富水砂卵石地层EPB盾构衡盾泥辅助施工关键技术研究

谢铁军，吕 涛，杨果林，刘 欢，龙 彪

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 长沙 410004； 2.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

土压平衡盾构(EPB)作为一种快速的隧道施工机械，具有不受出渣限制，掘进速度快，维护方便，使用成本较低等优势[1]，被广泛应用于城市隧道及地下工程的建设。土压平衡盾构通过土舱内土压平衡掌子面水土压力，在进行带压换刀作业时需要前方土体形成稳定的泥膜保证工作面的气压平衡。以往的经验中，往往采用注入膨润土或水泥砂浆来置换盾构土舱内的土体[2]，以在刀盘前端位置处形成密实的泥浆护壁，保证施工人员安全。但是，在富水砂卵石地层中，由于其渗水和透气性较大，使用常规的膨润土泥浆往往难以保证泥膜气密性[3]，而使用水泥砂浆虽然能够满足前方土体稳定和气密性要求，但是其造价较高，且不利于换刀后盾构掘进[4]。

盾构在富水砂卵石地层掘进时，由于富水砂卵石地层的特殊性，掘进缓慢，易出现超挖现象，在管片与开挖面之间产生较大空隙，如若处理不当就会产生较大的地表沉降，从而对地面建(构)筑物产生影响。工程上通常采用地面预注浆加固技术和同步注浆的方法进行处置[5-10]。但是，在富水砂卵石地层中，由于其孔隙率较大、透水性强，同步注浆时易产生浆液渗流、串流等现象，注浆效果难以保证，从而导致管片脱出盾尾前同步注浆不密实，造成地面沉降；此外，在盾构隧道下穿城市密集建筑群时，地面超前注浆加固由于场地占用、环保施工等原因往往难以实施。

衡盾泥是一种高黏度的触变泥浆，具有良好的和易性和粘附性，在水中不易被稀释带走。主要用于带压开仓作业的泥膜护壁，掘进中地层水量较大时可控制喷涌，在复杂地层中掘进时，空间注入填充可调整盾构机姿态，控制地面沉降[11]。钟长平等[12]和竺维彬等[13]提出了衡盾泥带压开仓泥膜护壁工法及工艺，并将其用于实践，取得了良好的效果。马卉等[14]研究了衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果研究，首次提出了泥膜渗气系数的概念。张德文等[15]探讨了衡盾泥在富水岩溶地层带压开仓换刀中的应用，给出了在节理裂隙强烈发育、岩溶水补给异常丰富的地层中实现安全带压开仓、高效检查及更换盾构刀具的衡盾泥辅助盾构解决方案。郭广才[16]研究了衡盾泥成膜及闭气机理，量化压力分级及稳压时间等指标，确保衡盾泥辅助带压开仓闭气效果，实现了衡盾泥泥膜护壁工艺在海底塌陷地层带压开仓中的应用。综上所述，虽然衡盾泥已经逐步应用于国内盾构施工[17-18]，但是在富水砂卵石地层中的辅助土压平衡盾构带压换刀和掘进施工应用方面鲜见报道。

本文结合衡盾泥的基本特性，将其运用于长沙某电力隧道盾构区间富水砂卵石地层辅助带压进舱换刀及盾构下穿建筑群掘进施工。通过形成泥膜后土体气密性检测和盾构下穿时地表沉降监测的结果，充分验证了衡盾泥辅助施工在两种工况下的可行性，可供类似工程借鉴与参考。

1 工程概况

长沙某电力隧道盾构工程全长6 601.959 m，起讫里程为ZDK0+000—ZDK5+957.012，设置3个盾构工作井、7个电缆出线井。盾构机刀盘开挖直径为4 350 mm，盾尾外径为4 290 mm，管片外径为4 100 mm，内径为3 600 mm。盾构隧道分为南北两条单线隧道，其中在北线DK1+705—DK2+190施工段需要穿越富水砂卵石地层，区间隧道平面曲线半径最小半径为150 m。在富水砂卵石区间段盾构掘进施工中主要存在以下问题：

