富水砂层盾构施工技术及掘进问题分析

富水砂层盾构施工技术及掘进问题分析

孟阳

孟阳

中铁九局集团第四工程有限公司辽宁省沈阳市110000

摘要：在富水砂层盾构施工中，由于土体的敏感性，在施工中很难有效地保持原有土体状态的稳定，容易出现隧道涌水、地表塌陷等问题。为提高富水砂层盾构掘进施工质量，施工人员应结合当地地质条件，合理设计盾构掘进设备的运行参数，调整淤泥质土改良配合比，以保持土层的稳定性。本文也将结合呼和浩特市轨道交通一号线一期工程06标施工对此进行分析。

关键词：富水砂层；盾构施工技术；掘进问题

一、工程概况

本工程为呼和浩特东站～市政府路站区间盾构施工，本区间为反向掘进，即由大里程往小里程方向掘进。区间起于呼和浩特东站南广场南侧的东站前街上的呼和浩特东站，出呼和浩特东站后，继续沿东站前街下敷设，穿过万通路过街通道后进入水岸小镇小区，然后在东河下方向西南侧穿过市政府广场进入市政府站。区间设计起止里程范围为：ZDK20+175.68～ZDK21+876.657，右线隧道长1700.56米，左线隧道长1700.645米（含有一处短链0.332米），区间共设置3座联络通道。

本次施工路段的地质条件较为复杂，在施工区间中还存在部分富水砂层区域，盾构施工中容易出现地表沉降等问题。同时施工人员对施工位置的水文条件进行了勘测，该区段的地下水主要为上层滞水、基岩裂隙水。根据勘察结果，场地下伏泥岩裂隙发育，但多呈闭合状，为泥质充填或泥质胶结，试验过程中进水流量较低，岩石透水能力较弱。

二、富水砂层盾构施工技术

结合沈阳地铁九号线23标盾构区间施工实际，通过盾构在富水砂层中掘进及现场试验发现，单靠注入膨润土进行渣土改良，无法有效地改变渣土的“塑性流动状态”，且容易出现扭矩增加，螺旋机出渣不均匀，掘进速度不稳定，掌子面容易失稳的情况。采用膨润土和泡沫剂进行渣土改良后，渣土改良效果得到了很大的提高，渣土流动性较好，出渣均匀。膨润土配合采用膨润土∶水=1∶10，泡沫剂原液比采用2.5%~3.5%的比例充分发泡进行，泡沫液耗量控制在55~60L/环，碴土改良效果较好。

做好始发和接收前的盾构机检修工作，避免在始发和接收时出现机械故障。盾构机顶进洞门、开始向前掘进时暂不出碴、超量注入泡沫和膨润土改良渣土，以建立土仓压力，稳定开挖面土体，待土仓内全部积满渣土后，再根据掘进速度控制出渣量，避免出现超挖，引起地表沉降。盾构掘进临近接收洞门时，应严格控制盾构机的姿态，避免出现“叩头”现象。控制掘进速度、逐步减小土仓压力与推力，切口环超过帘布橡胶后及时接紧钢丝绳，防止泥砂流出。

主要防止措施有以下要点：（1）土仓压力要高于净水压力，避免外界水进入土仓，防止土仓内因地层中大量水的进入而产生泥砂分离、离析进而造成喷涌；（2）控制土仓加水的量，尽量做到出渣偏稀但不离析；（3）具备高分子聚合物加入系统，土仓渣土离析产生喷涌而不可控时可按照高分子聚合物使用说明适当加入作为应急措施；（4）尽量缩短停机时间，加强工序衔接，连续施工是克服喷涌的关键。

三、掘进问题及措施

在进行富砂层盾构施工时，掘进过程主要会引发地表的隆沉，这一过程随着盾构施工的进行也会出现一定的变化，在盾构机掘进前期，随着盾构机的靠近原始土层中富含的水分会出现流失从而导致地下水水位下降，而砂层自身结合并不紧密因此也会出现小幅的塌陷。

当盾构机到达时由于盾构机的作用其切口附近的地表也会随着掘进工作出现状态的变化，变化类型与盾构机掘进参数有关，当设计土压值较小时地表会出现隆沉，土压值较大时则会发生隆起。

而当盾构施工结束后，盾尾注浆状态也会影响富水砂层的状态，富水砂层自身结构较为松散且含水量大，当盾构结束后一旦注浆不及时其内部水分发生流失从而引发大幅沉降，而当注浆量过大时也会导致砂层结构的变化从而出现隆起，因此注浆工作是保障富水砂层盾构施工稳定性的关键。本次施工中施工人员结合施工区段的地质条件状况及富水砂层盾构施工特点设定了盾构机的掘进参数（表1）。

