盾构穿越富水砾砂层施工技术探讨

盾构穿越富水砾砂层施工技术探讨

徐席春

中建八局轨道交通建设有限公司江苏南京210000

摘要：为了控制盾构穿越既有构筑物时有效抑制地面沉降和建筑物结构变形，保证施工质量和安全．依托地铁盾构下穿既有构筑物的工程实例，开展了地质条件突变、承压水丰富等复杂地质条件下地铁盾构区间推进过程对地面构筑物的影响分析，介绍了带压开仓换刀、精控推进参数及关键环顶部注浆加固等掘进控制技术措施．并提供了盾构穿越建筑物施工安全控制的建议．结果表明，本施工技术有效抑制了地面沉降和建筑物结构的变形，保证了施工质量和安全．

关键词：盾构；富水砂层；轨道交通；施工技术

引言

为了缓解城市日益繁重的交通压力，越来越多的城市开始兴建地下铁道，其中盾构法是常用工法。盾构在推进过程中开挖面稳定性关系到工程的成败，开挖面支护压力过大或过小都可能导致其失稳，实际施工中绝大部分为主动失稳（即开挖面前方土体向隧道内部滑移）。当盾构在含水砂层中施工时，地下水渗流对土层产生的损伤劣化及渗透拖拽力将使开挖面稳定性的控制变得更为困难，因此寻求一种快速、合理的方法评价该条件下开挖面的稳定性变得尤为重要。国内外学者主要基于极限平衡法和极限分析上限理论对渗流作用下开挖面的稳定性进行研究，其中极限平衡法以其便利性在实际工程中被广泛采用。采用数值方法求解得到渗流场的分布，并利用基于极限平衡的条分法求解保持开挖面稳定的极限支护压力。基于数值方法得到渗流场的分布，将其引入到经典楔形体模型中并利用量纲分析法求解极限支护压力。将渗流场引入到魏提出的梯形楔形体模型中求解极限支护压力，将其推广到多层土情况。因边界条件的复杂性，目前尚无三维渗流场的解析解，相关学者均通过数值模拟方法求解，这给求解渗透力带来困难，进而给求解极限支护压力带来困难。本文采用数值仿真计算对隧道不同埋深及跨度条件下的稳态渗流场进行模拟，并利用拟合法得到隧道覆土层中竖向孔隙水压力及隧道穿越层中水平水头分布的函数表达式，将得到的孔隙水压力函数引入到太沙基竖向松动土压力计算模型及经典楔形体模型中求解开挖面极限支护压力的闭合解，通过与离心试验结果对比证明本文方法的优越性，研究成果可为盾构在渗透性砂层中施工时开挖面稳定性的判别提供直接可靠的计算途径。

1工程特点

（1）1.8公里长距离富水粉细砂地层盾尾刷及刀具的磨损直接影响施工安全及进度，如何保证盾尾刷不漏浆及不开仓换刀是本工程的难点。（2）长距离下穿富水粉细砂地层易形成喷涌，导致塌方和地面建筑物破裂，富水粉细砂地层含水量极高，并且砂土渗透性较强，容易发生液化。因此，在富水粉细砂地层中采用盾构掘进的施工方式很容易造成喷涌的现象。同时，这种情况发生以后，需要用很长的时间对盾尾进行清洗处理，这就严重的阻碍了施工的进度，还可能会导致不能按时完成工作。除此以外，由于大量的泥沙喷出或者是被水渗透，就容易引起地面下沉，最终对地表的建筑物造成破坏。

2实施方案

2.1施工监测控制参数分析

采用盾构法施工的复杂地层，出土量控制难度高，施工中对地层有较大的扰动且引起地表沉降是不可避免的，地面沉降大小及分布，在很大程度上受盾构掘进时的施工过程控制．我国确定的城市地面变形沉降基准为“＋１０～－３０ｍｍ”，以确保地面建筑物的安全．盾构在穿越建构筑物时地表沉隆允许隆起值为１０ｍｍ，允许沉降值为３０ｍｍ．施工中以沉降或隆起超过规定限值（－３０／＋１０ｍｍ）的８０％作为监测预警值，确保地面建筑物、地下管线的安全和正常使用．监测范围包括：地表沉降（隆起）、建筑物基础沉降监测、建筑物裂缝、倾斜监测．

