1土壓平衡盾構在富水砂層中施工控制的重點及技術措施

1、土壓平衡盾構在富水砂層中施工控制重點及技術措施摘要介紹南京地鐵一號線地鐵玄武門站 南京站區(qū)間采用土壓平衡盾構在富水砂壓中開挖隧道積 累下的成功經(jīng)驗。關鍵詞地鐵隧道；土壓平衡盾構；始發(fā)；進站；技術措施在富水砂層中進行地下項目施工，一直倍受廣大項目建設者關注和探討，特別是上海地鐵四 號線（浦東南路南浦大橋區(qū)間）地鐵施工中隧道內(nèi)發(fā)生涌砂事故后，引起了建筑項目界巨大的震 動。南京地鐵玄武門站許府巷站南京站區(qū)間盾構隧道項目，盾構要在全斷面的砂層中兩次始發(fā)， 一次進站，并要穿過約二十幢舊多層居民樓，在周密的技術方案和精心施工安排，使得項目安全、 優(yōu)質(zhì)完成。1地質(zhì)條件及砂層主要物理參數(shù)該標段屬古河道漫灘地貌

2、，基巖埋藏較深，均大于25m。軟弱土層較厚，主要為低塑性淤泥粘土、 粉質(zhì)粘土及中到稍密的粉細砂。隧道所通過的粉細砂地層為良好的富水和透水地層（-2d2-3粉砂夾細砂和-3d2粉細砂的物理力學參數(shù)表一），其飽含地下水，滲透系數(shù)達5x 10-3cm/s,地層遇 水極容易液化，使得地層變得更加不穩(wěn)定，容易引發(fā)坍塌，施工中極易產(chǎn)生涌水、涌砂及開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象。另外隧道上方覆土層次多，分布不勻及土質(zhì)差異大，使地質(zhì)情況變得錯綜復雜。砂層主要物理力學參數(shù)值附表巖土巖土含水量重度（濕）孔隙比壓縮系數(shù)壓縮模量地基承載垂直滲透水平滲透分層名稱WVea1-2ES1-2力標準值系數(shù)K/ X系數(shù)KiX(%（KN/m）-1

3、(MPa)(MPafk (KPa)-210 (m/d)-210 (m/d)-2d2-3粉砂夾細砂29.019.30.7740.12814.6513098.52337.31-3d2粉細砂30.219.00.8290.13814.45150422.67/2盾構機設計在富水砂層中要考慮的關鍵因素服務于本項目的盾構設備是引進德國海瑞克公司的，但該盾構機設計時結合了我國盾構施工 經(jīng)驗和很多專家的意見，在海瑞克公司原設計基礎提出了很多技術措施改良。因為盾構機的密封系統(tǒng)和盾構機刀盤設計將是在富水砂層中施工成敗的關鍵，在此作詳盡的介紹。2.1盾構密封系統(tǒng)的設計盾構要在地下幾米至十幾米深的地層中施工，該范圍的土

4、層中含有豐富的地下水，盾構必須 設計有良好的密封系統(tǒng)，方能滿足在地下施工的需要。在盾構設備設計中，應考慮盾尾密封系統(tǒng)和 鉸接密封系統(tǒng)的防水性能，這兩個部位的防水，是保證盾構施工安全和保證地面建筑物和管線安全 的重要保障。一、盾尾密封系統(tǒng)：盾構機的盾尾設計了三排彈性較好的鋼絲刷用來防水，鋼絲刷中之間間距30cm,為減少鋼絲刷磨損和增加密封功能， 在整個圓周盾尾鋼絲刷間設置了 8個油脂孔， 盾構前進中自動或手動向鋼絲刷中注入密封油脂，填充鋼絲刷之間的空隙，防止泥水進入管片安裝 工作面。二、鉸接密封系統(tǒng)：一般盾構在中體與盾尾之間連接都采用鉸接連接的方式，有利于盾構在曲線施工作線路糾偏，這樣連接部位間

