全断面砂层掘进沉降控制技术

吕朝臣

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040）

1 工程概况

杭州机场轨道快线工程是一条集高架、明挖、盾构相结合的地铁项目，项目地处杭州江干区杭州火车东站附近，含高架、明挖盾构三部分，盾构从明挖段始发覆土最小埋深6.2m，最大埋深43m，盾构隧道坡度较大，最大坡度29.1‰，最小转弯半径R500，且主要地层为粉砂和含砾中砂。项目盾构区间风险源较多，主要下穿杭州地铁1、4、6号线3条既有地铁线，且区间长距离与地铁6号线并行，最小间距6.4m；2个市政隧道；1条高架快速路、3座桥梁等。

1.1 盾构机设备介绍

本区间采用两台铁建重工ZTE7150土压平衡式复合盾构机，盾构机主要参数如表1所示。

表1 盾构机技术参数

1.2 地质与水文地质条件

1.2.1 地层岩性

区间隧道埋深约为6～35.7m，本区间盾构穿越的地层主要有③6粉砂、③7砂质粉土、⑥2淤泥质粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑦2粉质黏土夹粉土、12○2含砾中砂、12○4圆砾，如表2所示。

1.2.2 水文地质

（1）地表水。地表水主要为影响到本工程沿线的河流，沿线河流主要有备塘河、官河、横河港，河面宽度约为15～30m。

（2）地下水。场地地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙水，根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征，可划分为孔隙潜水和孔隙承压水和基岩裂隙水三大类，本工程涉及地下承压水。

2 地表沉降控制措施

2.1 采用土压平衡模式掘进

盾构机土压平衡模式掘进时，刀具切削下来的土充满土仓，土仓内土压与掌子面的土压和水压相平衡。同时通过螺旋机排土与掘进速度相匹配，控制土仓压力。掘进过程中，始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保证掌子面土体稳定，防止超排造成地下水土的流失而引起地表过大沉降。

2.2 渣土改良

渣土改良具有较好的土压平衡效果，利于开挖面的稳定从而控制地表沉降；使渣土具有较好的和易性、流动性，便于切削下来的渣土快速进入土仓并顺利排土，可有效防止渣土喷涌。在砂层中，可向刀盘前及螺旋输送机内注入膨润土、高分子聚合物等，可以改良渣土和减小地表沉降。

2.3 采用微扰动掘进模式

借鉴以往工程实践经验，砂层等软弱地层，地层反应灵敏，刀盘转动切削时，地层很容易破坏原来相对稳定的平衡状态，容易塌陷。尤其是在高富水的条件下，水流造成细颗粒流失，产生松散沉降直至塌陷。盾构在软弱地层中掘进易采用微扰动掘进模式。微扰动掘进模式即在土仓压力上下波动小（土仓顶部压力上下波动幅度控制在0.2bar之内），刀盘转速低。在采用微扰动掘进模式掘进时尽量提高掘进速度（≥50mm/min），增大贯入度，快速稳定掘进。

表2 本区间主要地层岩性

2.4 严格控制出土量

保持精确出渣计量，确保出土不超排。盾构掘进时通过出渣的方量和重量来推算掌子面的情况。超挖，掌子面就可能出现坍塌，造成地表沉降；欠挖，掌子面周边土体向四周挤压，改变地层的预应力，造成地表隆起，待盾尾通过后，土体急速回落，最终造成地表沉降。

电瓶车渣土计量为每环4斗左右。实际施工过程中，出土量控制可采用掘进380mm出渣1渣斗车控制。龙门吊出土称重为每环120t左右，每斗36t左右。根据以上计量方法可有效判断有没有超排和欠挖。

2.5 注浆量控制

因刀盘开挖面直径大于管片外径，加上开挖扰动，在脱出盾尾的管片与地层之间有一定的建筑间隙，及时进行壁后注浆填充建筑间隙。防止周围土体松动或坍塌，有效抑制隧道周边地层变位及地面沉降；包裹管片使管片受力均匀，保证管片早期稳定性；在管片外形成隔水层，增强隧道防水性能，以防管片漏水，造成地层失水，引起地面沉降。

同步注浆在砂层等稳定性差的地层尤为关键，在盾构掘进的同时对盾尾尾部形成的建筑间隙进行注浆填充，在掘进的瞬时对盾尾建筑间隙形成有效填充，起到支撑周围地层的作用，防止在空间和时间的积累作用下，出现地层沉降或塌陷。

二次注浆是在管片盾尾脱出数环之后，利用管片注浆孔再次对壁后进行注浆的方法，其作用是对同步注浆未填充完全的部位进行补充注浆；对同步注浆因浆液凝固后形成收缩，或浆液扩散、流失而形成的间隙进行补充注浆；对沉降控制标准较严格的位置，利用管片注浆孔向地层深处进行加强注浆，以固结隧道周围地层，防止隧道漂移。

2.6 注入克泥效

刀盘开挖直径为7180mm，盾体直径为7150mm，在盾体周边与地层存在15mm的间隙。克泥效凝结时间快，利用盾体径向孔向盾体四周注入克泥效胶体，用以填充盾体周边与地层之间的间隙。克泥效还具有良好的抗稀释性和挡水性，可阻止盾尾后方来水，防止喷涌造成超挖，注入克泥效可有效控制地表沉降。

2.7 做好停机措施

在砂层中，长时间停机，土仓内失水，土压泄压较快，易导致地表沉降；长时间停机盾体周边地层收缩水分流失及松散土体掉落导致盾体与地层间摩擦力增大，恢复掘进时，要使盾构机脱困，将无法快速提高掘进速度，刀盘转动后砂子流入土仓，造成超排，也极易导致地表沉降。为保证长时间停机土压稳定及恢复掘进后，快速提高掘进速度，在停机前做好停机措施，向刀盘注入膨润土泥浆，转动刀盘搅拌均匀，可有效解决长时间停机土仓泄压；向盾体周边注入润滑性良好的膨润土泥浆，可减小盾体与地层间摩擦力使盾构快速恢复正常掘进，进而地表沉降。

2.8 施做止水环

在富水砂层，大下坡时，地下水沿管片或盾体向刀盘和土仓汇集，易造成喷涌，导致地表沉降。

在富水砂层掘进，砂浆填充建筑间隙后，因地下水较大砂浆不能及时凝固，会将砂浆稀释，达不到预制砂浆凝固要求，不能及时稳定地层。

因此要在盾尾后5环的位置注双液浆施做止水环，每隔5环左右施做一次止水环，尽快稳固管片和地层的同时还可封堵后方来水。在富水砂层中及时施做止水环也可降低地表沉降风险。

3 结语

杭州市地层较复杂，被业内认为不适合建地铁的城市之一，但工程人员克服各种困难，尤其针对含承压水的砂层地层，其明显特点是稳定性差、颗粒细小、水分易流失、地下水丰富、补给迅速，在这类地层中容易造成喷涌、地层失稳、超排等都会引起地表沉降，甚至地面塌陷。因此，通过杭州地铁全断面砂层盾构施工，我们验证了满仓推进方法，渣土改良方法，加强同步注浆二次注浆，并使用克泥效工法等多项技术措施，可解决地面沉降问题，保证地面沉降可控，杭州地铁顺利完成，为后续类似地层盾构施工提供宝贵施工经验。