富水软土地层盾构掘进施工技术

崔建东

北京城建轨道交通建设工程有限公司

摘要：广州市河湖众多，水网发达，随着城市化进程不断加快，南珠江两岸也加快了开发的步伐。本文以广州市轨道交通十号线某区间为例介绍了富水软土地层盾构掘进通过控制与优化掘进参数、渣土改良、改善同步注浆工艺以达到控制地层变形、管控风险及提高效益的目的。为类似工程施工提供了借鉴。

关健词：富水软土地层，盾构掘进，施工技术

引 言

随着我国经济的快速发展，地铁越来越普及随着工程的增多，城市交通压力得到有效缓解，交通安全水平得到提高它在一定程度上是城市社会经济发展的主要产物。从目前各大地铁的应用情况来看，已经得到了广泛的应用，地铁工程对变形控制要求很高，因此，如何在富水软土地层盾构掘进施工具有重要意义，富水软土层含水量高，流动塑性大，周围环境差在盾构施工过程中，盾构机的姿态容易失控，这种现象主要表现在盾构机头栽植和上浮，从而造成盾构管片浮动和其他问题；如果盾构参数控制不当，会对周围环境和结构造成破坏地面容易下沉。因此，盾构隧道施工的风险分析非常重要并进行风险控制，确保开挖面稳定，有效控制地表沉降，准确确保沿线构筑物安全，合理选择隧道控制施工管理指标管理意义重大。本文以广州市轨道交通十号线明挖车站为例介绍了盾构法在富水软土层中施工的成功经验，供参考。

1. 工程概况

区间所属地貌为珠江三角洲冲积平原（海陆交互冲积区），场地地形较平坦，相对高差较小，地面高程一般为7.33～8.76m。以水道、道路、厂房、空地为主。

区间右线长度1794.459m，设计起迄里程为YDK19+375.100～YDK21+166.000，采用土压平衡盾构法施工，区间隧道管片外径6.4m，内径5.8m，管片厚度0.3m，管片宽度1.5m，楔形量48mm。区间隧顶覆土约11.5m～27.7m。最大埋深位于进江前空地为27.7m，最小埋深位于珠江航道内为11.5m。

区间主要穿越翠园路、电力管廊、高压电塔、工业厂房、珠江堤防工程、丫髻沙大桥、环城高速及其他道路等。区间线路出东沙站后向东敷设，约670m处下穿珠江，穿越珠江主航道后进入丫髻沙岛，出岛后穿越珠江航道，最后向东北穿越石溪社区、厂房等进入大干围站。区间地层对沉降较为敏感，对隧道施工要求较高。详见【图1大干围站～东沙站区间场地环境卫星图】。

【图1 大干围站～东沙站区间场地环境卫星图】

2. 工程地质、水文条件

2.1地质情况大致如下：

（1）杂填土<1-1>

杂色，有灰黑色、砖红色、褐红色、黄色等，主要成分为黏性土、碎石、砼块、生活垃圾、建筑垃圾等回填而成，路面段和厂区等地段上部10cm为碎石垫层或砼路面。杂填土主要呈松散～欠压实状，不均匀，为近代人为填土，填龄大于5年。

（2）淤泥<2-1a>

深灰、灰黑色，饱和，主要由粉黏粒组成，含少量粉细砂，局部夹团状粉砂，可见朽木，略带腥味，局部有机质富集相变为泥炭质土，局部有贝壳碎片或蠔壳。

（3）中粗砂<3-2>

呈灰黄、灰白色，饱和，以稍密～中密松散，颗粒成分以石英、长石为主局部，局部含少量黏粒，分选性差，级配良好，底部混有少量砾砂。

（4）粉质黏土<5n-1>

呈褐红、暗紫红色等，稍湿，可塑状，为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩风化残积土，土质较均匀，干强度韧性低，遇水易软化崩解，压缩性中等。

（5）全风化泥质粉砂岩<6>

主要呈全风化泥质砂岩和粉砂质泥岩，暗紫红色、青灰色，母岩多为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，岩石矿物风化强烈，原岩组织结构已基本风化破坏。

（6）强风化粉砂质泥岩<7-2>、强风化泥质粉砂岩<7-3>

褐红、紫红、紫褐色，母岩多为泥质粉砂岩，岩石矿物风化强烈，风化裂隙发育，原岩结构大部分破坏。

（7）中风化泥质粉砂岩<8-3>

青灰色，泥质结构，层状构造，泥质、钙质胶结，失水易干裂，岩芯较破碎，呈块状～短柱状，岩质软，锤击声哑。

区间盾构始发段200m左右为软土地层，拱顶及上部洞身范围内地层主要为<2-1a>淤泥层和<3-2>中粗砂层。

2.2水文情况：

本区间地下水按赋存方式为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，初见水位埋深0.7-2.9m，稳定水位埋深0.8-3.6m。

（1）第四系松散层孔隙水、

第四系松散层孔隙水主要赋存于海陆交互相沉积层淤泥质粉细砂<2-2>、淤泥质中粗砂<2-3>、冲洪积粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>中。

渗透系数K<2-2、2-3>=3.5m/d，K<3-1>=8.0m/d，K<3-2>=12.0m/d，本站第四系松散层孔隙水主要为承压水，局部为潜水。

（2）层状基岩裂隙水

基岩裂隙水主要赋存于砾岩和泥质粉砂岩强风化带及中等风化带中，地下水的赋存不均一，在裂隙发育地带，水量较丰富，具承压性。渗透系数一般为0.99～1.40m/d。

3. 掘进参数分析及优化

2.1土压力分析

盾构隧道采用土压力平衡时，施工的关键是设置水土压力、推进速度、推力与土方量的关系，并根据松弛高度计算土压力的理论值，对盾构施工轴线和地面沉降的控制起着重要作用。在施工过程中，结合推进数据，对土压力进行分析，优化推进速度、推力和注浆量，土压力偏差不大于±10kpa，确保地面变形在规范范围内。

