双螺旋盾构在粉砂、粉土液化地层下穿故黄河的施工技术分析

摘  要：徐州市城市轨道交通2号线一期工程物资市场站～彭城广场站区间盾构下穿故黄河，隧道顶部地层为粉砂、粉土液化地层，地层中等透水，液化等级中等。土压平衡盾构机在穿越粉砂、粉土液化地层时容易产生过大的地面沉降，引发河底击穿、螺旋喷涌、盾尾刷击穿、河堤垮塌等风险，同时还会造成管片错台、渗漏水、甚至破损。为了确保盾构安全下穿故黄河，通过风险源辨识、盾构机选型、盾构掘进参数的优化等技术措施，顺利完成本区间的盾构施工任务并取得了良好的效果，以期对类似工程的施工提供参考。

关键词：盾构隧道;过河;双螺旋;沉降;液化层

中图分类号：U455    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）01-0000-00

徐州市城市轨道交通2号线一期工程物资市场站～彭城广场站区间盾构下穿故黄河，隧道顶部地层为粉砂、粉土液化地层，地层中等透水，液化等级中等。河底隧道以上地缺少隔水层，江水与地下水直接连通，同时由于受盾构掘进扰动，砂质粉土易发生液化现象，导致地层自稳性变差，致使开挖仓内压力波动不易控制，导致掌子面失稳坍塌，进而引起地表沉降[1]，此外，还导致河底击穿、螺旋喷涌、盾尾密封失效、河堤护坡坍塌等风险，造成一定的经济损失。因此，如何控制盾构安全过河，确保周边环境安全是本工程施工的重点，通过盾构机合理选型、盾构掘进参数优化、监控测量、螺旋喷涌防喷涌、渣土改良等技术措施，使盾构安全快速的完成了下穿故黄河段施工。

1 工程概况

徐州地铁2号线1期工程04标段物～彭区间采用1台双螺旋土压平衡盾构机施工。区间隧道在右线80～148环、左线80～149环下穿故黄河河道。故黄河水深3.135m，下穿隧道长81.65m，区间隧道距离河道底竖向距离最小13.746m，河堤与河面存在一个2.5m的落差，如图1-图4。

1.1工程地质

下穿故黄河段区间隧道从上到下主要土层为①1层杂填土、②5-1层粉土、②5-2层粉土、②5-3层粉土。隧道顶部距离上部可液化②5-2黏质粉土1.1m。

1.2水文地质

地表水：本区间地表水主要为废黄河。本区间穿越废黄河（K7+175附近），该河河道宽约80m，河底高程33m左右，堤顶高程39～40m，勘察期间水面高程为35.98m，水深约3米。河水补给孔隙水、基岩裂隙水及裂隙溶洞水。

孔隙潜水：赋存于填土、黏质粉土层及老城杂填土中，勘察区域该层地下水位埋深约为1.5～4.0m，该含水层受压密性、填充物影響，孔隙变化较大，透水性不均，总体呈中等透水性。

1.3特殊性岩土和不良地质

砂土液化：据勘察可知，沿线区间20.0m 深度范围分布有②5-1、②5-1、②5-3层稍密～密实状黏质粉土，经判别：②5-1层为可液化土层，折减系数1/3～2/3。据液化指数可知，区间（单孔液化指数为0.54～2.10）液化等级轻微。根据结构埋深，可液化土均位于隧道结构顶板以上，对工程影响较小，可不进行处理，但应适当提高结构强度。另外，粉土、粉砂层在一定动水头差压力下，易产生流砂现象，对工程安全造成影响，故本工程设计、施工时需引起注意[2]。

2盾构下穿故黄河主要风险及其发生机理

2.1 河底击穿风险

下穿段地层主要为可液化的粉质粘土层，该地层渗透系数较大，无隔水效果。液化地层反应比较灵敏，盾构掘进过程中，由于刀盘扰动、土压力和注浆压力波动引发河底隆起或塌陷等原因，引起地层扰动，液化土在扰动下瞬间失去强度，由固态转为液态而流动，造成上覆地层失稳，形成水的贯穿通道，加上河道水的巨大水压力，导致隧道与河流贯通，严重时，造成淹没区间及车站的重大损失，如图5所示。

2.2 螺旋机喷涌河水倒灌隧道风险

液化地层在扰动下会由固态转为液态，流动性增强。另外由于过河段地层透水性强，联通性较好，在地层中容易形成水力通道，盾构开挖扰动地层，引起河道内的水渗流至盾构机密封仓内，容易出现螺旋机喷涌风险，甚至出现江水倒灌隧道的现象。螺旋喷涌会导致土仓压力难以保持平稳，并极易造成土体超挖，致使隧道上部地面出现沉陷、坍塌;同时由于需要花很长的时间对喷出的渣土进行清理，导致盾构施工进度减缓。

2.3 铰接处漏水风险

河道底部地层含水量大，如果铰接密封失效，则可能导致铰接处漏水，影响盾构掘进施工安全。

2.4 盾尾密封漏水风险

河道底部地层含水量大，如果盾尾刷损坏及盾尾油脂性能及注入量不足，可能出现盾尾涌水涌砂现象，影响盾构掘进施工安全。

2.5 地表沉降、河堤失稳风险

由于河堤处存在一个3m的落差，通过主动土压力计算穿越的土压控制为上部土压1.54bar，下部土压为1.88bar。

3 盾构机选型

（1）双螺旋输送机。为了适应故黄河段的不良地质情况，采用双螺旋盾构。双螺旋盾构在单螺旋盾构机螺旋后方在搭接了一级螺旋，在地层渗水率大、细颗粒比重小、地下水压力较大的情况下有良好的防喷涌效果。两级螺旋机采用搭接的连接形式（见图6）：第1级螺旋输送器采用顶部端头轴向驱动，第2级采用底部端头轴向驱动。第1级与第2级之间采用球形连接，第2级可水平转动，并设有分隔闸门。每级螺旋输送机具备独立的驱动系统，既可联动控制，也可每级独立操作。正常情况下，两段螺旋输送机的转速相同，在两段螺旋间不积聚渣土，可以正常出渣。当土仓压力过大或土偏稀可能发生喷涌时可以对两段螺旋输送机的转速进行调节，使后端的螺旋输送机转速小于前端。由于前端螺旋输送机输出的渣土多于后端螺旋输送机，渣土很快在两段螺旋输送机间积聚形成土塞，迅速止喷，保持密封仓内土压力。[3]

