成都富水砂卵石及淤泥质黏土交互地层盾构下穿房屋施工技术
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作者:廖华强 王春明
摘 要：盾构在成都富水砂卵石、淤泥质黏土、泥岩等工程性质截然不同的交互地层中施工，掘进管理及地面沉降控制均面临诸多难题和风险，尤其是在渣土改良、刀盘结泥饼、出土量超量、姿态控制和沉降超限坍塌等方面问题突出，且行业内鲜有案例、技术经验或研究成果。通过对成都地铁8号线某区间盾构在上述交互地层段掘进施工技术进行研究，总结了土压平衡盾构在富水砂卵石、淤泥质粘土及泥岩交互地层中无地面预处理措施长距离下穿房屋掘进施工管理和过程控制关键技术，实践应用效果良好隧道安全顺利贯通，相关施工技术经验可供类似工程借鉴。
关键词：盾构;富水砂卵石;淤泥质黏土;交互地层;下穿房屋
中图分类号：TB 文献标识码：A doi
：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.099
0 引言
成都冲积平原特有的富水砂卵石地层，曾被认为是土压平衡盾构施工的禁区，但通过行业各界十多年的施工技術研究总结和设备优化改进，该地层盾构机设备及掘进施工技术已非常成熟。目前成都地铁运营里程已达302km，在建里程超过300km，区间隧道基本均为土压平衡盾构掘进砂卵石、砂泥岩或两者叠加复合地层。盾构在上述地层中下穿房屋的成功案例和研究成果已较多，如龚学权、钟山等人均做了相关实践研究并发表多篇论文，西南交通大学管会生教授等也有相关系统深入的研究和多本著作。但本工程土压平衡盾构在富水砂卵石、淤泥质粘土、泥岩交互地层中基本无地面预加固等措施情况下长距离下穿多栋重要房屋，在成都地铁尚属首次。由于本区间含淤泥质黏土段约占隧道总长的25%，其余75%均为富水砂卵石和泥岩地层，同时地面房屋密集基本无预加固处理实施条件，隧道地层迥异和地面预处理措施限制，首先要求盾构机选型尤其是刀盘刀具配置必须有较为宽泛的适应性，其次渣土改良及掘进参数控制更要精准和高度匹配。施工过程中通过地质补勘、试验段参数总结修正、刀具配置优化调整、渣土改良试验研究及严格的掘进管理等技术措施，两台盾构先后安全顺利下穿房屋并提前贯通，无沉降超限及掘进困难等情况。本文主要对上述施工关键技术和实践经验进行总结阐述。
1 工程概况
本工程盾构区间全长1193.328m，最大纵坡24‰，隧道埋深10.47～19.3m，管片外径6m。盾构掘进前75%长度范围主要为富水砂卵石、强风化泥岩、中风化泥岩地层;后25%长度约300m范围主要穿越富水砂卵石、淤泥质黏土及泥岩交互地层，同时连续下穿密集房屋建筑。地下水埋深4.1～6.1m，淤泥质黏土饱和砂卵石层饱和含水。其中淤泥质黏土呈软塑～流塑状，最小压缩模量1.63，最大压缩系数达1.60，地基承载力仅为60kPa，自稳性差，具有明显的高压缩性、低承载力特点。
隧道砂卵石及淤泥质黏土交互段上方分布有7栋20世纪90年代修建的浅基础砖混结构房屋，主要为在使用民房和维修车间，人员活动频繁。该段隧道曲线半径400m，对应管片环号为593～660环。
综合区间水文地质情况，本区间采用中铁装备6250土压平衡盾构机施工，四辐条面板式复合刀盘，开挖直径6280mm，配备滚刀和全轨迹刮刀，刀盘设计综合开口率36%。
2 主要问题分析
成都地区盾构掘进地层基本为富水砂卵石、砂泥岩地层，软塑～流塑状淤泥质黏土及富水砂卵石交互地层盾构施工基本无类似案例和技术经验借鉴，在该地层条件下盾构小半径曲线连续下穿房屋建筑更是首例，施工安全风险和社会关注度高，该段盾构施工被列入成都地铁最高等级“特别重大风险源地进行重点管控，主要面临以下问题和风险需研究解决。
（1）地质差异大对盾构机适应性要求更为宽泛，刀盘刀具配置如何兼顾不同掘进段几种不同地层是需研究解决的首要问题。
（2）房屋建筑地面预加固处理条件受限，仅极少处地面有条件对房屋下淤泥质黏土地层进行注浆预加固，淤泥质黏土扰动变形敏感固结时间长，房屋基础持力层为松散砂卵石，土体损失抗沉降能力差。
