成都地鐵4號線砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工技術

馮歡歡，楊書江

(1.中鐵隧道集團盾構(gòu)及掘進技術國家重點實驗室，河南鄭州 450001;2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時易出現(xiàn)刀盤刀具磨損、刀盤及螺機卡機等常見故障現(xiàn)象和滯后沉降等控制難點。針對盾構(gòu)在砂卵石地層條件下掘進的特點，研究人員已從刀盤選型及優(yōu)化設計、刀具磨損規(guī)律、同步注漿技術和地層沉降控制等方面進行了相關研究。張明富等［1］采用最新動態(tài)監(jiān)測裝置，對北京地鐵4號線4標角門北路站—北京南站區(qū)間隧道盾構(gòu)刀具進行磨損監(jiān)測，并對砂卵石地層條件下盾構(gòu)刀具動態(tài)磨損情況進行了分析;黃清飛［2］采用理論分析、現(xiàn)場實驗及盾構(gòu)模型實驗等手段對砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具設計及其與土相互作用進行了系統(tǒng)深入地研究;王振飛等［3］對富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)刀具的磨損與適應性進行了分析;宋克志等［4］和馬連叢［5］分別進行了砂卵石地層條件下土壓盾構(gòu)施工泡沫技術和渣土改良技術的研究;楊書江［6］對成都地鐵某富水砂卵石盾構(gòu)區(qū)間地表坍塌原因進行初步分析，并結(jié)合工程實踐提出相應的施工對策;何川等［7］對土壓平衡盾構(gòu)在富水砂卵石地層中的快速掘進技術進行了初步探討;王樹華［8］針對成都地鐵砂卵石地層特點進行了盾構(gòu)選型探討;江華［9］以北京地區(qū)典型砂卵石地層盾構(gòu)工程為背景，研究了土壓平衡盾構(gòu)與砂卵石地層的適應性特征。本文基于成都地鐵4號線一期工程4標區(qū)間砂卵石地層條件下盾構(gòu)施工情況，著重對小半徑曲線段掘進、滯后沉降控制等工程難點進行分析，并提出相應應對措施。

1 工程概況

成都地鐵4號線一期工程4標區(qū)間隧道起于蘇坡立交站東端，止于草堂路站西端。區(qū)間隧道線路見圖1。

圖1 區(qū)間隧道路線示意圖Fig.1 Route of the running tunnel

該區(qū)間盾構(gòu)穿越地層主要為:粉質(zhì)黏土〈2－3〉、粉土〈2－4〉、細砂〈2－5〉、中砂〈2－6〉及卵石土〈2－8〉。其中，卵石地層主要包括:松散卵石土〈2－8－1〉、稍密卵石土〈2－8－2〉、中密卵石土〈2－8－3〉和密實卵石土〈2－8－4〉。卵石含量50% ～75%，粒徑以20～80 mm為主，部分粒徑大于100 mm，充填物為中砂，局部夾漂石。該地層特點是整體松散、自穩(wěn)性較差、經(jīng)擾動后極易塌方，洞內(nèi)和地面加固效果差。

2 掘進參數(shù)控制

盾構(gòu)施工的關鍵是掘進參數(shù)的合理選擇。施工時，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境和施工條件的變化，嚴格控制和靈活調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，主要包括土倉壓力、出渣量、刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩、掘進速度和推力、注漿壓力和流量等。

2.1 土倉壓力控制

由于區(qū)間隧道為砂卵石地層，采用土壓平衡模式掘進，刀盤極易“卡死”而造成推進困難，因而采取適量欠壓模式掘進［10］。土倉壓力通過采取設定掘進速度、調(diào)整排土量的方法建立，并以維持切削土量與排土量的平衡為基準。在盾構(gòu)掘進速度一定的情況下，主要通過調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整出土量，以維持土倉壓力的相對平衡。盾構(gòu)隧道覆土厚度9～13 m，掘進時土倉上方壓力保持在0.1 MPa左右、土倉下方壓力保持在0.08 MPa以上為宜。

2.2 出渣量控制

盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時，出渣超量會造成地面沉降超限，因此，必須將出渣量作為各項掘進參數(shù)的重點加以嚴格控制［11］。出渣量采用體積與質(zhì)量雙重控制機制，螺旋輸送機出土以保證土壓值的穩(wěn)定為前提，不能過大波動。