2.2出土量分析

密封室内土压力根据螺旋输送机的速度和闸门的开度来控制，Φ6680mm盾构机理论开挖量为52.54m³/环。采用土压平衡式盾构机时，实际开挖与理论开挖的关系为98%-100%，以保证盾构前方土体的稳定性。当盾构保持一定的正土压力时，输送机的速度决定了排土量。为了保持土压力的平衡，必须控制好螺旋输送机的速度和盾构千斤顶的推进速度。开挖量影响开挖面稳定性和前刀盘土压力。因此，控制排水量是控制地表变形的重要措施。

2.3推进速度分析

在推进过程中，通过对地压传感器的数据分析，控制盾构千斤顶的区域压力、推力和推进速度，以保持适当的地压值，使盾构推进速度与开挖速度相匹配。

2.4同步注浆参数分析

地表沉降的主要原因是周围地层的损失、周围土体的扰动以及剪切破坏引起的重塑土的再固结。施工过程中同步注浆的四个关键要素是：注浆材料与配合比、注浆压力、注浆量、灌浆时间，是防止隧道坍塌和控制地表沉降的关键。为减少和防止地面沉降，盾构掘进过程中，通过同步灌浆及时填补盾构尾与开挖轮廓之间的间隙，并在盾构尾部衬砌后的环形建筑缝隙中填充灌浆，避免地面沉降。

3、渣土改良

盾构掘进过程中，参数正常，盾构姿态准确可控，掘进顺利，减少了刀盘的冲击和磨损。在盾构施工过程中，隧道开挖面土体特性得到了改善在地质软土层中，通过盾构刀盘设计的气泡注浆喷嘴将气泡剂注入前方土体中，有效降低刀盘扭矩，降低刀盘压力，使渣土适宜、易处理。施工工艺为避免土仓形成泥饼，应严格控制弃渣改良，保证设备的完整性和弃渣运输的连续性，确保穿越建筑物的稳定进行。

4、同步注浆工艺

地层自稳能力差，盾构掘进后受扰动的围岩不能自稳，易产生坍塌变形，从而引起地表沉降，采用同步注浆及时回填，必要时再以二次补强注浆进一步填充，确保对盾尾建筑空隙填充密实。

4.1同步注浆

富水软土层含水量高，地层流动塑性大，盾尾段脱垂形成后收缩变形的快速发展不利于水土流失的控制。因为地层中含有由于水量大，泥浆实际初凝时间延长，盾尾不受约束随着节段数的增加，节段在浮力和偏心力的作用下容易发生变形向上位移。因此，泥浆能及时填补管片后的建筑缝隙，尽快固化泥水是富水软土层盾构施工的关键之一，对其速度要求很高凝血和早强的作用特点。

同步灌浆A水泥浆配合表1，同步灌浆B水泥浆配合表1水玻璃液配合比见表2，同步灌浆采用a、B液配合比测量结果如表3所示。

表1同步注浆A液水泥浆配合比用量单位：kg

材料	水泥	水	8％泥浆	缓凝剂
配合比用量	800	800	240	10

表2同步注浆B液水玻璃配合比用量单位：L

材料	水	水玻璃
配合比用量	1	3

表3同步注浆A、B液配合比用量单位：L

材料	A液水泥浆	B液水玻璃
配合比用量	10	1

4.2二次注浆

同步注浆能及时填补盾构尾楼空隙，控制地面变形和沉降，提高浆液固化后的强度。但是，由于局部不均匀或泥浆固结收缩，可能会出现一些缝隙，必要时再补充以二次注浆，进一步填充空隙并形成密实的防水层，同时也达到加强隧道衬砌的目的。

二次注浆一般在管片与岩壁间的空隙充填密实性差而致使地表沉降得不到有效控制或管片衬砌出现较严重渗漏的情况下才实施。

4.3注浆材料

盾构施工用背衬灌浆材料应具有料源广、可注射性强、耐久性好、坚固强度满足设计要求、对地下水及周围环境无毒污染、价格低等特点。注浆浆液应具有良好的流动性，便于盾构移动过程中的连续注浆。一次环灌浆后，浆液具有良好的强度和膨胀性，可避免后期收缩变形。二次灌浆材料应具有较强的可注射性，能补充同步灌浆的缺陷，起到同步灌浆的填充和补充作用。同步灌浆和二次灌浆常用的灌浆材料有膨润土、粉煤灰、黄砂、水、水泥等。

当地下水非常丰富时，有必要封闭地下水。同时，为了尽快建立泥浆的高粘度，使泥浆灌入缝隙时，能排出地下水，并将地下水推入地层深部，取得最佳的充填效果。浆液的凝胶时间需要调整到1~4min。必要时可采用水泥浆进行二次灌浆。

5、结束语

综上所述，文章结合工程实例，深入分析了掘进参数以及同步注浆工艺，得出:(1) 在具体施工过程中，要在充分了解盾构机性能、严密关注掘进参数等才能保证施工质量。(2) 盾构掘进施工具有很强的综合性和系统性，在具体施工建设中，需要从土压力分析、推进速度分析、掘进模式的选择、推进速度控制、出土量控制、同步注浆参数分析、渣土改良等多方面同时入手，才能保证施工质量。

参考文献

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