盾构穿越富水泥质粉砂岩地层变形沉降控制技术

冯敏捷，宋德文

1.中铁二局集团有限公司，四川 成都 610031 2.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510300

对复杂的泥质粉砂岩地层，采用无仓压模式掘进施工，会出现渣土含水高、地面沉降大、同步注浆质量差的问题，管片在脱离盾构机后上浮超限，管片背后注浆开孔更是出现带压水喷涌。

为解决上述问题，通过对广州地铁8号线北延段某区间掘进参数的分析和研究，决定采用气压辅助模式掘进施工，同时采取同步注浆质量控制、超前二次注浆及跟踪注浆技术、专项组织管理等措施，减少盾体周边地层内地下水损失和后方来水，防止喷涌，有利于控制变形沉降、管片上浮，也保证了成型隧道质量。

1 工程概况

广州地铁8号线北延段某区间下穿大量中低层老旧建筑密集区、学校、商场、主干道及重要管线，区间左右线隧道呈“S”形，最小曲线半径为400m。纵坡呈“V”坡，最大坡度为28‰。隧道覆土深度区间为18.6～24.6m，线间距为11.5～17.2m，主要穿越的地层为泥质粉砂岩。

盾构机采用中铁装备生产复合式土压平衡盾构机，四辐条面板式复合刀盘直径为φ6280mm，开口率为35%。

隧道范围自上至下为杂填土、淤泥层、粉质黏土层、泥质粉砂岩层，洞身范围为强、中、微风化泥质粉砂岩。隧道上方存在较厚的淤泥层，含水量在75%左右，呈流塑状，饱和淤泥层失水沉降敏感。强风化带组织结构部分破坏，为极软岩，遇水软化失水沉降敏感。中风化带风化裂隙较发育，泥质胶结，为软岩，较破碎。微风化带风化裂隙较发育，岩芯呈短柱状或长柱状，表面光滑，厚层状构造，泥质胶结。地下水以基岩裂隙水为主，具承压性，水头埋深为1.2～3.4m，根据掘进情况及成型管片渗漏情况判断该段地层地下水含量丰富。

2 施工中遇到的问题

2.1 沉降变形

该区间在掘进施工初期以常规的全断面岩层掘进模式进行施工，采取无仓压模式掘进，前期施工正常；穿越广州市交通技工学校、市教育印刷厂等建筑物后，出现区域性整体沉降。

由地面建筑物监测数据可知，沉降突变有两个时间段：2018年12月21日—2019年1月1日，右线盾构机从建筑物25m外到穿越建筑物的过程；2019年1月16日—2019年1月20日，左线盾构机位于学校内时采取常压换刀方案的过程。其余时间均是缓慢均匀沉降，累计沉降较大的监测点A72、A721位于192环附近，此处隧道穿越岩层为中风化、微风化泥质粉砂岩；A56～A58位于隧道东侧，距右线最近距离为23.3m；A51位于隧道东侧，距右线最近距离为38.3m。

以广州市交通学校为中心，出现省华大物流公司、市教育印刷厂、小梅里社区等区域性变形沉降及房屋开裂。

2.2 管片上浮

经现场统计，陈家祠站—彩虹桥站区间右线隧道统计279环，其中59环管片破损，破损率为21%，18环管片错台大于20mm；左线隧道统计193环，其中33环管片破损，破损率为17%，10环管片错台大于20mm。

根据右线150～210环上浮量数据，管片脱出盾尾普遍存在上浮现象，管片脱出盾尾后的最大上浮量达到110mm。

3 原因分析

3.1 水文地质

（1）根据地质勘察报告，双线区间均位于全断面岩层中掘进，顶部岩层较厚（大于4.2m）、自稳性较好，未出现多出渣土，因此沉降非地层扰动或者塌方造成，建筑物不会存在坍塌危险。

（2）沉降区域位于强风化泥质粉砂岩凹槽和隧道最低点附近，强风化泥质粉砂岩透水性较强（1m/d），凹槽形成一个较强透水能力的汇水带，掘进过程中上方潜水通过凹槽汇聚于开挖面及管片背后。

（3）沉降区域存在较厚淤泥层（4.6～9.85m），该地层含水量高（达到76.5%）、孔隙比值大（达到2.033）、压缩系数大（高压缩性），呈流塑状，饱和淤泥层失水沉降敏感。根据现场观察及统计，该区间右线在掘进172～279环时土仓大量来水，每环来水2～4m3，加上成型管片渗漏水较多，地层失水严重。