在盾构掘进施工过程中施工人员结合富水砂层结构不稳定易受外界因素波动干扰的特点严格控制盾构正面平衡压力，防止过量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动，同时严格控制盾构推进速度，尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动并避免在途中有较长时间耽搁。而且在掘进时注意保持掘进参数的稳定，保持盾构推进总推力维持在800~1500t，防止推力不适引起的地面沉降，另外刀盘转速为0.8r/min，扭矩则控制在1000~3000kN/m之间，保障施工过程不会对砂层造成过大的干扰。

此外，土仓压力也是影响地表状态的关键，在本次施工中设计人员使用朗金理论计算主动土压力与被动土压力，在进行主动土压力计算时使用静压力计算方法，通常稍大于土压与水压之和，而在实际施工过程中施工人员需要结合地表状态变化及时调节土压参数，通过改变排土量、掘进速度等保持土压平衡。

在富水砂层盾构施工中除了地表的隆沉问题外，由于富水砂层土体流动性强且渗透率高其容易出现喷涌问题。喷涌问题是指盾构机在进行排土时出现渣土的喷溅，这是因为富水砂层土体内部含水量较高且渗透率高，这样盾构机土仓难以完全平衡外部的水压，导致渣土在出土口位置仍具有一定的压力从而出现喷涌。而且在盾构机掘进过程中土体会通过刀盘上的渣槽结构进入土仓，而在富水砂层盾构施工时由于土体含水量过高其粘度较大，土体容易在刀盘中央的渣槽处聚集并压实，当刀盘中央渣槽出现泥饼堵塞时土体会向四周扩散，而随着土体流量的增加周边的渣槽也会出现粘土聚集的现象，同时，土仓内部的土体也会被压实。此时刀盘与土层间的摩擦力也会大幅提升，因此在掘进时刀盘处温度会显著升高，随着温度的升高原本压实的土体也会被烧结而形成坚固的泥饼，当泥饼形成后刀盘难以继续开掘土体，盾构机也会出现停滞。

在富水砂层盾构施工中出现的泥饼固结及喷涌问题都是由于土体含水量高、流动性强且渗透率高所导致的，因此在本次施工中施工人员结合以上特性优化了渣土改良过程。盾构施工中渣土改良主要是为提升渣土的流塑型同时调节渣土的渗透率、稠度及阻力，便于盾构机保持土压的平衡同时改善渣土排出效果。目前在渣土改良中主要使用的有泡沫剂、膨润土及水，但是由于富水砂层中自身较高的含水量，因此，本次施工中在进行渣土改良时主要使用的是泡沫剂及膨润土。

泡沫剂的使用主要是为了改善土体的流塑性，使用泡沫剂后土体便不易在刀盘的渣槽出聚集，且由于土体可顺畅地从排土器排出，其也不会在盾构机下方聚集，盾构机前进过程阻力也会随之降低。而且使用了泡沫剂之后可以部分降低富水砂层土体的渗透率，这样在土体开掘时土层地下水流失问题可以得到改善从而保证掘进过程中的土层稳定。但是由于富水砂层中土体内部结构过于松散，仅依靠泡沫剂难以真正降低其渗透率，本次施工中还通过膨润土的添加来进行渣土改良工作。

本次盾构施工中主要使用的添加剂类型为吸水性树脂及水溶性高分子，其中吸水性树脂可以大量吸附土体中游离的水分并减少外界水压对后续排土过程的影响，而水溶性高分子在溶解后会起到桥联絮凝的作用，这样土体中颗粒结合更加紧密，粘度也会增加，但2种添加剂的使用过程会出现相互影响因此施工人员需要根据掘进及排土状态及时加以调整。

结束语

富水砂层盾构施工中，由于土体高含水量、高渗透率的特征施工时极易出现喷涌、结块及地面沉降等问题。针对这一现状施工人员结合前期的地质水文勘察合理制订盾构机掘进参数并计算土仓压力，统计选用适宜的泡沫剂及膨润土进行渣土改良，保证了盾构掘进过程的顺利进行。与此同时施工人员还结合土体特性设计浆液配比，严格控制注浆操作，避免了地表沉降，满足地铁施工的需求。

参考文献：

[1]章龙管，杨书江.富水砂卵石地层盾构穿越铁路股道施工技术[J].隧道建设，2009（S1）：36-42.

[2]刘震华.富水砂卵石地层盾构掘进技术探讨[J].工程技术（文摘版），2016（9）：324.