(1) 区间下穿卵石地层距离长，土体强度高，掘进过程中对刀具磨损较大，需要频繁更换刀具。同时，由于本工程沿线透水性地层与浏阳河二级阶地存在水力联系，河堤两侧地下水会受高水头影响而存在承压性，不具备常压开舱换刀的条件，只能进行带压换刀。

(2) 区间侧穿洪西小区民房，房屋比较密集，且各土层分布不均，民房基础均为浅基础，砖混结构，桩基础距离线路隧道边最小距离为14 m，盾构施工易对洪西小区民房造成影响，盾构掘进或停机易造成民房不均匀沉降或倾斜失稳。

(3) 由于富水砂卵石土层级配较差，且存在部分大直径卵石，盾构掘进过程中易产生超挖现象，地层损失较难控制；此外，富水砂卵石地层中同步注浆存在渗流、串流等问题，注浆效果难以保证。

2 衡盾泥辅助带压换刀施工

本文以盾构区间内富水砂卵石地层某次衡盾泥辅助带压开舱换刀过程为例，重点介绍衡盾泥辅助带压换刀施工要点、衡盾泥作用机理和实际工程效果。

该带压开仓换刀作业点在里程DK1+810处，处于万家丽北路西侧辅道及绿化带位置，东侧毗邻万家丽高架桥，西侧为洪西小区民房，小区距离电力隧道净距为12.82 m～12.89 m(见图1)。

图1 隧道与洪西小区民房位置关系图

2.1 施工要点

(1) 盾尾后部止水。带压进仓前采用管片背后二次注浆和盾体径向注浆组合的方式对盾尾后部进行封堵止水。倒数第5环、10环、15环、20环、25环进行系统双液注浆。注浆压力为0.2 MPa～0.4 MPa，每环的压浆量一般为1 m3～2 m3，实际注浆量根据注浆压力进行了微调。区间二次注浆采用水泥浆、水玻璃双液浆进行,水泥浆采用P.C42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃采用35Be′(波美度)的浓度,水泥浆浆液水灰比为1∶1；水泥浆与水玻璃的配比(体积比)为1∶1。

(2) 拌制衡盾泥。衡盾泥A液采用洞外拌和方式，通过地面高速剪切泵将衡盾泥A组分和水进行循环搅拌(见图2)，搅拌时间大于10 min。衡盾泥A液通过电瓶车砂浆车运输至洞内，衡盾泥A液和B液的混合采取洞内拌合方式(见图3)。

图2 A液洞外搅拌装置

图3 A、B液洞内混合

根据衡盾泥基本物理力学测试及现场试验确定各组分配比，试验结果表明在A料∶水=1.0∶1.5(浆体)，B料∶水=1.0∶1.0，A混合液∶B混合液=15∶1情况下衡盾泥具有较好的工作性能，满足现场盾构机注浆及富水砂卵石地层的适应性要求。

(3) 衡盾泥-渣土置换

① 置换渣土前，通过打开吊装孔，对脱出盾尾3～7环管片壁后注入双液浆施做止水环进行止水。通过前盾、中盾位置径向孔向盾体外侧注入衡盾泥，对盾体进行包裹，并将注浆压力保持在2.0 bar～3.0 bar。

② 开始置换渣土时，用螺旋输送机从土舱的底部排渣，同时启动手动加气注入系统，保证土舱内压力稳定。土舱内的渣土排出1/3～2/3后，立即停止螺旋输送机排渣，通过膨润土系统向土舱注入衡盾泥，并逐步关闭手动加气，等到衡盾泥充满土舱体积2/3后开始保压，注入过程中亦应保证仓内压力基本稳定。

③ 置换完成后，加压过程中缩回铰接和千斤顶使盾构机回退刀盘5 cm左右，在确保压力稳定的情况下，边后退边注入衡盾泥，以便于更换刀具及在刀盘与掌子面之间建立5 cm左右的泥膜。土舱压力控制在2.5 bar～3.0 bar，使衡盾泥充分注入刀盘周围地层，形成气压保护膜。