施工中對渣斗車進行分格量化，從渣斗車頂往下每10 cm所對應的渣土數(shù)值進行精確計算，確保快速確定每環(huán)出渣量。掘進時采取渣土改良措施增加渣土的流動性和止水性，密切觀察螺旋輸送機的栓塞和出土情況，以及時調(diào)整添加劑的摻量。螺旋輸送機轉(zhuǎn)速一般控制在7～10 r/min為宜。

2.3 刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩

因富水砂卵石地層自穩(wěn)性差，如刀盤轉(zhuǎn)速過高，將加大刀盤、刀具的磨損，同時對土體擾動也會加大，不利于土體自穩(wěn)，因此需適當降低刀盤轉(zhuǎn)速［12］。刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.2 r/min較為合適，刀盤扭矩控制在3 000～4 600 kN·m為宜。

2.4 掘進速度和推力

理論上，只要有足夠的推力就能獲得足夠的掘進速度，但在刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，掘進速度越大，刀盤貫入度也越大，在粒徑大的密實卵石層中極易出現(xiàn)卡刀盤等不良現(xiàn)象。

推力的大小依據(jù)掘進速度來調(diào)整，過大會引起刀盤向掌子面的正壓力增大，對刀盤扭矩控制不利。另外，推力也易受到土壓變化的影響，從盾構(gòu)總推力的構(gòu)成分析，除了要克服盾體前進時的摩擦力和刀盤正面破碎巖石的正壓力外，還要克服土體對掌子面的正壓力，該項目盾構(gòu)掘進速度與推力分別控制在45～55 mm/min、10 000～13 000 kN范圍內(nèi)為宜。

2.5 同步注漿壓力和流量

注漿壓力和注漿量是同步注漿的關鍵數(shù)據(jù)。

1)注漿壓力。同步注漿最大壓力根據(jù)底層的水土壓力大小來確定。從盾尾圓周上的4個點同時注漿，上部2個注漿孔的壓力控制在0.15～0.2 MPa，下部2個注漿孔的壓力在0.2～0.25 MPa;

2)注漿量。漿液注漿率按1.5～2.2計算，每環(huán)同步注漿量按6 m3進行控制。

3)注漿速度。注漿速度和推進速度保持同步。

2.6 二次注漿參數(shù)

盾構(gòu)欠壓模式掘進過程中，易造成地面沉降，因此二次注漿至關重要。

1)當盾構(gòu)正常掘進時。在富水砂卵石地層同步注漿漿液終凝時間長，為防止?jié){液流動，利用管片吊裝孔孔位對管片背后進行補充注雙液漿，每隔10環(huán)封閉1圈。

2)當盾構(gòu)掘進出現(xiàn)超挖時。在出渣超量相應位置，利用管片吊裝孔及時對管片上方進行注漿填充，以防止地面塌陷。

3 工程難點及對策

3.1 管片整環(huán)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象

拼裝成型的管片與設計要求的拼裝位置相比較，旋轉(zhuǎn)了一定的角度。當進入圓曲線后，不易調(diào)整，同時也增加了封頂塊的拼裝難度。

3.1.1 原因分析

1)千斤頂油壓差大，管片受力不均勻產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動;管片位置安放不準確，導致拼裝時形成旋轉(zhuǎn)。

2)千斤頂?shù)氖芰Ψ较蚺c環(huán)面不垂直，盾構(gòu)推進時產(chǎn)生導致管片轉(zhuǎn)動的力矩;管片螺栓孔和螺栓之間一般留有3 mm的間隙，給2環(huán)管片之間相互錯動提供了條件。

3)盾構(gòu)刀盤長時間往一個方向旋轉(zhuǎn)，盾構(gòu)自身的反扭矩使管片旋轉(zhuǎn)。

3.1.2 應對措施

1)控制好盾構(gòu)推進的姿態(tài)，每組千斤頂?shù)挠蛪翰畋苊膺^大;調(diào)整好管片環(huán)面的角度，減少推進過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩;拼裝管片時管片要放置正確，千斤頂靠攏時要有足夠的頂力使管片不發(fā)生相對滑動;管片拼裝時，每個油缸的撐靴在頂?shù)焦芷蠒r，要全部扶正，盡量使管片受力均勻。

2)拼裝機操作時要動作平緩。

3)盾構(gòu)主司機在掘進過程中，根據(jù)滾動角及時調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)向。

