土压平衡盾构机长距离通过浅埋富水砂层的风险分析与应对策略

摘　要： 隧道在地下空间穿行于各种各样的地层,由于受各种客观条件的制约，在线路设计时，往往不可避免的需要将线路设计在埋深较浅的砂层中。然而，土压平衡盾构机在浅埋富水砂层中穿行将存在巨大的风险与较大的施工难度。

关键词：土压平衡盾构机、浅埋、富水砂层、风险 

1 前言

　　随着我国经济的不断发展和城市化进程的加速,城市轨道交通建设在我国各大城市如火如荼的进行。在城市地铁工程施工中，盾构法因其受地面因素影响小、安全度高、施工速度快、对地面环境影响小等优势而得到广泛的应用。隧道在地下空间穿行于各种各样的地层,由于受各种客观条件的制约，在线路设计时，往往不可避免的需要将线路设计在埋深较浅的砂层中。然而，土压平衡盾构机在浅埋富水砂层中穿行将存在巨大的风险与较大的施工难度，譬如容易引起地层沉降大、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题，这些问题若控制不好，将导致管片出现错台、漏水等质量问题，甚至可能造成机毁人亡般的质量事故，损失更是不可估量。因此，如何在各种不利的情况下，使土压平衡盾构机在浅埋富水砂层中保持快速的掘进速度，同时确保施工的安全，并有效保证盾构隧道的质量成为了一项需要迫切解决的问题。

2 背景工程概况

　　珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段施工8标段土建工程由两个区间隧道及相关附属工程组成，盾构区间分别是虫雷岗站～千灯湖站区间、千灯湖站～金融高新区站区间，该工程盾构隧道双线总长4521.974m。

　　【虫雷岗站～千灯湖站】盾构区间沿佛山桂澜路南北走向，覆土深度约为7.8 m～14.3m之间，洞身通过的地层主要为<2-2>淤泥质粉细砂层，<2-3>海陆交互中粗砂层， <3-1>粉细砂层。根据地质勘探资料，上述几种砂层均为软弱的富水和透水地层。

　　根据地质统计分析资料，虫雷～千区间左线隧道通过富水砂层的长度为439.5米，约占该区间总长度的38.05%；右线隧道通过富水砂层的长度为609.5米，约占该区间总长度的52.78%。

3 风险分析

　　（1）地面沉降难以控制，易导致地面坍塌，建（构）筑物损坏

　　1）砂层自身自稳性差，而刀盘开挖直径比盾体外径一般至少大200mm，从刀盘开挖到注浆填充这需要一段较长时间，这期间不可避免产生砂层沉降；

　　2）掘进过程中，不可避免要造成砂层失水，且一定会对砂层产生扰动，这都会导致砂层产生沉降。

　　若沉降控制不好，极易造成地面坍塌、建（构）筑物损坏，存在巨大的风险。[1]

　　图1 富水砂层中掘进引起的地面沉降较大

　　（2）易形成喷涌，从而导致地面坍塌，并且影响施工进度

　　由于富水砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，因此土压平衡盾构在富水砂层中掘进很容易出现喷涌现象，一方面，需用大量时间进行盾尾清理，严重影响盾构施工进度，另外，大量泥砂喷出或砂遇水液化，均易引起地层沉降，从而最终导致地面建（构）筑物沉降变形，甚至损坏。[2]

　　图2 喷涌现象

　　（3）盾构姿态控制难，若控制不好，会导致线形超限，给地铁运营阶段带来安全隐患

　　砂层自身自稳性差，掘进过程中，开挖掌子面经刀盘的不断扰动而失水，在盾构机自重作用下，盾构机机头很容易出现“掉头”现象。另外，由于砂层属于富水层，管片拼装后，隧道容易因地下水的浮力作用而上浮，从而导致管片出现渗漏水、错台、管片开裂等质量问题。上述问题若控制不好，容易造成隧道线形超限给地铁运营阶段带来安全隐患。

