下穿黃河強(qiáng)透水砂卵石地層隧道施工參數(shù)研究*

黎水昌，李洋溢，秦鮮卓

(1.廣西南天高速公路有限公司，廣西 河池 547000； 2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

泥水平衡式盾構(gòu)工法在國內(nèi)外穿越江河湖海隧道工程中的應(yīng)用越來越廣泛，如日本東京灣道路隧道、荷蘭格雷恩哈特隧道、南京緯七路越江隧道、上海人民路越江隧道、北京地下雙線鐵路隧道等均采用該工法修建[1-2]。與其他施工方法相比，泥水平衡式盾構(gòu)工法具有掘進(jìn)效率高、地層擾動(dòng)小、地層適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來，已有學(xué)者對(duì)盾構(gòu)在各種地層條件下的安全施工技術(shù)和施工參數(shù)控制問題等進(jìn)行了大量研究，如顏波等[3]結(jié)合實(shí)際工程地表沉降參數(shù)，對(duì)盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義；郭信君等[4]針對(duì)南京長江隧道滲透性高的砂礫地層，系統(tǒng)性地總結(jié)隧道施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)和施工參數(shù)，對(duì)于我國大直徑泥水平衡式盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展具有重要參考意義；黃君[5]依托華電靈武電廠向銀川智能化集中供熱一期項(xiàng)目下穿黃河段盾構(gòu)法隧道工程，統(tǒng)計(jì)及分析了富水飽和砂性地層下長距離下穿黃河的相關(guān)施工控制參數(shù)，該研究具有較強(qiáng)的工程價(jià)值；李希宏等[6]探究了福州地鐵4號(hào)線不同地層條件下的盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)，并結(jié)合數(shù)值模擬手段，與實(shí)際施工監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證掘進(jìn)參數(shù)與地層的適應(yīng)性；徐天生等[7]以杭州市某供水管道工程土壓平衡盾構(gòu)施工為背景，針對(duì)其粉質(zhì)黏土、淤泥等軟弱土層，研究土壓平衡盾構(gòu)在軟弱土層中的掘進(jìn)參數(shù)與控制措施。

蘭州地鐵下穿黃河隧道工程砂卵石地層具有富水性高、滲透性高、卵石含量高、卵石強(qiáng)度大等特點(diǎn)，工程地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境較罕見。隧道施工難點(diǎn)主要表現(xiàn)為：①地層結(jié)構(gòu)松散，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)易破壞地層初始穩(wěn)定狀態(tài)，造成開挖面頻繁塌方，無法保壓；②砂卵石地層孔隙率大，滲透性高，泥漿成膜效果差，不能有效保持開挖面土體穩(wěn)定；③刀盤、刀具磨損嚴(yán)重，在黃河河底開倉檢查和更換刀具作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。由此可見，如果隧道區(qū)間砂卵石地層條件復(fù)雜，隧道施工面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，若隧道施工參數(shù)控制不合理，將極大影響隧道施工安全，引發(fā)開挖面失穩(wěn)、地表塌陷等事故。針對(duì)下穿黃河強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)施工參數(shù)的研究較少，為此，結(jié)合蘭州地區(qū)黃河階地復(fù)雜的地質(zhì)條件，對(duì)泥水平衡式盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行分析與控制，并結(jié)合國內(nèi)部分已建成的水下盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，分析水下盾構(gòu)隧道施工參數(shù)設(shè)定的合理性和依據(jù)。

1 工程概況

蘭州市軌道交通1號(hào)線迎門灘站—馬灘站區(qū)間設(shè)計(jì)為雙線隧道，隧道左、右線間距設(shè)計(jì)為6.8m。線路總體呈V字形，線路縱坡坡度設(shè)計(jì)為2.8%。左線起訖里程設(shè)計(jì)為ZK13+150—ZK15+057，全長1 907m；右線起訖里程為YK13+150—YK15+057，全長1 907m。本工程為國內(nèi)首條下穿黃河的城市地鐵隧道工程。

隧道區(qū)間采用泥水平衡式盾構(gòu)工法進(jìn)行施工，泥水平衡式盾構(gòu)直徑設(shè)計(jì)為6.48m，盾體長約9.2m(不含配套設(shè)備)。管片外徑為6.2m，厚度為0.35m，長度為1.2m，縱、環(huán)向采用雙面楔形環(huán)管片錯(cuò)縫拼裝。盾構(gòu)隧道從銀灘黃河大橋上游約38m處下穿黃河，下穿黃河段長達(dá)404m，勘察時(shí)期河水深度約為2.5m，隧道頂距河床底部18～24m。

2 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道區(qū)間地層由上至下主要為雜填土層、第四系全新統(tǒng)中砂(分布于卵石層間)和卵石層、第四系下更新統(tǒng)卵石層，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