2.2盾构机选型

刀盘：刀盘体为“8个圆柱辐条+8小面板”形式结构，刀盘的开口率约为50%。采用优质高强度钢板和耐磨材料焊接。采用Q345B/C高强度钢板焊接而成，并通过焊接式支腿法兰和主驱动连接，可以对掌子面提供有效的机械支撑。刀盘辐条设计为圆柱形，转动时，土体阻抗小，非常利于渣土流动；刀盘背部配置有四个搅拌棒，增强土仓内渣土的流动性。刀盘大圆环外周，小面板正面，刀盘辐条正面约150°范围内加焊致密耐磨网格，能大大提高刀盘整体的耐磨性能。主驱动：采用变频电机驱动，额定扭矩5700KNM，脱困扭矩6300KNM能够满足地层对于刀盘扭矩的需求，主轴承采用原装进口高可靠性三排圆柱滚子轴承，轴承寿命大于10000小时，密封采用高承压的聚氨酯密封。螺旋输送机：采用内径820mm轴式叶片螺旋输送机，螺距630mm，最大出渣粒径可达Φ300mm×590mm，最大扭矩196kNm，最高转速21r/min，设计最大排土能力350m3/h；防喷设计：设置有一道前盾前闸门，伸缩行程1000mm；预留了膨润土和高分子聚合物注入接口和保压泵接口，后闸门在设备断电时，可自动关闭闸门。满足盾构最大推进速度下的碴土输送；空心驱动轴设计，提高了驱动轴刚度，降低了驱动阻力。

2.3土体改良试验

碴土改良：碴土改良是复合式土压平衡盾构的重要功能，通过向碴土注入泡沫、膨润土、聚合物或水等添加剂，增加碴土的流动性，降低碴土的透水性，达到堵水、减磨、降扭及保压的效果，对平衡、维持开挖面的稳定有重要作用。刀盘上布置有6个注入口，土舱隔板上分布有4个注入口，螺旋输送机前后两段共分布有8个注入口。改良参数：在富水砂层掘进中，若只使用膨润土做渣土改良剂，刀盘祖矩会很大，推进困难；只使用泡沫剂渣土，会使士仓内水土比变大，加大喷涌风险，改良效果也并不理想。在富水砂层中掘进，为达到理想的渣土改良效果，需配合使用膨润土浆液与泡沫剂。（1）膨润土泥浆：当膨润土与水的质量比为1：8到1：10时，膨润土泥浆粘度处于最佳状态，且流塑性刚好；膨润土浆液比重1.06g/cm3，当膨润土泥浆与砂层的体积比为1.5：10～2.5：10时，改良后拌合料的坍落度达到为155～210mm，此时圆砾的坍落度已达到或靠近盾构施工渣土的最优坍落度值。（2）泡沫剂浓度从1%到3%时，气泡的半衰期由7.5min上升到13.5min，气泡的稳定性变化明显；而泡沫剂浓度从3%到6%时，气泡的半衰期由13.5min上升到14.5min，气泡的稳定性变化不大。泡沫剂稀释液掺量从1：2到1：4时，拌合料坍落度由210mm下降到160mm，拌合料的流塑性最佳，粘性最强。

3结束语

盾构掘进土仓压力控制、掘进参数的合理选择以及渣土改良是穿越富水砾砂层有效控制地面沉降的核心，渣土具有不透水性和流塑行是关键。有效防止出现砂层喷涌现象，避免土仓压力波动，引起地面沉降。通过盾构机选型、掘进渣土改良、掘进参数选择及地表沉降数据进行分析总结，土压平衡盾构完全可以顺利通过富水砾砂层。

参考文献

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