富水液化砂层土压平衡盾构掘进地表沉降控制技术

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　　摘  要：文章结合福州市轨道交通4号线一期工程螺～帝区间工程实例，从地层特性、掘进参数变化、同步注浆及二次注浆量控制和地表沉降监测值方面着手，对土压平衡盾构机在富水砂层中掘进地表沉降及其产生的原因进行分析研究，并根据地表沉降规律制定针对性的措施，为后续相似地层土压平衡盾构施工提供借鉴。
　　关键词：土压平衡盾构施工;富水砂层;沉降控制;应对措施
　　中图分类号：U455         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）03-0158-02
　　Abstract： Combined with the engineering example of Luo-Di section of the first phase project of Fuzhou Rail Transit Line 4， this paper starts from the aspects of stratum characteristics， the change of tunneling parameters， the control of synchronous grouting and secondary grouting and the monitoring value of surface subsidency. in this paper， the ground subsidence and its causes driven by earth pressure balance shield machine in water-rich sand layer are analyzed and studied， and the corresponding measures are made according to the law of surface subsidence. It can be used as a reference for the subsequent construction of earth pressure balance shield in similar strata.
　　Keywords： earth pressure balance shield construction; water-rich sand layer; settlement control; countermeasures
　　1 工程简介
　　1.1 工程概况
　　螺洲镇站～帝封江站区间线路出螺洲镇站后沿下穿首开地块后，侧穿螺洲大桥桩基、下穿帝封江行进至帝封江站，线路两侧主要为农田空地、厂房、基建工地。本区间采用盾构法进行施工，为全地下盾构区间，由螺洲镇站双线始发，在帝封江站接收后吊出。左线盾构全长1222.874m;右线盾构全长1222.077m。区间隧道覆土最大厚度23.8m，最小厚度9.9m。
　　1.2 水文地质情况
　　（1）区间地质情况。区间洞身范围内0～180环穿越地层为含泥中细砂，180～470环穿越地层为粉质黏土和淤泥质土，470～750环穿越地层为淤泥夹砂和粉细砂，750～1018环穿越地层为淤泥质土、含泥中细砂。（2）地表水。螺洲镇站-帝封江站区间地处闽江流域，下穿河涌、帝封江、池塘，地表水体发育。乌龙江为闽江支流，是天然的泄洪排沙水道，接受大部分中游夹砂，一般宽度为10-30m深，深度1.5-3.0m多数污染严重，生活垃圾和漂浮物众多，淤积较为严重，零星分布的池塘水域面积大小相差较大，水深0.5-2.0m不等。（3）地下水。本地下水按赋存方式分为第四系松散层类孔隙水和块状基岩裂隙水。本场地的主要相对隔水层包括<2-4-1>淤泥、<2-4-2>淤泥质土、<2-4-4>淤泥夹砂、<3-1>粉质黏土、<3-4>淤泥质土，其富水性差，微透水～弱透水。根据含水层和隔水层的空间分布不同，可将松散层类孔隙水分为上层滞水、松散层孔隙潜水和松散层孔隙承压水三种。
　　2 地表沉降原因分析
　　螺～帝区间地表沉降主要集中在10～40环之间，即含泥中细砂地层，本地层含泥量较少（6.5%左右），为液化富水砂层。
　　2.1 数据采集统计分析
　　在发现地表沉降超限后，组织技术人员对掘进参数进行统计分析，左线数据统计如表1。
　　组织测量监测人员加密监测频次并记录原始数据，地表沉降如图1所示：
　　图1 监测点累计变化量折线图
　　从表1和图1可以分析富水砂层中盾构机掘进参数和地表沉降的变化规律：（1）富水砂层掘进过程中盾构机总推力及扭矩均较大，随着土仓压力的增加，总推力及扭矩随之增加，且掘进速度有所降低。（2）在保证土仓压力大于计算压力0.1～0.2bar时，刀盘前方位置所对应地表基本无沉降或有在控制值范围内的微小沉降。（3）盾构机在前进过程中，由于盾构机切削土体直径比盾体外径大3cm，而此时不能进行同步注浆，在通过刀盘后继续沉降。沉降值一般达到10-20mm。（4）管片脱出盾尾后，由于地层自稳能力差且同步注浆浆液未凝固，地表沉降值又有一次较为明显的下降。（5）待管片脱出盾尾5～10环后，由于同步注浆和二次注浆的共同作用，地表沉降趋于稳定。
