富水圆砾地层盾构隧道地表沉陷分析及处理

贾少东，孟庆军，肖鹏飞，杨泽斌

（1.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁 530000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）

盾构法因其具有快速、安全、环保等特点，被广泛运用于城市轨道交通建设之中[1]。但在某些特殊地层中，特别是富水圆砾地层受土压盾构掘进扰动后其稳定性较差，且城市地下管线密布，使情况更加复杂，易诱发地表沉降，甚者可能会造成地面沉陷。随着城市地铁建设日渐增多，地质条件也愈发复杂，合理地预防和处治地表沉陷十分重要。目前盾构施工诱发地表沉陷的研究已有大量成果。多集中于地质条件、施工设计和施工工艺等方面[2-5]。但综合城市地下管线分布情况与盾构施工技术进行分析的还较少。故针对南宁地铁5 号线一期工程新～广区间富水圆砾地层中盾构施工时中出现的沉陷问题，分析地表沉陷原因并介绍相应的防控措施。

1 工程概况

1.1 工程水文地质

区间由新秀公园站出站后，沿明秀西路向北，在大学明秀路口下穿既有1 号线广西大学站，最后接入5 号线广西大学站。区间范围内主要揭露第四系、古近系及泥盆系地层，包括填土层①、黏性土层②、粉土层③、砂土层④、圆砾层⑤、古近系半成岩的泥岩和粉砂岩地层⑦。区间左线隧道主要穿越地层为粉质黏土、中粗砂、圆砾土及粉砂质泥岩层。区间地下水类型主要是上层滞水、第四系松散岩类孔隙水，地下水主要赋存于第四系砂层、圆砾层中。初见水位埋深2.90～8.80m；稳定水埋深在4.20～10.20m。

1.2 区间地表沉陷概况

2020 年3 月11 日区间左线盾构掘进至743环，下午14 时30 分接到红色预警通知。现场立即组织人员对明秀西路辅路位置的预警范围核查，同时安排监测人员加密监测。下午17 时辅道预警范围的道路路面沉降未进一步变化，路面最大沉降值为-82.98mm；17 时～17 时35 分地面沉降发生急剧变化，并最终形成尺寸为4m（宽）×15m（长）×0.8m（深）沉陷区域（图1），具体位置为新广区间左线735 环～745 环上方道路。左线盾构在收到预警通知时已停机，停机时管片已拼装至743 环，刀盘位置位于747 环。

图1 塌方区域航拍图

2 地表塌陷分析

2.1 塌陷机理

沉陷区域经开挖发现，有直径500mm 雨水管一条、盖板箱涵1200mm×1000mm 雨污水渠一条。雨污水渠结构为素砼，底座为浆砌片石混凝土结构，盖板为钢筋混凝土。雨水管为直径500mm 的钢筋混凝土管，结构年久失修，出现多处裂缝和渗漏水情况，且渠内沉积多年淤泥，经过雨污水反复冲刷，渠底土体流失被掏空；沉陷区正好位于雨水管井室下方，井室结构为砖砌结构，结构老旧，裂缝较多、渗漏水严重，下方土体被掏空，形成坑洞。地层坑洞在不受外力扰动的情况下会相对稳定，其周围地层能保持有较好的稳定性。而当盾构掘进至坑洞下方时，盾构上部地层受到施工扰动，同时土体在地下水渗流的作用下，坑洞顶部土体不断脱落下坠，地层损失进一步向地表转移，最终造成地面塌陷，如图2所示。管线与隧道的相对位置关系详见图3。

图2 地表塌陷机理示意图

图3 管线与隧道的相对位置示意图

2.2 塌陷影响因素

1）不良地质 此段道路的雨水管道裂缝处渗漏水严重，长期冲刷造成土体流失严重，同时3 月份已进入雨季，降雨量较大，渗透至地层的水量多。盾构掘进地层上部依次为素填土、粉质黏土、中粗砂、圆砾层，除一层较薄的弱透水性粉质黏土层外，中粗砂、圆砾层均为透水性强地层，特别是粉细砂层在渗水的作用下，容易导致局部的土体流失。通过后续在盾构未掘进地段的地震映像法扫描印证，明秀西路局部路段在地下13～15m 范围存在地质疏松等问题。沉陷区地层情况详见左线沉陷区纵断面图（图4）。