3.2 小半徑曲線段掘進控制

3.2.1 難點分析

盾構(gòu)到達清江中路后，需經(jīng)過1個小半徑曲線段(R=400 m)。盾構(gòu)在小半徑曲線段掘進過程中，遇到的施工難點主要有:1)隧道軸線控制難度大，糾偏困難;2)管片在水平分力作用下容易發(fā)生較大的位移，造成管片錯臺;3)對地層擾動大，容易產(chǎn)生較大的地面沉降;4)管片易產(chǎn)生開裂和破損;5)漏水現(xiàn)象嚴重。

3.2.2 解決措施

對于小半徑曲線段轉(zhuǎn)彎的難點，主要從盾構(gòu)掘進參數(shù)、盾構(gòu)設備(鉸接裝置)和管片選型等方面來采取措施。

1)糾偏與隧道軸線控制措施。掌握好左右兩側(cè)油缸的推力差，盡量減小整體推力，實現(xiàn)慢速急轉(zhuǎn);盾構(gòu)主司機根據(jù)地質(zhì)情況和線路走向趨勢，使盾構(gòu)提前進入相應的預備姿態(tài)，減少因后期不良姿態(tài)引起的糾偏量。

2)控制管片水平移動。進入緩和曲線段時，將盾構(gòu)姿態(tài)往曲線內(nèi)側(cè)偏移15～20 cm，形成反向預偏移，抵消后期管片向曲線外側(cè)的偏移量。

3)減小對地層的擾動，避免大的沉降。

4)盡量避免錯臺和破損。

5)減少漏水。①做好盾構(gòu)姿態(tài)控制，避免管片推裂變形;②提高管片拼裝質(zhì)量，掘進過程中多次復緊螺栓，壓緊止水膠條;③做好盾尾止水注脂及注漿工作。

3.3 滯后沉降控制

3.3.1 滯后沉降過程分析

刀盤切削土體時，掌子面附近土體受其擾動，在刀盤的前方、上方易形成松散帶，從而引起地層損失。這些地層損失隨著時間推移逐漸擴散到地表，并通過地面沉降、塌陷進行釋放［13］。以下分階段闡述成都地鐵4號線砂卵石地層盾構(gòu)掘進沉降過程。

1)階段1。掘進前，掌子面土體整體穩(wěn)定，刀盤前方和盾殼上方土體略有松散，松散土體是受上次掘進擾動而自然松散的。掘進前土體狀態(tài)如圖2所示。

2)階段2。掘進產(chǎn)生地層損失。掘進時，刀盤前方、上前方原有的松散土體落入土倉，掌子面上方土體出現(xiàn)空隙、空洞，從而形成地層損失。同時，由于砂卵石地層內(nèi)摩擦角普遍較大，土層具有一定的成拱性，形成的空洞會暫時保持一段時間。掘進時掌子面上方產(chǎn)生空隙如圖3所示。

圖2 掘進前掌子面土體狀態(tài)示意圖Fig.2 Diagram of soil condition at tunnel face before boring

圖3 掌子面上方空隙示意圖Fig.3 Diagram of cavity above the tunnel face

3)階段3。即時沉降發(fā)展。受重力等因素影響，盾體附近空洞頂部土體逐步松散、不斷剝落，逐漸填滿下方位置，從而使地層損失由盾體附近向上方發(fā)展。此階段產(chǎn)生的地面沉降具有即時性、一次性，沉降完成后地面迅速趨于穩(wěn)定。即時沉降地層損失向上發(fā)展過程如圖4和圖5所示。

圖4 即時沉降發(fā)展示意圖(發(fā)展中)Fig.4 Development of immediate settlement(in developing)

圖5 即時沉降發(fā)展示意圖(釋放)Fig.5 Development of immediate settlement(released)

4)階段4。再次沉降。大量降雨過后，地層水位逐漸上升，不斷浸泡、沖刷地層，上層松散土體由于細顆粒被不斷搬運，其土顆粒間隙越來越大，最終再次出現(xiàn)較大空隙甚至空洞，并在地下水流作用下快速向上發(fā)展，再次在地面釋放地層損失，造成地面再次沉降、塌陷。再次沉降發(fā)展過程如圖6和圖7所示。

圖6 再次沉降發(fā)展示意圖(發(fā)展中)Fig.6 Development of secondary settlement(in developing)