隧道區(qū)間內(nèi)的主要含水層為砂卵石層，最大厚度可達(dá)316.77m。地下水主要賦存于卵石層中，卵石層綜合滲透系數(shù)可達(dá)55～60m/d，滲透性較強(qiáng)，為強(qiáng)透水地層。盾構(gòu)隧道主要穿越第四系下更新統(tǒng)卵石層，本地層結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)較復(fù)雜，地下水極豐富，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)、河底地表沉降、涌水涌泥、管片上浮的風(fēng)險(xiǎn)極高。盾構(gòu)下穿黃河段時(shí)，應(yīng)設(shè)定合理的掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，適當(dāng)提高泥漿性能參數(shù)，減少對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，避免開挖面失穩(wěn)及涌水涌砂事故的發(fā)生。

3 隧道施工參數(shù)控制

泥水平衡式盾構(gòu)施工參數(shù)主要包括盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、泥漿性能參數(shù)、壁后注漿參數(shù)、二次注漿參數(shù)，各參數(shù)相互聯(lián)系、密切相關(guān)，施工時(shí)應(yīng)綜合考慮，對(duì)其進(jìn)行有效控制。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中還應(yīng)根據(jù)不同的地層條件、隧道埋深、施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平等確定合理的施工參數(shù)。通過施工參數(shù)的合理調(diào)整與控制，可提高盾構(gòu)施工效率，達(dá)到有效控制地表沉降和穩(wěn)定開挖面的目的。

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

本研究盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)主要包括盾構(gòu)推力、切口泥水壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制。結(jié)合黃河階地砂卵石地層特點(diǎn)，設(shè)定合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，既要考慮其對(duì)地層擾動(dòng)的影響，又要考慮其對(duì)刀盤、刀具磨損的影響，確保隧道開挖面土體穩(wěn)定。

3.1.1盾構(gòu)推力

現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及施工效果表明，盾構(gòu)穿越黃河段時(shí)，設(shè)定的盾構(gòu)推力較大，其值基本控制為9 000～13 000kN，波動(dòng)范圍較大；盾構(gòu)未下穿黃河段時(shí)，盾構(gòu)推力較小，其值基本控制為9 000～11 000kN，波動(dòng)范圍較小，如圖1所示。

圖1 典型隧道區(qū)間盾構(gòu)推力

分析現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可得以下結(jié)論。

1)盾構(gòu)下穿黃河段時(shí)，水文地質(zhì)條件更復(fù)雜，存在諸多不確定因素。為適應(yīng)多變的地質(zhì)條件，使盾構(gòu)推力波動(dòng)范圍較大，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，確保開挖面土體穩(wěn)定。

2)盾構(gòu)下穿黃河段時(shí)，砂卵石層間細(xì)砂易隨著水的滲透而流失，使卵石顆粒間的咬合作用變?nèi)?，黏聚力降低，卵石骨架受盾?gòu)施工擾動(dòng)易坍塌。為保證開挖面土體穩(wěn)定，應(yīng)適當(dāng)提高盾構(gòu)推力。

3.1.2切口泥水壓力

泥水平衡式盾構(gòu)主要利用有效泥水壓力平衡地下水土壓力，達(dá)到支護(hù)和穩(wěn)定開挖面土體的目的。因此，切口泥水壓力設(shè)定合理性對(duì)盾構(gòu)施工安全具有較大影響。

現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)穿越黃河段時(shí)，切口泥水壓力較大，多控制為0.22～0.26MPa，波動(dòng)范圍較??；盾構(gòu)未下穿黃河段時(shí)，切口泥水壓力較小，多控制為0.18～0.22MPa，波動(dòng)范圍較小，如圖2所示。

圖2 典型隧道區(qū)間切口泥水壓力

分析現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可得以下結(jié)論。

1)盾構(gòu)未下穿黃河段時(shí)，切口泥水壓力不宜過高，應(yīng)結(jié)合地層條件、隧道埋深等因素進(jìn)行合理調(diào)整。

2)盾構(gòu)穿越黃河段時(shí)，地下水位高，面臨更大的地下水土壓力，且地下水滲流會(huì)對(duì)開挖面產(chǎn)生影響。為有效保持開挖面土體穩(wěn)定，切口泥水壓力應(yīng)相對(duì)較大，避免發(fā)生開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象。

3)當(dāng)切口泥水壓力波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)引起較大的地層擾動(dòng)，不利于開挖面土體穩(wěn)定，因此盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格保持切口泥水壓力穩(wěn)定。

3.1.3盾構(gòu)掘進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)適當(dāng)增大掘進(jìn)速度、降低刀盤轉(zhuǎn)速可減少刀具磨損。由于本工程強(qiáng)透水砂卵石地層為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，盾構(gòu)掘進(jìn)速度不宜過快，以免影響地層和開挖面土體穩(wěn)定。