5、就必須考慮防水措施。 盾構設計時在鉸接部位采用了彈性 較好的橡膠條，并且在橡膠里面設置氣囊，其主要作用是：橡膠止水條用于一般線路的防水， 但在曲線半徑較小轉彎角度較大的線路上時，僅靠橡膠彈性防水不一定能滿足需要了， 此時可通過向橡 膠止水條中的氣囊充氣，使橡膠止水條膨脹進一步提高盾構機的防水性能。2.2盾構機刀盤設計盾構刀盤設計是關系到整個項目施工進展能否順利進行的關鍵，在設計中要周詳考慮。一個 失敗的刀盤設計，將給施工中帶來諸多麻煩，如常出現(xiàn)“泥餅”、盾構掘進速度很慢、甚至掘不動、 地表產(chǎn)生很大沉降導致建筑物開裂或倒塌等一系列問題。因此，盾 構刀盤的刀具選型，應根據(jù)不同地層的情況而定，在巖層

6、中，刀盤 設計應以滾刀為主，刮刀輔助；而在砂層軟土地層中，刀盤設計考 慮切刀為主，刮刀輔助。本項目的盾構刀盤設計了切刀112把，刮刀16把，中心刀1把，刀盤開口率達 40%，刀盤分成4塊，有16 個碴槽。碴槽布置與土碴開挖量對應，其中 8個碴槽接近刀盤中心， 防止刀盤中心部位“泥餅”的形成，同時提高刀盤的開挖效率。刀 盤及密封隔板有泡沫、泥漿注入管路，可調(diào)節(jié)碴土的塑性及粘度、 降低透水性及內(nèi)摩擦力，便于不同地質(zhì)的開挖，保持土倉土壓的穩(wěn) 定，減少功率消耗。盾構刀盤（圖一） 3 盾構在富水砂層中安全始發(fā)、進站的技術措施盾構始發(fā)或進站，一般都需要對端頭地層進行加固，然后破除車站原圍護結構（一般是人工

7、挖 孔樁、鉆孔樁或是連續(xù)墻等），盾構刀盤穿過圍護結構抵達土體撐子面或進入車站。在國內(nèi)端頭加 固一般采用高壓噴旋樁、深層攪拌樁、冷凍法等方法加固。加固范圍一般如下：始發(fā)端頭，長度是 沿著隧道縱向6米，寬度為盾構直徑左右兩邊各延長 3米，深度為盾構下方3米至盾構上方3米。 進站端頭，加固寬度和深度與始發(fā)的相同，只是加固長度就不同，長度為隧道縱向3米。以下將著重介紹本項目盾構在富水砂層中始發(fā)及進站的技術措施：戦簿頭加國喂面圖（圖二）3.1盾構在富水砂層中始發(fā)的技術措施盾構始發(fā)端頭加固，選用了縱向6米范圍高壓 旋噴樁和深層攪拌結合的加固方法。在靠洞門結 構位置施工兩排三重管高壓旋噴樁，主要作用是 改良

8、土體，形成較好的止水帷幕，后面施工7排深層攪拌樁，作用為改良土體，減少土體側壓力，保證洞門結構破除后端頭土體能自穩(wěn)（端頭加固平面圖二）。三重管旋噴樁施工設計工藝參數(shù)：樁徑設定為1.2m，樁間距為0.8m，水泥用量控制在800kg/m，漿液水灰比0.8: 1,空氣壓力設定為0.60.7MPa,水壓設定為3338MPa,噴漿壓力 設定為4MPa，漿液流量80升/min，提升速度8cm/min，轉速為8r/min。深層攪拌樁設計工藝參數(shù)： 樁徑設定為直徑0.7m,樁間間距為0.5m，攪拌加固面積為024m2，水泥用量控制在80kg/m，漿液 水灰比為0.5: 1，噴漿壓力為2MPa，鉆桿提升速度為5

9、0r/min，提升速度為6cm/min。加固等強 28天后，進行垂直抽芯檢查和洞門水平探孔檢查各項指標達到需要，進行洞門圍護結構砼的破除。破除洞門結構砼原則上先破除外層鋼筋混凝土，保留里排鋼筋和約10cm厚的砼層。迅速安裝橡膠簾布和扇形鋼壓板，并往刀盤土倉里塞三分之二倉土坯。待以上準備工作完成后，由下往上，分塊破除鋼筋混凝土，并盡快使盾構機前移，使其刀盤頂?shù)郊庸腆w撐子面。從安裝橡膠簾布到盾構前移， 應控制在12個小時內(nèi)完成，否則盾構撐子面暴露時間過長容易產(chǎn)生加固體失穩(wěn)變形現(xiàn)象。盾構開 始向前掘進時，暫不出碴，并往土倉內(nèi)加大量的泡沫，改良碴土，以建立土倉壓力，至此盾構始發(fā) 已成功。3.2盾構在富