4 风险应对策略

　　（1）地面沉降难以控制的应对策略

　　① 采用土压平衡模式掘进，进行开挖面稳定计算，设定合理的掘进参数，控制盾构机姿态，控制土压力以稳定开作面。

　　② 掘进过程土仓顶部压力控制在1.0bar，掘进速度控制在30mm/min以上，出土量不得大于50立方米。

　　③ 尽量做到快速通过。应该尽量提高掘进速度，避免刀盘转动对地层扰动时间过长，造成上部砂层松动，同时掘进速度加快能够及早为管片背后注浆创造条件，有利于隧道稳定和控制地表沉降。

　　④ 做好监测工作，及时反馈监测信息。适当加密监测频率，根据地表沉降和建筑物沉降的监测数据，结合地质情况，及时调整土仓压力、千斤顶推力等施工参数。[3]

　　⑤ 必要时采取在地面预加固措施，比如地面注浆加固、地面搅拌桩、旋喷桩加固；或者对邻近建（构）物进行预加固处理。

　　⑥ 做好同步注浆和二次注浆工作。一方面，防止隧道后方的水流入土仓；另一方面，及时填充管片背后空隙，防止沉降进一步扩大。

　　（2）容易造成喷涌的应对策略

　　① 关闭出土闸门，关掉螺旋机，在顶部土压不超限的情况下继续往前掘进，使土仓基本满土后（此时刀盘油压较高，扭矩较大）停止；然后稍开出土闸门，不启动螺旋机，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。

　　② 关闭出土闸门，螺旋机正转转速调至2.0rpm左右，继续往前掘进，到顶部土压达2.8bar时停止；待土压降低到2.0bar以下时再按前面方法掘进，到刀盘扭矩较大（约3200KN·m）时，关闭刀盘及螺旋机，稍开出土闸门，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。

　　③ 盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料, 改善渣土性能, 提高渣土的流动性和止水性, 防止涌水流砂和发生喷涌现象, 并利于螺旋输送机排土。

　　（3）盾构姿态控制难,容易造成超限的应对策略

　　盾构机的姿态宜保持向上，但趋势宜控制在±4。若出现机头往下掉的情况，需及时通过千斤顶行程调节姿态。调节不可过急，宜通过千斤顶行程及选取最优管片两者结合来调节。 

5 实施效果分析

　　按照《盾构法隧道施工与验收规范》GB50446-2008中管片拼装及成型隧道验收的主控项目作为性能控制指标，其主要性能指标控制如下：

　　1、盾构施工过程中隧道轴线平面位置允许偏差为±50mm，隧道轴线高程允许偏差为±50mm。

　　2、管片在盾尾内拼装完成时，相邻管片的径向错台允许偏差为5mm，相邻环管片环面错台允许偏差为6mm，衬砌环直径椭圆度为±5‰D(D为隧道的外直径，单位：mm)。

　　3、成型隧道轴线平面位置允许偏差为为±100mm，隧道轴线高程允许偏差为±100mm。

　　4、成型隧道相邻管片的径向错台允许偏差为10mm，相邻环管片环面错台允许偏差为15mm，衬砌环直径椭圆度为±0.6‰D(D为隧道的外直径，单位：mm)。

　　广佛线施工8标虫雷～千区间左、右线盾构隧道均采用土压平衡盾构机进行掘进施工，盾构机通过后，笔者对该段隧道的监测数据以及质量检查数据进行了收集、整理、分析。分析结果为：该段隧道地

面累计沉降值为20mm,小于规范要求的控制值30mm，满足要求；该段隧道综合缺陷为8%，质量完全符合盾构隧道设计和验收要求。

6 结语

　　对于盾构长距离穿越浅埋富水砂层，传统的方法是选择泥水盾构机或者采取明挖法进行施工，但在盾构机选型时还应考虑地质条件变化、技术上合理、可靠以及经济性，有时候选用土压平衡盾构机也是情非得已的。然而在实际施工过程中，土压平衡盾构机长距离通过浅埋富水砂层的风险是固然存在的，但是只要应对策略合理，技术措施落实好，做好措施防止因喷涌、失水、扰动等原因造成的沉降，土压平衡盾构机长距离安全顺利的通过浅埋富水砂层也是完全可行的。

参考文献

[1]竺维彬、鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究.广州：暨南大学出版社,2009

[2] 竺维彬,鞠世键,史海欧. 广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究.广州：暨南大学出版社，2007. 

[3] 张风详，傅德明，杨国详，等.盾构隧道施工手册[M]，北京:人民交通出版社，2005.