(4) 分级加压。为了使衡盾泥能更加有效的填充渗透，在浆气置换前还需要进行衡盾泥梯级加压。具体方法为：衡盾泥压入从2.0 bar压至2.8 bar，共分四个梯次压入，每个梯次的压力为0.2 bar，每个梯级共两个小时的动态稳压，过程中可以低速转动(0.1 r/min～0.5 r/min，转半圈)，以保证注入和渗透的均匀性。当注入压力达到2.8 bar梯级的时候，进行12 h的动态保压(2.8 bar)注入。

(5) 浆气置换。衡盾泥梯级加压并形成泥膜后，需要对土舱进行浆气置换，用空气置换出土舱衡盾泥，开启螺旋机将衡盾泥排出，降低土舱仓位高度，提供换刀作业面，并利用气压保证泥膜及掌子面稳定。

加气排土阶段，以0.2 bar为一个压力阶梯压力，每个下降阶梯须稳压2 h，波动控制在±0.1 bar左右，到达开仓压力后，需稳压6 h。启动加气系统后，立即通过仓室的排浆口(球形阀)或螺旋输送机的排渣口排除衡盾泥(排土时控制不能转动刀盘，防止螺旋机出土时，产生负压，破坏衡盾泥泥膜的整体性)，并保持仓室内压力恒定。

2.2 衡盾泥作用机理

在进行带压换刀作业时，需要前方土体形成稳定的泥膜保证工作面的气压平衡。在向富水砂卵石中注入一定压力衡盾泥后，一方面由于衡盾泥是一种高触变泥浆，具有较好的和易性，注入的衡盾泥会将砂卵石土中受有效应力较小的细颗粒沿着渗流管路迁移，并在掌子面后聚集形成有较多细颗粒的低孔隙率砂卵石土层截面；另一方面，由于衡盾泥具有较强的粘附性，注入的衡盾泥不仅填充土颗粒间的孔隙，同时会在土颗粒表面形成一层稳定的衡盾泥膜，当其受到外界气压或者水压力作用时，可通过衡盾泥与土体颗粒间的粘附力有效抵消外界压力，在掌子面上形成了一个稳定的气压保护膜。

2.3 工程效果评价

泥膜的形成效果通过测试土体的气密性进行检测判定。在衡盾泥渣土置换完成形成泥膜之后，根据舱内气体压力损失量进行衡量。本实例中，在土舱压力为2.5 bar～3.0 bar时，2 h舱内气体压力损失小于0.05 bar，表明泥膜气密性合格，泥膜效果良好。

浆气置换步骤完成后即可进仓进行刀具更换，其余步骤本文不做详述，完整的衡盾泥辅助带压换刀施工流程可参见图4。

3 衡盾泥辅助盾构下穿敏感建筑施工沉降控制

本项目盾构隧道区间在DK1+705—DK1+772、DK1+881—DK2+010、DK2+130—DK2+180下穿洪西小区民房,盾构施工时对区间地表沉降控制、沿线建(构)筑物及管线的保护是本工程的重点，也是衡量工程建设质量的重要标准。按照设计图纸，该下穿位置采用袖阀管注浆技术对土体进行预加固，洪西小区民房紧邻甚至部分位于加固范围内，但是受地面交通疏解和施工场地条件限制，原设计采用的袖阀管注浆方案难以实施，因此考虑采用衡盾泥辅助盾构实现地表沉降控制。

图4 衡盾泥辅助带压进仓换刀流程图

为了充分说明衡盾泥辅助盾构方案相对于袖阀管注浆加固方案的优越性，表1从技术方案、施工时间、施工设备、环保施工、场地协调、沉降控制效果以及经济性等方面对地面注浆加固和衡盾泥辅助盾构进行了综合比较。从表1可以看出，衡盾泥辅助盾构方案在各方面均优于地面注浆加固方案，特别是在工程预算上由于衡盾泥辅助盾构方案不考虑临时占地、协调封闭门面及房屋、管线改线等相关费用，能够显著降低工程费用，节约资金。