（3）盾构掘进范围富水砂卵石、淤泥质黏土、泥岩等地质交互变化频繁，渣土改良和掘进管理控制精准度要求高，地质和地面环境敏感容错能力差。
（4）受地面环境和水文地质条件限制，穿越段无全断面岩层或地面加固条件进行常压开仓检换刀具可能，对渣土改良保护刀具和刀具耐磨提出较高要求。
3 总体技术方案
鉴于复杂施工环境和边界条件限制，只能从盾构机设备优化、渣土改良及施工参数、掘进管理等方面入手研究解决上述主要问题。总体技术方案和研究思路是：下穿期间盾构掘进必须采用土压平衡模式满仓掘进。在盾构施工前尽量利用房屋建筑之间空地布点进行地质补勘，准确修正地质纵断面图，同时留取足够地质钻孔芯样以供后续渣土改良等实验研究用。根据地质补勘修正后的详细水文地质情况，研究制定刀盘刀具优化配置方案，同步进行下穿段地面模拟渣土改良参数试验研究;并设置下穿前试掘进段，结合地面监测和掘进过程情况对理论计算、试验研究参数进行应用修正，得出最终的下穿掘进参数和管理经验，下穿过程中采取严格的管理和组织措施执行。
4 施工关键技术
4.1 刀盘刀具配置优化
根据补勘后掌握的准确水文地质纵断面信息，盾构掘进泥岩、富水砂卵石为主，故选择典型四辐条环梁面板式复合刀盘，以保证足够的破岩能力和承载力，但该刀盘局部尤其是中心刀范围有效开口率小，在淤泥质黏土地层中掘进时中心滚刀停转极可能结饼固结被偏磨，影响后续其他地层掘进效率。
针对该情况，结合以往施工经验，在盾构始发前即对初装刀具进行优化调整。考虑到本区间砂卵石粒径不大，刀盘中心及以上刀具在砂卵石地层中以挤压扰动掘进为主，基本无破岩需求，且刀盘配备的刮刀已全轨迹覆盖。故将中心1、3号双韧滚刀拆除，全面检修所有改良喷口和对应管路编号，同时加强拆除轨迹范围的刀盘面板耐磨焊以保护刀箱，增加中心有效开口利于进土和渣土改良，避免中心结饼影响后续掘进效率。 4.2 渣土改良试验研究
利用地质补勘钻孔芯样，针对不同里程断面的地层分布进行渣土改良模拟试验，得出对应地质断面对应的基本改良参数。对比聚合物溶液、泡沫剂、膨润土等渣土改良剂，根据该类地层土体性质渣土改良优选泡沫剂，主要对泡沫剂品牌、类型和注入参数进行试验研究，通过不同改良剂和不同参入比例模拟试验总结，要求泡沫剂发泡后具有持久的气泡稳定性、足够的发泡率和较好的土体适应性，且环保无毒易降解，参入后使渣土具备良好的密水性、和易流塑性和较小的内摩擦角，该三项性能指标分别对掘进过程中稳定土压和地层、渣土流动性、刀盘扭矩阻力有直接影响。
4.2.1 泡沫剂性能试验
市面上盾构渣土改良泡沫剂品类繁多，目前常用的几种主流泡沫剂品牌有巴斯夫、法斯克、顺富通和西策齐和等。在基本同等试验条件下（泡沫液浓度均选择3%），联合西南交大实验室采用泡沫试验仪等，对该四类泡沫的发泡量、泡沫半衰期、泡沫直径、自稳时间等主要性能参数进行试验观察对比，并记录分析如图4。
统计分析试验观测数据，各品牌泡沫剂发泡量：法斯克>巴斯夫>顺富通>西策齐和，半衰期：法斯克>巴斯夫>西策齐和>顺富通，自稳时间：法斯克>巴斯夫>顺富通>西策齐和。综合试验结果，包括观察泡沫细腻程度等指标，法斯克泡沫的性能最佳，其次是巴斯夫。鉴于法斯克泡沫价格最高，综合泡沫性能和经济性，最终选择巴斯夫泡沫剂进行后续渣土改良试验。
4.2.2 渣土改良参数试验
截取淤泥质黏土、泥岩，淤泥质黏土和砂卵石交互地层等三个不同地质断面盾构掘进范围内的补勘钻孔芯样土体，进行渣土改良模拟实验。在基本相同的试验条件下，按照不同比例的泡沫和水混合搅拌土体，观察改良后渣土性状、测量坍落度等，总结得出上述三种不同地层情况下的基本改良参数，然后在盾构下穿前的试验段进行掘进应用修正，得出不同掘进速度下最终改良参数如表1、2、3所示。
4.2.3 改良注入方案
本盾构机刀盘配备6个改良喷口，均可单管单泵注入泡沫或水，土仓中心还具备1路注水管路。为保证整个开挖断面均衡改良，改良孔轨迹范围尽量均匀分布，故采用刀盘中心区域辐条交叉角部1路注水和1路注入泡沫，刀盘周边区域1路注水2路注入泡沫的方案，按照试验参数注入改良泡沫和水。施工过程中定期在泡沫发生器前端、盾构中心回转节处打开阀门观察注入泡沫效果，确保注入刀盘的改良剂参数可靠有效。