為有效保證隧道開挖面土體穩(wěn)定，盾構(gòu)穿越黃河段和未下穿黃河段掘進(jìn)速度均較小，且變化范圍較小，基本控制為14～20mm/min，如圖3所示。

圖3 典型隧道區(qū)間掘進(jìn)速度

3.1.4刀盤扭矩

隨著掘進(jìn)距離的增加，刀具磨損情況越來越嚴(yán)重，在刀盤阻力增大的同時(shí)，刀盤扭矩相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)侗P扭矩較大時(shí)，可適當(dāng)降低盾構(gòu)掘進(jìn)速度，結(jié)合實(shí)際情況、參考相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)確定最佳取值。

現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)穿越黃河段和未下穿黃河段刀盤扭矩值差別較小，多控制為700～1 000kN/m，波動(dòng)范圍較大，如圖4所示。

圖4 典型隧道區(qū)間刀盤扭矩

3.1.5盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制是影響隧道施工安全的關(guān)鍵因素，如控制不當(dāng)，盾構(gòu)會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線，當(dāng)偏差大于容許界限值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地表沉降增大，須進(jìn)行反復(fù)糾偏。糾偏過程中管片環(huán)面受力不均，管片間易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象。因此，在盾構(gòu)施工過程中，須嚴(yán)格控制掘進(jìn)姿態(tài)，盡可能使其沿隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。

施工過程中，盾構(gòu)中心線與隧道設(shè)計(jì)軸線的水平偏差始終控制在40mm以內(nèi)，垂直偏差始終控制在30mm以內(nèi)。為保持良好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，實(shí)際工程中主要采取以下措施：①采用高精度盾構(gòu)導(dǎo)向遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和人工測(cè)量技術(shù)進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，工作人員可依據(jù)系統(tǒng)反饋結(jié)果及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使偏差滿足要求。輔以人工測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)精確定位，以保證盾構(gòu)掘進(jìn)方向準(zhǔn)確。②對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)裝置系統(tǒng)進(jìn)行合理分組，通過調(diào)整盾構(gòu)各方向編組的油缸推力控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和方向。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)偏向隧道設(shè)計(jì)軸線上方時(shí)，可適當(dāng)增加盾構(gòu)下方油缸組推力或減小盾構(gòu)上方油缸組推力；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)偏向隧道設(shè)計(jì)軸線左側(cè)時(shí)，可適當(dāng)增加盾構(gòu)右側(cè)油缸組推力或減小盾構(gòu)左側(cè)油缸組推力；當(dāng)盾構(gòu)處于直線平坡段時(shí)，應(yīng)使全部油缸組推力保持相近。

3.2 泥漿性能參數(shù)

根據(jù)達(dá)西定律，泥漿中顆粒會(huì)在滲透壓的作用下向地層中滲透，此過程泥漿顆粒會(huì)慢慢填充地層間隙，使地層滲透系數(shù)減小，從而在開挖面形成致密性良好的泥膜。相關(guān)研究表明，采用性能良好的泥漿漿液，可形成致密的泥膜，有利于開挖面穩(wěn)定。泥漿性能參數(shù)主要包括泥漿黏度與相對(duì)密度。

從開挖面土體穩(wěn)定角度考慮，泥漿黏度與相對(duì)密度越大，成膜性能越好，有效的泥水壓力越大，對(duì)開挖面土體穩(wěn)定越有利。然而，如果泥漿黏度與相對(duì)密度過大，泥漿流動(dòng)時(shí)所受阻力相應(yīng)增大，導(dǎo)致泥水運(yùn)送泵等工作功率相應(yīng)增大。因此，選擇合理的泥漿性能參數(shù)時(shí)，既要考慮泥膜質(zhì)量，又要考慮泥漿設(shè)備綜合性能。

盾構(gòu)穿越黃河段時(shí)，泥漿黏度多控制為25～40Pa·s，泥漿相對(duì)密度多控制為1.15～1.25；盾構(gòu)未下穿黃河段，泥漿黏度多控制為19～34Pa·s，泥漿相對(duì)密度多控制為1.1～1.2，如圖5，6所示。分析可知，與未下穿黃河段相比，盾構(gòu)穿越黃河段時(shí)適當(dāng)提高泥漿性能參數(shù)，有利于形成致密性良好的泥膜，使泥漿壓力有效作用于開挖面，有效應(yīng)對(duì)黃河段相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，以保證隧道開挖面土體穩(wěn)定。

圖5 典型隧道區(qū)間泥漿黏度

圖6 典型隧道區(qū)間泥漿相對(duì)密度

3.3 壁后注漿參數(shù)