10、水砂層中進站的技術措施盾構在砂層端頭進站，比起普通地層進站，難度系數(shù)就更大了。在砂層中進站，很容易發(fā)生“涌3n砂”原因是盾構機開挖的直徑比盾構機機身的直徑大， 使得盾構機外圍形成一長環(huán)縫，這條縫隙在壓力的作用 下，細砂和水很容易從這縫隙進入車站， 引發(fā)地面坍塌 事故。在盾構進站時，必須采取有效的措施防止流砂的 發(fā)生。在本項目中，盾構進站端頭加固仍采用高壓旋噴 樁加固，旋噴樁加固參數(shù)與始發(fā)旋噴樁加固參數(shù)一樣， 但加固范圍就截然不同了。盾構進站加固范圍，靠洞門位置沿縱向全斷面加了 3米長，再向后設計了一個三面兩排旋噴樁加固的井字止水帷幕，具體加固范圍如（圖三）。這設計，綜加考慮了盾構進站時出現(xiàn)有“

11、涌砂”事件，可以保證止水帷幕外面建 筑物的安全，另一面，有了這個止水帷幕，大大減少土體對洞門的側向作用壓力，出現(xiàn)涌砂也容易 封堵。在施工中，當盾構的刀盤抵達洞門前沿的加固體時， 此時盾構的盾尾已穿過了縱向第一道旋 噴樁止水帷幕，應暫停盾構掘進，通過管片吊裝把盾尾后的5環(huán)管片注雙液漿，確保止水帷幕外的 泥水再沒有通道進入井字帷幕內(nèi)。 待注漿的強度達到終凝后，迅速把洞門的鋼筋砼破除，安裝洞門密封，盾構迅速向車站內(nèi)推進，直到盾構尾刷完全進入全截面加固體2米后，方可停止掘進。在盾構刀盤進入車站后，此時可能盾構與洞門之間的縫隙有噴砂水的現(xiàn)象， 可以通過用鋼絲繩收緊洞門 密封來解決，如噴涌不是很厲害，大可

12、不必理它，只要迅速把盾構往前推，盾尾到達3米范圍的加 固體內(nèi)時，再通過同步注漿，管片壁后注漿，更嚴重的采用遇水膨脹的聚胺酯把砂水堵住。到此,盾構機暫停兩天，使注的漿液已有強度，此時盾構再進站已不存在安全隱患了。4 在富水砂層地層里，盾構在多層建筑群下掘進的施工技術措施在某個盾構項目中，盾構在砂層中施工時，因為沒有足夠重視，施工時發(fā)生盾構鉸接部位漏砂現(xiàn)象， 雖漏的砂水僅有5立方，并馬上由隧道內(nèi)向地層中注水泥漿， 但已沒法補救。漏砂攪動了地層的穩(wěn) 定，地面發(fā)生較大的沉降，在盾構上方的一幢多層建筑物迅速開裂， 最后通過從地面對建筑基礎進 行注漿加固，方穩(wěn)定房屋繼續(xù)沉降開展。雖最后建筑物保住了，但建筑

13、物的維修就耗資一百多萬元。 吸取了別人慘痛的施工教訓，本項目【許南】區(qū)間盾構機始發(fā)之后就要下穿廖家巷 2號建筑物群， 根據(jù)建筑物和地下管線調(diào)查成果的報告顯示，這些建筑物大部分建成的年代都比較久遠，基礎大都為條形基礎，承載能力較差，部分房屋已有數(shù)條裂紋。根據(jù)許南區(qū)間的設計線路，盾構機并不是在這些建筑物的正下方通過，而是從建筑物的角部或側部穿過（詳見部分廖家巷建筑群與地鐵 隧道平面關系圖）。這樣盾構機通過勢必將對這些建筑物造成不同程度的不均勻沉降，對房屋造成龜麗變形的一觸握律不同程度的危害。如何能將沉降控制在規(guī)定范圍之內(nèi)，確保建筑物與居民的安全，是必須慎重考慮 的問題。盾構過廖家巷建筑群前，召集參