3.2 掘进参数控制

该区间沉降较大的区段在150～195环，施工参数如下：总推力为850～1260t，推进速度为1～5.8cm/min，刀盘转速为1.5～1.7r/min，土仓压力为0.06～0.13MPa，刀盘扭矩为2100～2652kN·m，同步注浆量为6～7m3，出土量为56～60m3。施工期间掘进参数易出现波动，土仓压力普遍较低且呈下降趋势，推力及扭矩较大呈上升趋势，推进速度变化较大呈下降趋势。

掘进过程中土仓压力较低，开挖面水土压力失衡，导致地下水位下降，淤泥层失水收缩，导致整体沉降（交通技工学校、印刷厂、华大物流等）。

3.3 管片背后填充

经计算，管片脱离盾尾后在水中的浮力F浮1=42.39t，管片自重G自=20.90t，在密度为1.6g/cm3的同步注浆浆液里浮力F浮2=67.82t。未接长轨道时，不计后配套拖车重力，即便同步注浆浆液未注饱满，在上半部还是水的情况下，浮力也远大于管片自身重力。

泥质粉砂岩地层由于自稳能力强、完整性好，能很好地控制自身沉降，使管片有足够的上浮空间。同步注浆砂浆的固结时长为6～8h，使得管片有充足的工后上浮变形时间。再者，下坡段浆液在自重下跟随盾构机掘进流动，顶部存在一定的空洞情况，管片上浮约束减少。

掘进过程中多次出现后方来水较大的情况，且在管片开孔注浆时常出现注浆孔涌出带压清水的情况，可见管片背后同步注浆、二次注浆填充及止水环施作的效果不佳。此段接近区间最低点，管片背后填充不密实形成汇水通道，后方来水汇聚、冲刷，也会影响注浆效果。

4 关键控制技术及措施

4.1 专项施工组织措施

针对该区间复杂的地质情况及周边环境、高风险下穿建（构）筑物施工，编制专项施工组织措施并严格管理，确保风险源分析全面、关键措施落实到位、问题及时发现和有效处置是后续施工安全和变形控制的关键。采取以下施工组织措施可确保后续的施工安全、变形稳定：

（1）建立全工作面覆盖的有线电话、对讲机通信系统，并建立工作信息通报微信群，盾构监控系统接入公司远程监控中心平台，确保公司后台实时掌握分析盾构施工参数，快速响应。

（2）安排技术员严格控制同步浆液拌制，防止拌制过程中随意调整配合比，确保浆液拌制质量。在拌和站、井口、盾构机工作面安装监控，监控室安排专人24h值班盯控同步注浆浆液运输过程，防止擅自加水，工作面由土木技术员对浆液进行验收。

（3）由盾构跟机土木技术人员加强对注浆填充工作的管控，做好详细施工记录。

（4）加强监测管理，增派变形监测人员，在地面监测完成后将监测快报发送至微信群内，并对监测情况做点评，及时调整盾构掘进参数。

（5）加强值班土木技术人员管理，加强教育、培训，提高其责任心，同时明确其工作任务及职责，并在现场做好安全、技术、生产交接班工作，及时总结。

4.2 气压辅助掘进模式及参数控制

（1）综合集中出现的沉降变形过大、管片上浮超限的问题，以及掘进参数总结分析，对掘进模式进行改进，采用气压辅助土压平衡模式推进。控制仓内渣土面在掌子面顶部以下1～1.5m，上部压入自然空气，土仓压力值比计算理论值高出0.02MPa，使掌子面水土压力达到平衡状态，保证盾体周边地层内地下水损失和盾体后方来水，减少地下水进入土仓，防止喷涌，也有利于控制地面沉降、管片上浮。

（2）盾构推进参数按照设定参数执行，掘进过程中根据地面监测情况微调。施工参数控制范围如下：总推力为1100～1200t，刀盘转速为1.5～1.7r/min，土仓压力为理论值+0.02MPa，刀盘扭矩为2100～2300kN·m，推进速度为3～4cm/min，同步注浆量为6～7m3，出土量为60～62m3，超前二次注浆及跟踪注浆压力为0.3～0.4MPa。

（3）若泥质粉砂岩胶结物含量超过45%，渣土改良不当易结泥饼。施工中加强每环渣样筛洗分析，改良剂原液浓度为3%，发泡率调整为约11倍，选择刀盘上3～4个喷口注入改良剂，单管流量以0.13m3/min左右为佳。

4.3 同步注浆质量控制

针对管片背后空洞及管片上浮等问题，结合泥质粉砂岩地层特性及含水量，在同步注浆砂浆不堵塞注浆系统的条件下，合理缩短固结时长，加强对管片的约束，根据现场试验得出同步注浆砂浆固结合理时长为3～4h，并增加水泥、细砂的含量，将浆液密度调整为1.7g/cm3以上。注浆压力控制在0.4MPa以下，每环（管片长1500mm）注浆量控制在6～7m3。注浆完成后，每隔2～3环打开管片顶部注浆孔，检查管片背后填充情况，观察固结时间。