壁后注漿參數(shù)主要包括注漿漿液性能、同步注漿量(注入率)、同步注漿壓力等。選擇合適的注漿漿液，合理調(diào)整注漿量和注漿壓力，及時(shí)填充管片脫離盾尾后留下的間隙，對(duì)抑制地表沉降、控制管片上浮及提高隧道抗?jié)B性等具有重要作用。

3.3.1漿液性能

壁后注漿常用漿液包括單液漿和雙液漿[8-9]。實(shí)際工程對(duì)各影響因素進(jìn)行綜合考慮后，同步注漿選擇單液漿(水泥)，二次注漿采用雙液漿(水泥+水玻璃)。施工現(xiàn)場考慮單液漿初凝時(shí)間較長，且漿液注入砂卵石地層后易流失，注漿后不能滿足迅速控制地層沉降的要求。因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，如果單液漿注漿效果不佳，地表沉降不能得到有效控制，應(yīng)配合使用雙液漿。

3.3.2同步注漿量

同步注漿可有效填充盾尾地層間隙，對(duì)減少地層擾動(dòng)具有重要作用[9]，如圖7所示。砂卵石地層松散，且孔隙率較大、滲透性高，為有效控制地層擾動(dòng)，需加強(qiáng)盾尾同步注漿控制，合理調(diào)整注漿量和注漿壓力，提高注漿工藝水平。在盾構(gòu)內(nèi)部空間允許的情況下，可根據(jù)地質(zhì)條件合理確定注漿孔位置和數(shù)量。本工程采用雙泵四管路裝置進(jìn)行同步注漿，注漿時(shí)選擇自動(dòng)控制方式。根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合黃河階地特有的砂卵石地層特點(diǎn)，將同步注漿量控制為理論建筑間隙的150%～200%。

圖7 盾尾同步注漿效果示意

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)未下穿黃河段和穿越黃河段注漿量變化較小，注漿量多控制為5.5～6.2m3/環(huán)，如圖8所示。經(jīng)計(jì)算，實(shí)際注漿量為理論建筑間隙的165%～185%。本工程注漿量較大，這是因?yàn)槎軜?gòu)在滲透系數(shù)大的地層中掘進(jìn)，漿液注入后易流失。

圖8 典型隧道區(qū)間同步注漿量

3.3.3同步注漿壓力

同步注漿壓力控制應(yīng)滿足有效填充建筑間隙而不對(duì)土體產(chǎn)生劈裂的要求。若注漿壓力過大，可能造成漏漿、跑漿等現(xiàn)象；若注漿壓力過小，會(huì)影響漿液注入和填充地層效果，導(dǎo)致地表沉降增大。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)穿越黃河段和未下穿黃河段注漿壓力變化較小，注漿壓力多控制為0.2～0.3MPa，如圖9所示。注漿壓力可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，確保達(dá)到漿液有效填充建筑間隙的目的。注漿壓力不宜過大，以免引起漿液滲漏和地表隆起等。

圖9 典型隧道區(qū)間注漿壓力

3.3.4二次注漿參數(shù)

如果進(jìn)行同步注漿后，地表沉降控制效果不明顯，需進(jìn)行二次注漿。二次注漿參數(shù)主要包括二次注漿壓力和注漿量。二次注漿壓力主要依據(jù)注漿口水土壓力確定，二次注漿量依據(jù)地層條件、同步注漿效果等確定。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，二次注漿量控制為同步注漿量的15%～20%。在卵漂石含量較多的地層中，應(yīng)適當(dāng)增加二次注漿量。

4 結(jié)語

本文針對(duì)蘭州地區(qū)黃河階地特有的大粒徑強(qiáng)透水砂卵石地層條件，對(duì)下穿黃河泥水平衡式盾構(gòu)隧道施工參數(shù)進(jìn)行研究。工程實(shí)踐表明，隧道穿越黃河段施工過程安全、順利，采取的施工參數(shù)實(shí)施效果良好。

1)盾構(gòu)施工參數(shù)相互聯(lián)系、相互影響，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)綜合考慮各參數(shù)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，從而確定合理的施工參數(shù)。

2)盾構(gòu)穿越黃河段的地層條件復(fù)雜多變，為保證開挖面土體穩(wěn)定，施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高盾構(gòu)推力，保持切口泥水壓力穩(wěn)定，盾構(gòu)掘進(jìn)速度不宜過快。

3)盾構(gòu)穿越黃河段時(shí)，適當(dāng)提高泥漿性能參數(shù)，利于形成致密性良好的泥膜，有效應(yīng)對(duì)穿越黃河段相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，以保證隧道開挖面土體穩(wěn)定。

4)黃河階地砂卵石地層孔隙率較大，滲透性強(qiáng)，為有效減少地層損失和地表沉降，應(yīng)加強(qiáng)同步注漿控制，選擇初凝時(shí)間較短的注漿漿液。