（2）“三大密封”（刀盘驱动密封、中心回转密封、铰接密封）以及主轴承的老化情况，对需要进行维修或者更换的设备、配件应及时提出整改方法，避免掘进过程中出现设备故障导致停工。

（3）盾尾刷。盾尾刷采用2道钢丝刷+1道钢板束，钢板刷不用手涂油脂，由于钢板层与层紧密接触，砂浆不容易进入，能有效避免尾刷砂浆板结，避免钢板刷的失效，而且在推进过程中可以节省大量密封油脂。两道钢丝刷选用材料性能更好的加强型盾尾刷。

4 掘进参数控制

（1）盾构穿越前对施工设备进行全面检修保养，并组织验收，确保下穿過程中连续作业;

（2）收集、分析穿越前盾构掘进参数与地表沉降数据，作为下穿过程中的一个掘进参数设定的依据;

（3）控制贯入度40～50mm/min，刀盘转速0.9～1.0rad/min，减少对上部可液化层的扰动;

（4）注入初凝时间为5h的砂浆，采用上部两路注浆，注入量为理论间隙的160%～180%，注浆速度与掘进速度相匹配;

（5）对脱出盾尾后6环进行双液注浆施作止水环，防止后部管片外侧水往前端汇集;

（6）充分考虑进河流和出河流时存在河堤的高度差，及时调整土仓压力;

（7）充分利用盾构双螺旋的优势（当一级螺旋出土时关闭二级螺旋，当二级螺旋出土时关闭与一级螺旋连接位置，可以有效防止喷涌。实际过程中为一级螺旋转速6～8rad/min与闸门开度，二级螺旋转速10～12rad/min），并使用优质泡沫，防止喷涌，保持土仓内土压稳定;

（8）始发前更换新的盾尾刷并在三道盾尾刷上使用进口手涂盾尾油脂进行充分均匀涂抹，保障从盾尾刷表面至根部都涂抹上油脂，在掘进过程中，配备优质的油脂并在两道密封腔内充分均匀压注（每环注入量为50～60kg），防止盾尾刷被击穿后泥水从盾尾进入;

（9）严格控制油缸行程和出土量，并利用门式起重机称重记录渣土重量及时进行收集汇总分析;

（10）控制好盾构姿态，减少盾构纠偏（5mm/环）及蛇形;

（11）做好管片选型及防水;

（12）下穿河流下使用全环增设注浆孔型管片进行深孔注浆;

（13）制定好应急预案，储备充足应急物资，预备灌砂编织袋若干，掘进过程中安排人24h对河面进行观察。

5 总结

在我国城镇化高速发展的今天，城市内人口越来越集中，交通压力剧增，对城市空间的利用提出了要求，地下城市轨道交通的兴建很好的缓解了交通压力。城市轨道交通修建的时候地表一般已存在各个年代修建的建构筑物，环境复杂，穿越河流及建（构）筑物已成为地铁隧道施工常见难题。在确保地面安全的同时，也要综合考虑地下施工的安全性，每一次类似的施工难题都需要分析和总结，形成对后续相类似地层施工的经验具有积极的意义，文章笔者结合实际施工情况进行了总结，存在的不足有待进一步的分析探讨。

参考文献

[1] 毋海军.土压平衡盾构快速穿越液化土地层施工技术[J].铁道建筑技术，2018（S1）：151 -155+200.

[2] 田瑞忠.盾构穿越粉砂、粉土液化地层施工技术[J].铁道建筑技术，2019（1）：85-88.

[3] 陈乔忠.土压平衡盾构穿越富水砂层双螺旋输送机控制喷涌技术探讨[J].广东土木与建筑，2015（1）：44-46.

收稿日期：2021-01-05

作者简介：俎元凯（1987—），山西吕梁人，本科，工程师，研究方向：地铁盾构法施工。

Analysis of Construction Technology of Double Helix Shield Tunneling Through the Yellow River Under the Silt and Silt Liquefied Stratum

ZU Yuankai

（The Fourth Engineering Co.， Ltd. of China Railway 11th Bureau Group， Wuhan Hubei 430000）

Abstract： Xuzhou Urban Rail Transit Line 2 Phase I Project Material Market Station ～ Pengcheng Square Station section of the shield tunnel under the Yellow River， the top of the tunnel is silt， silt liquefied stratum， the stratum is medium permeable， and the liquefaction level is medium. When the earth pressure balance shield machine traverses the silt and silt liquefied stratum， it is easy to produce excessive ground settlement， which will cause the risks of river bottom breakdown， spiral gushing， shield tail brush breakdown， and river embankment collapse. Pieces are misaligned， water leaks， or even damaged. In order to ensure that the shield passes safely through the Yellow River， through technical measures such as risk source identification， shield selection， shield tunneling parameters optimization， etc.， the shield construction tasks in this section have been successfully completed and good results have been achieved.The construction of the project provides a reference.

Keywords： shield tunnel; river crossing; double helix; settlement; liquefied layer