　　2.2 影响地表沉降因素分析
　　（1）地层方面原因。盾构在富水砂层中掘进时，地下水含量丰富，地层反应速度较快，且地层自稳能力较差，施工过程中地层受到微小的影响，就可能导致区间上方地表产生较大的沉降。根据盾构区间地表沉降监测数据显示，施工过程中地表沉降在盾构通过范围内变化较大，因此在富水砂层中采用盾构法施工时，必须保持水土平衡，达到减小地表沉降的目的。（2）掘进参数方面原因。此种地层在掘进过程中由于推力较大且扭矩较大促使掘进速度较慢，从出土量来看每环都会有不同程度超挖，大概3～5方左右。由于地层含水非常丰富，螺旋機出渣的过程中会出现轻微的喷涌现象，导致地层中部分水土流失，也是地表沉降的一个重要原因。（3）受扰动土体的固结。盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区。当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区，其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。 　　3 地表沉降的控制措施
　　3.1 掘进参数控制措施
　　主要控制盾构机掘进的总推力、扭矩、掘进速度等，采取的方法是向盾体外侧注入高粘度的纳基膨润土，膨润土经过发酵12小时，测得膨润土粘度不小于60s后，将膨润土通过盾体径向注浆孔注入到盾体与地层之间，膨润土的注入量为1.5方/环，注入膨润土的作用为减少地层沉降和防止因地层沉降将盾体裹住而增加盾构机的总推力。适当增加刀盘转数，增加至1.5rpm/min左右。通过盾体外部注入膨润土和增加刀盘转数后，盾构机的总推力降至16000kN左右，扭矩1800～2000kN·m，掘进速度达到30～50mm/min，采取措施后盾构机掘进参数满足此种地层施工要求。
　　3.2 渣土改良控制措施
　　富水砂层掘进螺旋机发生“喷涌”，需要对碴土改良，材料和配比进行从新选择和设计。通过现场试验发现，单靠注入膨润土或泡沫剂或膨润土和泡沫剂共同进行碴土改良均无法有效改变碴土的“塑性流动状态”，螺旋机出碴不均匀，掘进速度不稳定，掌子面容易失稳的情况。
　　在采用传统的渣土改良措施不能够满足施工要求后，决定采用向泡沫原液内加入高分子聚合物的方法对渣土进行改良，当高分子聚合物与泡沫原液的比例为1：10时，碴土改良效果得到了大大地提高，碴土流动性较好，出碴均匀，出渣量得到了有效控制，且在施工过程中刀盘仓稳定，地层损失率明显减小，地表沉降得到了有效的控制。
　　3.3 同步注浆及二次注浆控制
　　（1）同步注浆质量控制。由于砂土的渗透性较好，实际注浆量应大于理论计算量，以保证注浆质量，注浆量的填充系数选取150～200%。同步注浆浆液应选取初凝时间短，能够快速填充管片外壁与地层间的建筑间隙，避免地面沉降超限。施工现场实际使用的浆液配合比在试验配合比的基础上进行微调，通过改变注浆材料用量或外加剂的方法将浆液初凝时间调整在4～6个小时范围内，浆液稠度控制在10～12cm范围内，施工过程中应每班对浆液质量进行检查，并形成记录，保证同步注浆浆液质量。（2）二次注浆质量控制。针对富水砂层地层后期因土体固结造成的地表沉降、同步注浆浆液凝固后的体积收缩而造成的管片渗漏水情况，需对管片进行二次注浆。当管片脱出盾尾5环后对管片吊装孔进行开孔补浆，二次注浆可选择每隔一环注浆一次。二次注浆因无法计算衬背空隙量，现场注浆时通常以注浆压力来控制，超过控制压力即停止注浆。注浆压力不大于0.5MPa，以免造成管片外周围压力过大，对管片造成破坏。
　　4 结论
　　通过对福州轨道交通4号线螺～帝区间富水砂层盾构掘进施工的分析与总结，设定合理的土仓压力、采取向泡沫剂中加入一定比例的高分子聚合物提高碴土改良效果、向盾体外部注入高粘度膨润土的方法可以有效的控制富水砂層地表沉降。盾构施工地表沉降的影响因素是多方面的，施工掘进前需对地层进行充分的了解，结合不同地层的试掘进，制定相应的解决措施，以满足规范和设计的要求。
　　参考文献：
　　[1]朱伟，陈仁俊.盾构隧道技术问题和施工管理[J].岩土工程界，2001（12）：18-20.
　　[2]张飞进.盾构施工穿越既有线地表沉降规律与施工参数优化[D].北京工业大学，2006.
　　[3]边金，陶连金，郭军.盾构隧道开挖引起的地表沉降规律[J].地下空间与工程学报，2005，1（2）：247-250.
　　[4]吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].西南交通大学，2003.
　　[5]李义华，庞征.富水砂层土压盾构掘进地表沉降控制技术[J].建筑机械化，2013，34（12）：60-62.
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