14、建的專家對盾構在砂層中過建筑群施工技術措施進行研討, 制定了以下措施：在盾構進入建筑群前，應對 盾構機進行全面的檢修，減少盾構因設備故障停 機，保證盾構連續(xù)快速向前掘進；刀盤土倉壓 力應比普通地層施工要提高，并根據(jù)地表監(jiān)測的 結果，不斷調(diào)整土倉壓力參數(shù)，具體要符合盾構 沉降的一般規(guī)律（如圖四盾構施工地面變形的一 般規(guī)律）。需要從同步注漿壓力、注漿量來確保管片與地層中的間隙填充密實，特別指出注漿量不要拘泥于平常需要的130%- 180%勺填充率，有資 料表明有些地層中充填率可達 250%應堅持根據(jù)監(jiān)控量測情況指導盾構施工；加強地表及建筑 物的監(jiān)測，把監(jiān)測的成果及時反饋到盾構操作室，以指導盾構施工

15、參數(shù)的控制；盾構掘進過程中, 要有專人檢查盾構的鉸接密封和盾尾密封， 發(fā)現(xiàn)有泄漏，及進處理。需要控制盾構每循環(huán)的出渣 量，發(fā)現(xiàn)異常要及進處理。在十幾米深的富水的砂層中，土倉內(nèi)的水壓力很大， 如施工中不注意 控制,出渣時很容易發(fā)生“噴涌”，將因為壓力的析放造成刀盤前方的撐子面塌陷， 地面將發(fā)生較大的沉降。經(jīng)過實踐摸索，總結出防止噴涌的措施：盾構掘進的每循環(huán)結束前，先停止出渣，打開螺 旋輸送機的閘門再掘進一段，約為1020CM發(fā)現(xiàn)土倉壓力沒有變化后方關閘門和停止盾構掘進， 確保土倉內(nèi)滿倉土，并把土倉內(nèi)的氣壓從閘門擠壓出來，有效避免“噴涌”現(xiàn)象的產(chǎn)生；如果發(fā)生 了“噴涌”，螺旋輸送機的出碴門宜減小，

16、開啟寬度為 150m200mm并通過正反轉和加入大量的 泡沫來改良渣土，達到堵水和利于渣土排放的目的。 盾構施工中，首先在一塊較為空曠的地下進行 了盾構機保養(yǎng)和維修，同時進行了盾構施工配套設備（水平運輸?shù)碾娖寇?、垂直運輸?shù)拈T吊和砂漿 攪拌站等）的保養(yǎng)和維修。在確保盾構設備運轉為正常狀態(tài)下向前掘進。盾構掘進參數(shù)，也是經(jīng)過反復計算和比較，再根據(jù)平時施工的經(jīng)驗總結，具體見（表二）。廖家巷建筑群在盾構線路上方的建 筑物達20幢，盾構隧道線路達300米長。從盾構機到達影響建筑群范圍，到盾構機完全穿越建筑 群，共享20天，地表最大沉降22.5mm建筑物最大沉降18.2mm從監(jiān)測結果顯示，地表沉降基本 符合

17、原設定的規(guī)律，如29-B5-2點的房屋點沉降-距離曲線圖。施工時，在盾構前方的監(jiān)測點變形控制在+1-1mm范圍內(nèi)，盾構 通過時，監(jiān)測點沉降變形在 -3-6mm范圍內(nèi)，地表最終沉 降控制在1525mn范圍內(nèi)。在 周密的施工方案和技術措施指 導下，盾構在富水砂層中成功 穿廖家巷建筑群，給我們留下 了很多寶貴的施工經(jīng)驗，供以后施工中作參考盾構在建筑群中設定的施工參數(shù)（表二）盾構機總推力刀盤扭矩盾構掘進速度注漿壓力注漿量出碴量土倉壓力(t)(t*m)(mm/min(Mpa(m)(m)(Mpa1057135532439540 820.32 0.353.2 3.536 44上 0.23 中 0.26下 0.295 結束語本文是把南京地