表1 盾构侧穿洪西小区注浆加固及衡盾泥方案的优缺点比选表

3.1 施工方法

盾构掘进进入洪西小区民房提前十环开始，通过从盾构机中盾位置的径向孔处同步注入衡盾泥，及时填充盾构施工过程中由于刀盘超挖造成的盾体与土体之间的空隙，具体施工中要根据盾构机正上方地面的沉降量及时调整。衡盾泥的注入点在中午11点到下午1点钟位置。衡盾泥注入后，会对盾体与土体间的超挖间隙进行填充，同时在一定注浆压力下向四周的土层中渗透一部分衡盾泥，形成泥膜，有效的控制同步注浆和二次注浆的浆液向富水砂卵石地层中渗透，确保注浆效果。

3.2 辅助施工监测与评价

(1) 监测方案。盾构富水砂卵石地层掘进过程中，需要对地表沉降进行实时监测，区间地表测点埋设以隧道中心线正上方地表线为基准线 根据区间情况，在轴线走向上按正常区域10 m布置1点，同时每50 m布置1条监测断面，每断面为13个点(部分断面由于周围环境较为复杂，点位无法全部监测)，在轴线左右两侧分别设点，断面测点间距为距离轴线3 m、8 m、13 m、18 m、23 m、28 m，对同一横截面上的监测点位进行编号，其中07号监测点位为隧道中心线正上方地表处，01号和13号监测点位分别位于距离轴线左右28 m处，其他点位依次类推。

(2) 监测结果及评价。为了分析盾构隧道掘进过程中地表沉降在空间上和时间上的特征，随机选取四个不同的横截面分析其空间分布(见图5)，同时选定某一横截面上的三个监测点分析其随时间变化的特征(见图6)。从图5、图6可以看出，横截面上的沉降大致呈V形分布，即中间沉降较大、两边沉降较小；随着时间的推移，地表沉降会逐渐趋于稳定，隧道顶部中线附近沉降最大。由此可以判断，07号监测点及其附近点位为地表沉降敏感点，通过对其进行沉降监测可以较好的反映出盾构隧道掘进过程中对地表的影响。

图5 不同横截面地表沉降数据

图6 同一横截面地表沉降随时间变化曲线

在富水砂卵石地层掘进区间内，分别对使用衡盾泥辅助盾构和未使用衡盾泥辅助盾构施工的两个横截面上的07号监测点进行了沉降数据的对比分析，结果如图7所示。从图7中可以看出，常规盾构(未使用衡盾泥)在富水砂卵石区间掘进时，在掘进后1 d～6 d的时间内地表沉降呈现出急剧增加的趋势，之后达到相对平稳阶段，且沉降量最大值为25 mm，远超限定值(8 mm)；使用衡盾泥辅助盾构掘进后，沉降曲线在监测周期内表现平稳，未出现急剧增加的趋势，累计地表沉降最大值为6 mm，小于8 mm。由此可见，通过衡盾泥辅助盾构可以有效控制富水砂卵石区段掘进时的地表沉降，减小对周围敏感建筑的影响。

图7 衡盾泥辅助盾构与常规盾构地表沉降曲线

4 结 论

(1) 本文结合长沙某电力盾构隧道项目，在衡盾泥辅助带压进仓换刀施工过程中实现了较好的保压止水效果，形成泥膜后2 h仓内气体压力波动值低于0.05 bar，为之后的进仓作业打好了良好基础。

(2) 在富水砂卵石地层盾构掘进施工中，相比于常规盾构掘进，衡盾泥辅助盾构掘进能够显著降低地表沉降，将地表沉降控制在8 mm以内，达到了地表沉降控制目标。说明衡盾泥在注入地层后可以有效填充富水砂卵石地层中的间隙，防止出现过大沉降变形。

(3) 相较于传统的施工工艺，衡盾泥辅助盾构施工具有工艺简单、成本较低、安全有效、对周围环境影响较小等诸多优势，建议在土压平衡盾构施工中广泛推广应用。