图4 左线沉陷区纵断面图

2）不良施工措施 ①停机时间过长：左线盾构受春节及疫情严重影响，停机时间长达42天，在长时间停机期间，土压平衡盾构顶部土仓压力宜比理论压力高0.02～0.03MPa[6]，但盾构掘进过程中未根据地层变化及时调整掘进参数，对前期盾构由于疫情原因停机时间过长以及掘进过程中出现的问题未引起足够的重视，采取的解决应对措施不力；②土舱压力控制不良：由于本段地层土质松散，盾构掘进过程中土仓压力变化快，掘进参数异常，特别是上部土仓压力偏小，土舱压力偏小则不足以平衡掌子面水土压力，容易导致地层下陷；③喷涌处理不及时：盾构掘进第730～734 环发生喷涌时，未及时采取注入膨润土和管片背后二次注浆等措施，盾构内发生喷涌时，土舱压力波动较大，会发生土舱压力骤降等，进而引发地层变形塌陷甚至危及开挖面的稳定；④出渣量控制不良：盾构渣土的出渣量未严格控制，仅限于分析渣土斗中的出渣量，而没有详细分析喷涌时掉落隧道内的渣土量和及时采取有效的措施。出渣量过多使得土舱内渣土减少，不利于维持土舱压力稳定，导致土舱压力降低，不足以平衡掌子面水土压力，诱发地面沉陷。

3 现场核查及处理

3.1 现场管线及构筑物核查

沉陷区域周边主要为道路、城市绿化树木，经现场勘查，共发现A500mm 雨水管1 根、1200mm×1000mm 雨污水渠1 条、轨道1 号线供电管线若干及联通光纤若干。

3.2 地面及隧道洞内辅助处理措施

1）反压回填 在确定沉陷区周边沉降稳定安全后，现场采用挖机破除沉陷区域的辅道既有路面，然后清理破除的路面碎块并转运至车站。沉陷区采用素填土反压回填，避免沉陷范围扩大。

2）注浆加固 根据新广区间盾构735～745环明秀西路附近道路沉陷和周边环境情况，明秀西路主干道围蔽2 条道路，并对明秀西路辅路沉陷区域进行围蔽。围蔽区域主干道范围内打设24个袖阀管注浆孔，7 个地质探孔；注浆孔孔径为∅110mm，采用水灰比为1 ∶1 的水泥浆进行填充。已围蔽的明秀西路辅路范围内打设13 个袖阀管注浆孔，注浆孔孔径为∅110mm，采用水灰比为1 ∶1 的水泥浆进行填充。整体施工顺序为：分析沉陷区域原因和沉陷影响范围，然后施工已围蔽的明秀西路主干道（钻孔注浆）、辅道（钻孔注浆和管道修复）、未掘进地段（钻孔注浆），最后恢复管道及路面直到全部恢复交通。具体注浆情况见图5。

图5 注浆平面布置示意图

3）洞内辅助措施 隧道内沉陷区域下方左线717～742 环管片采用双液浆进行及时补浆。同时采取对盾构的盾体上方注入克泥效，刀盘持续保压，防止前方掌子面坍塌等手段防止沉陷区域进一步发展。

