土压平衡盾构河底长距离全断面富水砂层施工技术

黄春来，饶伟

(中交三航（厦门）工程有限公司，福建 厦门 361006)

1 引言

受地质因素和排土方式影响，土压平衡盾构机在富水砂层掘进时易出现螺旋输送机喷涌、地层扰动大的现象，造成地面沉降乃至坍塌等环境风险，在渗透系数较大的富水砂层一般适宜选取泥水平衡盾构机进行掘进施工[1]，有利于沉降控制和减少设备负荷。但由于受工程复杂地质、周边环境条件或造价等因素综合影响，工程实践往往面临在富水砂层中采取土压平衡盾构机掘进施工的现状[2]。

福州地铁4 号线某盾构区间受长度方向复杂地质影响，采用土压平衡盾构机掘进施工。区间需穿越河底全断面含泥中细砂层380 m，施工风险高，施工期间主要通过采取技术措施处理和科学管理，有效地控制了施工风险，提高了施工效率。

2 工程概况

福州地铁4 号线某盾构区间长约1.56 km，隧道外径6 200 mm，采用土压平衡盾构进行施工。盾构机在掘进黏土及基岩复合地层隧道约350 m 后，下穿城市河道约380 m，盾构区间隧道顶部距离河底13.95～18.28 m，隧道洞身范围主要为强透水性<2-4-6>（含泥）中细砂（部分夹杂<2-4-2>淤泥质土）。

该工程穿越段地质具有如下特点：

1）受潮汐及地下水流动影响显著。下穿河道为闽江分支，穿越段离闽江约750 m，两端与闽江连通，河道水系受闽江潮汐影响，水系具有一定潮汐动态特征，水位标高为2.9（落潮）～7.3 m（涨潮）。4～9 月汛期洪水对流量、流速、水位的影响显著。穿越段隧道隧顶至河道底部地层均为<2-4-6>（含泥）中细砂（部分夹杂<2-4-2>淤泥质土），隔水层薄（部分河底仅100 mm厚淤泥），地层地下水与河水水力联系密切，且勘察测得该地层在隧道洞身深度地下水水平流速约0.8～2.5 m/d，存在较大的流动性。

2）<2-4-6>（含泥）中细砂地层颗粒组成中，细砂（粒径0.075～0.25 mm）占比超过40%，最大达67%，粉粒（粒径0.005～0.075 mm）、黏粒（粒径≤0.005 mm）总和占比小于10%，地层渗透系数达3.5×10-2cm/s，属强透水性地层，具有中等液化性。

3 主要风险分析

由于上述地质特点，受潮汐及地下水流动影响显著，地层处于天然的非稳定状态，地层粉、黏粒含量少，黏聚力小，细砂含量占比高，颗粒级配差，土压平衡盾构机掘进时，刀盘前方及盾构机壳体周围土体受扰动影响，易出现液化现象。液化砂土经盾构机土仓、螺旋输送机排土通道喷涌而出，出渣量难以控制，既给盾构机扭矩、土仓压力等关键参数控制增加难度，也易造成地层较大沉降、严重时河水倒灌，危害成型隧道和周边环境安全。

4 针对性措施

4.1 设备系统检查

良好的设备密封状态是盾构机在富水砂层穿越河道的基础。针对该工程地质情况，工程实施前，选择优质产品对盾构机的铰接密封、盾尾密封系统进行了更换，对主轴承密封性能进行了检测评定。

4.2 综合渣土改良措施

富水砂层掘进中渣土改良是控制喷涌的关键，只有渣土改良到位，才能保证盾构施工的安全、顺利、快速。根据本工程富水砂层地层黏粒含量低、含水量高、渗透系数大的特点，结合现场实际条件，采取了综合方法进行渣土改良。

4.2.1 土仓注入膨润土改良

由于砂层中粉粒、黏粒含量极少，为提高砂土的含泥量、补充土体的微细颗粒组分，改善颗粒级配，减小土体的内摩擦角，增加开挖渣土的流动性和不透水性，土仓注入膨润土溶液进行渣土改良。

膨润土浆液采用膨润土、纯碱、CMC（陶瓷基复合材料）拌制。考虑施工成本，采用钙基膨润土增加适量纯碱以提高泥浆指标，经试验比选，最终确定膨润土溶液配比如下：膨润土掺量10%，纯碱掺量5%，CMC 掺量5‰，试验测定泥浆黏度100 Pa·s。

通过注入膨润土溶液，渣土黏性有明显改善，但由于地层含水量大、透水性较高，且盾构机膨润土系统容量限制，体积注入率仅10%，改良效果有限。

4.2.2 土仓优质泡沫改良

泡沫作为渣土改良的常用措施，是由多种表面活性剂、稳定剂、渗透剂和强化剂复配而成，具有发泡率高、润滑性好、成本低和操作方便等优点，可有效减少盾构掘进的机械磨损、调整土体塑性流动性，降低渣土的透水性，便于螺旋输送机内形成土塞，有效防止喷涌发生[3]。

在采取上述土仓注入膨润土改良渣土的基础上，盾构穿越期间通过现场测试增加了泡沫剂改良措施。原品牌泡沫掺入体积浓度5%，膨胀率15%，但稳定性较差，经对比选用了低浓度、高膨胀率、稳定性较好的泡沫，泡沫混合液浓度2.5%，发泡倍率20 倍，注入率15%。