4.3 试掘进及主要参数制定
为确保下穿掘进安全顺利，根据现场条件在下穿房屋前设置长不小于50m的盾构下穿房屋试掘进试验段，模拟下穿房屋掘进。在之前渣土改良实验、掘进理论计算等参数基础上，结合试验段地面监测数据进行验证和优化调整，得出最终的下穿掘进段执行参数和掘进管理经验。
4.3.1 理论参数计算
采用地勘报告水文地质及土体物理力学性能参数，结合施工经验分别计算不同地质断面盾构掘进的土仓压力、总推力、刀盘扭矩、每环（1.5m）出土量等主要参数理论数据，作为试掘进的基准控制参数范围。典型断面计算结果表4。
4.3.2 试验段掘进参数修正
以上述理论计算参数和试验改良参数为参照在试验段试掘进，整个过程中模拟下穿施工组织和管理，并准备好地面和洞内应急注浆措施，严格按照信息化施工原则，施工监测数据及时采集和反馈实时指导盾构掘进，各项施工参数全程记录并录入电子表格绘制图表曲线，直观分析和修正各项施工参数，最大限度减小地面沉降，并稳定保持。通过试掘进总结，地面沉降可控制在-3.43mm～+0.85mm内，得出不同地层分布情况下地面沉降监测数据及对应的主要掘进参数绘成图表如图9～11，表5～7。
4.4 下穿掘进管理要点
将盾构进入房屋前后20m内范围作为下穿段重点管控，项目领导现场带班组织施工，确保现场问题得到准确果断的处置。关键岗位安排经验丰富、执行力强的管理人员负责组织实施，全程按照既定施工技术和组织管理体系，設置了清晰的管理指令制定和下达路线，现场分工责任到人并定岗值守，多线路时刻保证通讯畅通，现场交接班。整个施工过程中，仍然发生了渣土改良显示参数和实际注入情况不匹配、同步注浆量不够紧急二次补充注浆等问题。总结试掘进和下穿房屋掘进过程中遇到的系列问题和经验教训，管理思想上高度重视、参数指令严格执行、现场观察细致敏锐、问题及时果断处置始终是顺利下穿的关键。
5 总结及应用效果
通过试验研究和实践应用，最终300m长下穿房屋段掘进用时28天，平均进度7.14环/天，盾构安全顺利下穿房屋并全线贯通，地面房屋最大累计沉降-6.67mm，房屋建筑安全稳定无明显影响。实际下穿掘进期间土仓压力介于0.86～1.35bar，略高于理论计算值0.15bar;总推力介于790～1050T，与理论计算基本匹配;同步注浆量介于5.8～8.8m3之间，尤其在砂卵石地层中注浆量明显大于泥岩和淤泥质粘土地层，最大填充系数达2.17。同时过程中利用设备停机维保期间，每隔10环对成型隧道管片进行二次双液注浆，监测数据显示对地面沉降稳定和管片上浮控制起到重要作用。
6 结论及建议
实践应用证明，通过实验研究和试掘进总结修正，严格按照掘进参数和管理措施执行，在无地面预加固处理等措施情况下，土压平衡盾构仅采取洞内控制措施在富水砂卵石、淤泥质粘土及泥岩交互地层中下穿房屋建筑也是可以成功的，地面房屋建筑沉降可以控制在毫米级。总结经验教训，还有以下建议可供参考借鉴。
（1）对于富水砂卵石及淤泥质粘土交互地层掘进，尽量选择中心有效开口率较大的刀盘，或根据地层情况调整减少滚刀配置，尽量降低渣土改良压力。
（2）对上述地层使用普通型泡沫剂改良即能满足需要。根据目前市面泡沫品牌实验情况看，法斯克泡沫性能最佳，巴斯夫泡沫综合适用性最佳。但应不同产品批次可能性能存在差异，最好实验选择泡沫参数。
（3）不同地层的渣土改良和掘进参数有一定差异，掘进过程中必须结合地层变化和出土情况，在控制参数范围内实时微调，切勿一个参数推到底。
（4）砂卵石地层具备良好的“骨架效应”，可能存在沉降滞后或空洞坍塌风险，建议在盾构施工完成后结合掘进过程出土量情况及时进行地面空洞探查和填充注浆。
（5）该类地层特性决定了盾构施工地面沉降控制本身具备较高风险，在条件允许情况下，应尽可能考虑提前对房屋进行预加固或调线避让不良地质等方案最大程度降低施工风险。
参考文献
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