3.3 后续掘进预防措施

为防止盾构受地面注浆导致盾构被抱死，同时考虑长时间停机对刀盘保压的影响，在完成了主干道及辅道的二次补浆后，左线通过以下方式严格对控制下一步的掘进。

1）控制土仓压力 当开挖面的支护压力小于极限支护压力时，开挖面前方土体将形成一定范围的滑动区域，开挖面也随之产生失稳，这会导致地层空洞形成的概率大幅增加，因此土仓压力的设定是保证盾构开挖面稳定的重要措施之一。圆砾层中土压设定在1.8～2.2bar 之间。现场控制土仓压力有两种方式，一种是通过气压来控制土仓内压力，开启保压系统来稳定土仓内压力，另一种是在掘进过程中加大泡沫气体比例往土仓压内加入气压以达到平衡的气压状态。由于顶部粉细砂及圆砾地层透水性较强，所以尽量避免地层中的水渗到土仓内，引起流沙造成地表沉降超限，造成螺机出土喷涌，可以适当通过调节土仓气压抑制地下水渗入。

2）渣土改良 盾构在富水圆砾地层中掘进对地层扰动大，地层渗透性及大粒径砾石含量较高，如控制不当掘进过程中易发生喷涌现象。在此地层中进行渣土改良的主要目的是改善渣土的塑流性，提高土仓内渣土对开挖面的支护作用，改善渣土的透水性防止出现喷涌，避免开挖面失稳现象及因失稳产生的一系列施工风险。通过在泡沫混合箱加入适当的分散剂，防止刀盘结泥饼，同时在盾壳9～11 点位注入膨润土填充盾壳不密实的缝隙，调整浆液配比，缩短同步注浆凝固时间，加快管片壁后土体固结，为了弥补同步注浆量不足及时对脱出盾尾第5 环管片进行二次补双液浆。注浆压力一般控制在2～3bar，同时避免管片错台，避免刀盘转动对地层扰动时间过长而造成上部粉细砂圆砾层沉陷超挖等现象。

3）加强对出土量控制 由于富水圆砾地层砾石含量多，盾构掘进对地层的扰动较大，从而容易使地层中夹杂在圆砾中的细小颗粒物进入盾构止仓，导致超挖出土，进而掌子面上部出现空洞，使围岩松弛范围扩大，自稳能力进一步降低。因此要及时了解掌子面地质情况，通过皮带出来的土观察地层变化，并安排专人负责渣土量的统计，并控制出土量在46～50m3，防止超挖。

4）针对性制定掘进参数 针对地质探查的左线未掘进地段的松散地层，隧道断面圆砾层80%，炭质泥岩层20%，根据区间掘进经验掘进参数为：①圆砾层中土压设定在1.8～2.2bar 之间；②出土量控制在46～50m3；③速度控制在25～35mm/min；④推力控制在15000～19000kN；⑤刀盘转速控制在1.4～1.6rpm之间；⑥刀盘扭矩大约保持在3500～4500kNm之间；⑦同步注浆压力控制在2.0～2.5bar 之间，注浆量一般为6.5～8m3。

4 结语

通过对地表塌陷的机理与原因分析并进行处治后，经过总结提炼，为类似工程问题提出以下几点建议。

1）加强管线核查 针对左线未掘进地段的重力流管线，联系相关产权单位进行现场交底，并采用管道内窥的方式对雨污水管道进行现状调查及见证；对于弱电管线，联系产权单位对管线的路由进行现场交底；对于燃气管线，经与燃气公司对接，已将燃气的路由及阀门位置进行了确认，并安排专人在掘进期间每日进行巡查。

2）重视地层补勘 为防止左线后续盾构施工过程中，道路下方可能存在路基脱空或地质疏松等问题。施工单位采用地震仪法对未掘进路段的道路进行了地质探查，探查深度可以达到15～20m，为盾构掘进提供更为可靠的地质情况。

3）强化过程管控 盾构掘进前，必须对沿线地面及洞内雷达扫描检测，提前发现可能存在的空洞及松散地层，制定应对措施及施工方案，消除安全隐患。加强盾构出渣量的管理。盾构掘进的过程中，必须安排专人对每日掘进隧道的出渣方量、重量等数据进行统计分析。加强同步注浆机二次注浆管理。盾构掘进及时进行同步注浆及二次注浆，并建立相关台账，确保管片背后注浆密实。加强监测及巡查工作。按要求开展施工监测，及时进行数据分析比对和预警反馈，安排专人进行地面及隧道内巡查。