经改良后，渣土的流塑性较好，除每环开始掘进时渣土较稀外，掘进过程中未发生喷涌现象。

4.2.3 高分子聚合物应急渣土改良

高分子聚合物具有较强的吸水膨胀能力并可增稠，还能起润滑作用，在土仓内注入高分子聚合物可提高渣土的黏稠度，增强渣土的塑性。

当出现喷涌时，在土仓内注入少量高分子聚合物水溶液，通过土仓搅拌棒搅拌后与渣土中水分子结合发生絮凝作用生成絮团，提高渣土稠度，防止喷涌发生。

4.3 掘进参数控制

1）土仓压力。由于砂层富水、渗透性强，土仓压力可按水土分算确立，分别计算侧向土压力和水压力，土压力控制以静止土压力为计算依据，水压力可近似按静水压力计算。掘进过程中，控制土仓压力的波动值在0.1 MPa 以内。

2）刀盘转速。在富水砂层中掘进时，适当降低刀盘转速，对减少盾构机通过时对周围地层的扰动、降低刀盘刀具磨耗显得尤为重要，掘进过程中控制刀盘转速为1.0～1.2 r/min。

3）刀盘扭矩。结合渣土改良情况，刀盘扭矩控制范围为2 200～2 500 kN·m。拼装工序原因停机会导致土仓渣土堆积，每环开始推进时刀盘扭矩适当偏大是正常现象，随掘进开始渣土改良剂注入和刀盘转动次数增加，刀盘扭矩会逐渐下降至正常值，也可在每环掘进完成后适当增加膨润土溶液注入量以降低下一循环掘进开始时的刀盘扭矩。

4）掘进速度。富水砂层掘进时盾构掘进速度以控制合理的土仓压力为基准，考虑减少施工扰动和便于掘进控制，掘进速度控制在25～40 mm/min。在曲线段施工时，应适当降低掘进速度。

4.4 注浆控制

富水砂层含水量高，易受施工扰动，液化后稳定性急剧下降，造成地表沉降，在施工时，需保证同步注浆量，并及时进行二次注浆。

4.4.1 同步注浆

为及时填充管片外开挖间隙，同步注浆采用盾尾4 根注浆管同步压注，顶部两侧2 根管道的注浆量控制为底部注浆管的2 倍，总体注浆量根据下穿前试验段积累数据总结情况确定注入率为180%。

同时，为及时稳定地层，提高成型管片的整体稳定性，对浆液的配合比进行调整，将原浆液初凝时间6～7 h 缩短到4～5 h。调配前后浆液配合比见表1。

表1 调配前后浆液配合比

4.4.2 二次注浆

二次注浆的主要作用为弥补同步注浆量的不足，为避免损坏盾尾密封系统，二次注浆一般在管片脱出盾尾5 环以后进行。

浆液采用水泥-水玻璃双液浆（体积比1∶1），其中，水泥浆水灰比为0.9～1.0，初凝时间约40～60 s，采用注浆量和注浆压力双控管理（其中1 项指标达到限值即停止注浆），单点单次注浆量不超过0.5 m3，注浆压力≤0.5 MPa。

4.5 应急方案

应急方案作为危险发生时的重要管理措施，在盾构机河底长距离富水砂层掘进时尤为重要。应做好几个方面的工作：

1）制定盾构机密封系统发生泄漏、河底“冒顶”时的应急处置措施，特别是风险频率相对较高的铰接密封和盾尾密封系统泄漏；

2）做好应急方案的实操演练工作，包括物资设备的准备、操作工人的交底；

3）健全落实全天候主要领导值班制度。

5 实际效果

本工程在实施期间，通过对设备的维护检修、渣土改良方法的不断优化、掘进参数和注浆管控以及应急预防等措施，使盾构机掘进高效、安全。

1）设备管理上，穿越前邀请设备厂家对设备状态进行了再评估，对发现的设备隐患及时进行了处置。

2）渣土改良方面，首先，采用了土仓单独的注入泡沫方法进行改良，但刀盘扭矩居高不下，维持正常掘进刀盘扭矩达4 000 kN·m；结合现场场地条件，后采取了每环注入约4 m3膨润土溶液改良，但螺旋输送机出闸口渣土较稀、盾尾底部清理工作量大，影响施工进度；综合采取正常掘进时泡沫剂和膨润土结合改良方法，辅以高分子聚合物应急改良措施后，渣土的流塑性较好，掘进过程中未发生喷涌现象。

3）盾构掘进过程中，随着渣土改良等措施的优化完善，盾构掘进参数控制难度降低，土仓压力波动趋于合理，正常掘进刀盘扭矩下降至2 500 kN·m 以内，推进速度控制连续稳定。

4）穿越前，对密封泄漏应急方案组织进行了现场桌面演练和2 轮次的实操演练，确保应急方案落实到位。

5）整个穿越期间，平均进度约8 环/d，地表环境变形稳定，未出现河道异常情况。

6 结语

土压平衡盾构机在河底长距离全断面富水砂层中掘进时面临密封磨损泄漏、螺旋输送机喷涌、沉降控制困难等主要施工风险，福州地铁4 号线某区间通过不断优化，针对设备状态、渣土改良、掘进参数及注浆控制、应急预案等方面采取针对性措施，有效管控了施工风险，提高了施工效率，保证了盾构机高效、安全掘进，可为类似地质条件下土压平衡盾构机掘进施工提供参考和借鉴。