前有所增大。

图2 明挖区间抽砂及降水后地质情况

1.2.3 明挖降水段水位情况

明挖段小里程为五桐庙出入场线盾构区间接收端，见图1，端头降水井保持降水，其余已完成主体结构顶板土方回填的区段，停止降水。2019年3月，实测明挖降水段左右线地下水位约为地下15.5 m。

1.3 盾构隧道施工难点分析

成都砂卵石地层具有卵石磨圆度好、含量高、分选性差、密实性差、均匀性差、抗压强度高、渗透系数大、透水性强、富水性良好等特点，导致自稳能力差，隧道施工时容易造成塌方。

明挖降水段经过长时间降水过后，土体呈现松散、无粘结和大小不均匀的颗粒状，颗粒之间粘聚力降低、孔隙变大；明挖段掘进过程中实测水位约为地下15.5 m，掌子面处于富水地层和临近富水地层，在盾构掘进的扰动中，容易打破土体的受力平衡，使掌子面或扰动面产生不稳定，造成局部土体坍塌或地表沉降。

此外，成都地铁17号线一期工程地铁设计时速140 km/h，盾构机采用开挖直径8.634 m的土压平衡式盾构机，是大直径盾构在成都砂卵石地层的首次应用，缺乏可直接参考的施工经验。

综上所述，此隧道施工面临高富水、大卵石、大直径盾构、长时间长距离降水段、稳定性差等特点，每一项都是隧道施工的难点[1-3]。多项难点的耦合，加剧了隧道盾构施工的难度，需要行之有效的施工方案和关键技术保障，才能保证隧道盾构施工的安全。

2 隧道盾构施工关键技术

2.1 明挖降水段预加固

2.1.1 地表注浆加固

为了对隧道盾构施工进行预加固，在降水段盾构掘进正上方，左线从第809环至1 438环、右线从第800环至1 517环进行加固。注浆孔按照间距2.8 m×2.8 m布置，深度从隧道中心线以上至中间砂卵石范围，如图3所示。地表注浆采用袖阀管，初始注浆压力为0.3 MPa，稳压后为1.0 MPa，浆液采用水灰比为1∶1的水泥浆液。

图3 预加固示意图

以单孔设计注浆量和注浆压力作为注浆结束标准，其中应以单孔注浆量控制为主，注浆压力控制为辅。本工程在具体实施过程中，每孔注浆量控制在3 m3，注浆预加固应在盾构到达之前2～3个月实施。注浆完成后进行钻孔取芯，取芯状况见图4，隧道中心线以上至中间砂卵石范围加固效果较好。

图4 明挖降水段加固后取芯

2.1.2 预留跟踪注浆管

在盾构施工上方，按照5 m间距提前进行管线探挖，设跟踪注浆孔。在盾构掘进过程中，根据盾构掘进参数及监测数据对地层进行实时补浆加固处理，用以防止滞后沉降塌陷[4]。

2.2 盾构掘进控制技术

2.2.1 盾构渣土改良

渣土改良是盾构施工的核心[5]。做好渣土改良，保证渣土具有良好的流塑性。避免渣土滞排，造成螺旋机被卡；同时若渣土改良控制不佳，易造成渣温较高、刀盘结饼、掘进参数恶化、盾构掘进超方，引起地表沉降。

选用质量较好的钠基膨润土，并掺入适量的泡沫进行降水段渣土改良。采用的膨润土应经过充分膨化，膨润土泥浆配比为钠基膨润土∶水=1∶6，膨润土粘度应超过40 s，改良后渣土坍落度控制在15～20 cm之间。每环掘进膨润土掺入量为4～5 m3，每环管片需要掺入泡沫3～4 m3，掘进一环管片出土体积约为105 m3。

2.2.2 盾构掘进参数控制

盾构参数设定是盾构施工的关键技术。土压力值根据埋深及土层情况计算，压力波动控制在±0.02 MPa。土压力P值与地层土压力和静水压力相平衡，设地层静水压力与土压力之和为P0，P0=γ·h(γ为土体的平均重度，根据计算取加权重度21.5 kN/m3，h为计算位置至地表的垂直距离)，则P=K·P0，K为土的侧向静止土压力系数，穿越卵石土地层取0.3；上部土仓土压P′=P±0.02 MPa。

根据成都盾构施工特点和经验，本工程的盾构掘进参数设置为推力2 000～2 500 t；扭矩800～1 200 t·m；上部土仓压力0.8～1.4 bar；注浆压力0.2～0.4 MPa；出土量105～106 m3；每环注浆量12 m3；掘进速度40～50 mm·min-1，在掘进过程中根据地表监测数据，动态选择最佳参数。在实际掘进过程中，降水段较非降水段无明显差异。

2.3 同步注浆及二次注浆管控

做好同步注浆及二次注浆，减小管片脱离盾尾间隙扰动和注浆不饱满引发的地表沉降，进入明挖降水段后二次补浆提至管片脱出盾尾2～5环即对管片后的建筑孔隙进行二次注浆。

每立方米同步浆液配比为水泥230 kg，膨润土(钙基)100 kg，粉煤灰310 kg，砂700 kg，水400 kg。管片背后间隙体积为6.7 m3。根据成都卵石地层盾构施工特点和经验，为保证管片背后间隙填充密实，明挖降水段地层扩大系数取值1.5～2.0，每环注浆量12 m3，并同时保证注浆压力为0.2～0.4 MPa，二次补浆压力为0.4 MPa。

2.4 盾构姿态管控

严格控制盾构纠偏量，避免纠偏过急增加对地层的扰动，引起地表沉降。盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾构机进入明挖降水段之前，将盾构机调整到良好的姿态，并且保持良好姿态穿越明挖降水段。在盾构穿越的过程中尽可能匀速推进，速度不得低于40 mm/min，盾构姿态变化不可过大、过频，控制每环纠偏量不大于5 mm(平面和高程)，控制盾构变坡不大于1‰，以减少盾构施工对地层的扰动影响。

2.5 管片拼装质量管控

及时对管片螺栓进行复紧，保证良好的成型管片姿态。管片安装时从隧道底部开始，然后依次安装邻接块，最后安装封顶块。每安装一块管片，立即插入管片纵环向连接螺栓并紧固。整环管片全部安装完后，用风动扳手紧固所有螺栓，同时紧固所有注浆孔封堵塞。完成上述工作后，盾构才可进入下一环的掘进。下一环管片盾构实际油缸行程掘进至750 mm以及1 500 mm时，对临近的两环管片再次进行复紧，保证管片在脱出盾尾后螺杆不松动，后续施工过程中应及时检查管片螺栓的松紧度，对管片环、纵向松紧度不足的螺栓进行复紧。