圖7 再次沉降發(fā)展示意圖(釋放)Fig.7 Development of secondary settlement(released)

3.3.2 控制措施

根據(jù)以上滯后沉降形成機制分析可知，成都地鐵砂卵石地層滯后沉降產(chǎn)生周期長、突發(fā)性強、后期難以發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控。因此，必須遵循“防控為主，監(jiān)測巡視為輔，建立有效應急機制”的治理方針，保障工程質(zhì)量、維護公共安全。

1)掘進前控制。①掘進前做好地面原始高程測量和記錄;②對即將通過地段進行全面仔細地地質(zhì)分析，判斷地層實際層狀和土質(zhì)結(jié)構(gòu)，設定掘進參數(shù)值，確定掘進控制重難點;③根據(jù)前期分析，在進入困難地段、松散地層前，提前調(diào)整好盾構(gòu)掘進狀態(tài)［14］。

2)掘進中控制。①采用土壓平衡模式掘進，保證出渣均勻連續(xù);②進行渣土改良，調(diào)整好渣土流態(tài)，減少刀盤對地層的過多擾動;③避免強行糾偏，防止超挖而使地層損失增大;④嚴格控制出渣量，并加大同步注漿量，并選點及時進行洞內(nèi)二次補充補漿;⑤做好各類監(jiān)測、測量工作，實時掌握地層變形動態(tài)。

3)掘進后控制。對盾構(gòu)通過后的地段進行及時、全面分析，包括掘進原始資料和地面監(jiān)測資料等。重點分析的參數(shù)有:①松散系數(shù)、渣土構(gòu)成、出渣方量和渣土稱重。根據(jù)地質(zhì)圖分析掘進段渣土松散系數(shù)，同時參考實際渣土性狀，判斷理論出渣量及超挖情況;②掘進注漿速度、注漿量。根據(jù)實際注入的同步漿液、二次漿液情況判斷地層松散情況，并且折算出同步注漿、二次注漿補損情況，評估地層損失量;③地面監(jiān)測資料。根據(jù)地面沉降觀測資料，制作沉降速率圖，并根據(jù)沉降情況判斷該段掘進后地層損失情況。通過綜合分析以上各種參數(shù)，得出較為精確的地層實際受損情況。

根據(jù)分析，對即時沉降正在發(fā)生或即時沉降發(fā)生后、滯后沉降尚未發(fā)生的情況及受掘進擾動影響的地層進行注漿填充(見圖8)。

圖8 頂管注漿示意圖Fig.8 Diagram of grouting

4)建立應急機制。①建立健全應急體系，確保信息渠道通暢;②責任到人、各司其責、分工明確;③設立專用搶險物資庫，預備專用機械和材料;④全天候地面監(jiān)測和巡視，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

5)注意事項。①地面在掘進后一周內(nèi)塌陷或沉降量大的地段，其下地層基本為自由剝落的松散土，極易發(fā)生較大的滯后沉降;②掘進前、掘進中控制的目的是防止超挖、盡量減少地層損失，以控制滯后沉降產(chǎn)生條件;掘進后控制則是著重對可能產(chǎn)生滯后沉降的松散體進行跟蹤處理，彌補其地層損失，從根本上消滅滯后沉降發(fā)生條件;③人是關鍵因素。使用經(jīng)驗豐富的盾構(gòu)司機進行盾構(gòu)掘進，技術熟練的工人進行盾構(gòu)操作及施工，杜絕人為因素造成的沉降超限;④地面塌陷較淺時，采用級配良好的回填土回填，并視情況分層碾夯振實，塌陷深度大時，采用C20素混凝土灌注密實。

4 結(jié)論與討論

在成都地鐵4號線施工過程中，根據(jù)地質(zhì)條件的變化及盾構(gòu)掘進狀態(tài)，實時調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩、推進速度、推力和注漿量等關鍵掘進參數(shù)，有效克服了管片整環(huán)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，順利完成了小半徑曲線段的施工，在滯后沉降控制等方面也取得了良好的效果，最終實現(xiàn)盾構(gòu)安全、高效掘進。該工程的實施經(jīng)驗對富水砂卵石地層的盾構(gòu)施工具有較好的借鑒意義，拓展了土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍。但在滯后沉降控制方面仍需要進一步研究，如何有效檢測掘進形成的地層損失也是今后研究的重點。

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