4.4 超前二次注浆及多次跟踪注浆

因为掘进过程中同步砂浆还具有较强的流动性，顶部可能存在气囊空隙，所以在及时同步注浆的基础上，对脱出盾尾的管片采取压注双液浆方式，填充顶部可能存在的气囊空隙，控制管片上浮及变形沉降。超前二次注浆如图1所示。

图1 超前二次注浆示意图

（1）在连接桥走道上安装1套小型双液浆注浆设备，堆放适量水泥、水玻璃原液等材料，推进中对脱离盾尾后3～5环管片顶部开孔压注双液浆。注浆量控制在每孔0.3～0.5m3，压力不超过0.4MPa。注浆后0.5h检查注浆效果，确保开孔无渗漏。

（2）利用连接桥注浆机每隔5环对管片腰部及以上部位注浆，施作止水环。隔断管片背后间隙的纵向涌水通道，保证土仓气密性，抑制工后沉降及管片上浮。

（3）注浆前需在注浆孔后方管片顶部预留泄压孔，设置单向逆止阀；注浆时打开球阀直至浆液流出关闭；注浆完成后10～15min检查效果，若有渗水、漏气等，应再次注浆。

（4）在盾构机尾部6#台车上再增加1套双液注浆设备，根据监测情况注浆填充管片背后空隙，抑制工后沉降。

5 效果检验

采取同步注浆质量控制、超前二次注浆及跟踪注浆技术、专项组织管理等措施后，该区间剩余建筑物及地面沉降变形稳定，监测沉降变形数据均在10mm以下，顺利穿越Φ1200mm砼自来水管（1981年建造，为高压主管线）、高压燃气管线。

同标段另一区间采用类似的掘进方案，顺利穿越了流花湖、DN1200mm老旧高压自来水管线、地下人防工程、广茂铁路、老旧房屋群等，变形沉降均控制在10mm以下。

6 实施建议

（1）气压辅助模式适合气密性较好的地层，松散的砂层、卵石层或埋深较浅的隧道不适合该工法。掘进过程应严格进行每环渣样筛洗分析，实时掌握地质和改良掘进情况。施工前应检查隧道范围内地质勘察钻孔情况，并采取封堵措施。

（2）气压辅助初始压力大小可根据埋深及水土压力计算得到，但实施前需试压。气压控制以逼退地下水及掌子面前方地表隆起量在5mm以下为宜。另外，掘进过程中需加强气压的变化监控，若出现气压骤变则需采取具有针对性的措施。

（3）超前二次注浆应开展配比试验及试验注浆，控制好双液浆的固结时间，固结时间过长则易串浆包裹盾体，或易被地下水稀释。

（4）加强盾尾刷检查及维护，掘进过程中盾尾油脂需及时、足量压注，降低土仓空气击穿盾尾密封的风险，避免土仓压力骤降。

7 结论

通过分析和研究掘进参数，调整掘进模式，控制同步注浆质量，采取超前二次注浆及跟踪注浆、专项掘进组织等关键措施，区间双线盾构顺利完成了后续风险点的下穿，也未加剧已施工段的变形沉降，得到了广州地铁集团及相关产权单位的认可，可为类似工程施工提供参考。总结经验如下：

（1）在地下水含量丰富的泥质粉砂岩盾构掘进，土仓压力稳定在比理论计算值高出0.02MPa左右可有效阻断地下水涌入土仓及管片背后空隙，改善渣土改良效果，同时降低淤泥层失水收缩沉降风险。

（2）气压辅助掘进在减少地下水进入的同时，保证了脱出盾尾部分土体的干燥性，使管片与地层间空隙由气体填充而非地下水填充，同步注浆不会因地下水稀释而降低浆液性能，保证了同步注浆质量。

（3）隧道内超前二次注浆及跟踪注浆是控制变形沉降、管片上浮的关键有效措施。超前二次注浆及跟踪注浆采用总量、压力双指标控制，以管片背后填充密实、土仓内地下水涌入阻断、管片上浮可控为标准。

（4）在相同工况下，采用气压辅助掘进，土仓内渣土量少，可减小刀盘扭矩，增大有效推力，降低总推力，有效减轻盾构掘进的负荷，加快掘进速度。

（5）气压辅助掘进有效地降低了土仓内渣土高度，减轻了开挖面同土仓内渣土对刀具及刀盘的磨损。