如何控制巖溶地區(qū)淺埋富砂層盾構(gòu)掘進(jìn)地面沉降

黃 歡

（廣州市城市建設(shè)工程監(jiān)理公司 廣東廣州 510060）

如何控制巖溶地區(qū)淺埋富砂層盾構(gòu)掘進(jìn)地面沉降

黃 歡

（廣州市城市建設(shè)工程監(jiān)理公司 廣東廣州 510060）

地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中地面沉降要求極為嚴(yán)格，尤其在城市主干道、周邊建（構(gòu)）筑較多及人流密集，而且地質(zhì)情況復(fù)雜地區(qū)地面沉降而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)不可估量。為確保施工安全，防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，文章以廣州市軌道交通九號(hào)線施工4標(biāo)【馬鞍山公園站～蓮塘村站】區(qū)間盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)巖溶發(fā)育加淺埋富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)地面沉降工程風(fēng)險(xiǎn)的主要因素分析，闡述了盾構(gòu)掘進(jìn)地面沉降的控制措施及對(duì)策，為后期盾構(gòu)施工提供技術(shù)準(zhǔn)備。

盾構(gòu)掘進(jìn)巖溶；淺埋富水砂層地面沉降；對(duì)策

廣州市軌道交通九號(hào)線施工 4標(biāo)【馬鞍山公園站～蓮塘村站】區(qū)間隧道歷經(jīng)的地層種類(lèi)多、巖性復(fù)雜。區(qū)間全長(zhǎng)1205m，其中包括淺埋砂層區(qū)821m，占總長(zhǎng)度的68%；巖溶發(fā)育區(qū)（且與淺埋砂層區(qū)重疊）518米，占淺埋砂層區(qū)長(zhǎng)度的63 %；上軟下硬地層240m，占總長(zhǎng)度的20%；全巖層144m，占總長(zhǎng)度的12%。隧道埋深較淺，上覆砂層較厚，孔隙水豐富，洪積中粗砂層滲透系數(shù)為 50～80m/d，洪積礫砂層滲透系數(shù)為100～150m/d；溶洞較發(fā)育，見(jiàn)洞率高達(dá)47.20%，溶洞多為無(wú)充填的空洞，透水性強(qiáng)，地下水量豐富。隧道埋深為5.8～8.5m，沿線廣泛分布富水砂層，砂層面埋深較淺，砂層厚度大，孔隙水豐富，溶洞較發(fā)育，見(jiàn)洞率高，透水性強(qiáng)，易發(fā)生“冒頂”、地面塌陷等工程危險(xiǎn)。

針對(duì)上述分析原因制定相關(guān)對(duì)策

1、土倉(cāng)壓力及出土量控制：在盾構(gòu)掘進(jìn)中，保持土倉(cāng)壓力與作業(yè)面壓力(土壓、水壓之和)平衡是防止地表沉降、保證建筑物安全的一個(gè)很重要的因素，土倉(cāng)壓力值應(yīng)能與地層土壓力和靜水壓力相抗衡。土倉(cāng)壓力值的調(diào)整根據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中地質(zhì)、埋深及地表沉降監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)維持入土量與排土量的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、加強(qiáng)注漿控制：隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，在盾殼外徑與管片外徑之間會(huì)產(chǎn)生建筑空隙。為填補(bǔ)盾尾建筑空隙及盾構(gòu)施工過(guò)程中的地層損失，有效控制地層變化，采用盾尾同步注漿和管片背后二次注漿的方式進(jìn)行補(bǔ)充。

3、控制噴涌：由于本標(biāo)區(qū)間地層砂層厚，透水性強(qiáng)，上軟下硬，因此在掘進(jìn)過(guò)程中極易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。噴涌的發(fā)生后必然導(dǎo)致更多的排水，從而導(dǎo)致超挖現(xiàn)象，地面沉降和塌方等事故。通過(guò)對(duì)螺旋機(jī)的改進(jìn)，更有效地減少了噴涌發(fā)生。

掘進(jìn)過(guò)程中具體對(duì)策的實(shí)施

一、土倉(cāng)壓力及出土量控制

因?yàn)榈貙幼苑€(wěn)性較差、軟弱或變形系數(shù)較大、容易失水，土倉(cāng)壓力要比采用朗金理論計(jì)算的理論計(jì)算壓力略高0.01～0.03Mpa，這樣既可解決不利因素造成的影響，減小土影響范圍內(nèi)地表沉降值，又不會(huì)因壓力過(guò)高造成地面隆起。嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，均勻掘進(jìn)，維持土倉(cāng)壓力相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)儀表顯示，土倉(cāng)壓力控制在0.09～0.11Mpa較好。

（1）出土量控制：每環(huán)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1600mm，利用5個(gè)渣土車(chē)裝完，則進(jìn)尺320mm，應(yīng)該出滿(mǎn)一車(chē)土，對(duì)比進(jìn)尺的長(zhǎng)度和渣土車(chē)內(nèi)的土量進(jìn)行出土量的控制，嚴(yán)禁多出土。每環(huán)的出土量確定為47～53m3，最大不超過(guò)57m3。同時(shí)，密切關(guān)注出碴碴土的物理性能，做好理論渣土量與實(shí)際渣土量的比較，不同的地層考慮相應(yīng)的松散系數(shù)來(lái)控制碴土量，保證出渣量與掘進(jìn)速度一致，避免冒頂。

（2）掘進(jìn)速度控制：不同的地質(zhì)條件，推進(jìn)速度亦有所不同。如果掘進(jìn)速度過(guò)快，螺旋輸送機(jī)運(yùn)輸速度達(dá)到極限，密封倉(cāng)內(nèi)切削的土體不能及時(shí)排出，出土量不穩(wěn)定，會(huì)造成土倉(cāng)壓力設(shè)定失控。所以要根據(jù)螺旋輸送機(jī)的輸送轉(zhuǎn)速(相應(yīng)極限值)控制最大掘進(jìn)速度。正常掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)掘進(jìn)速度可控制在 5-50mm/min之間；當(dāng)盾構(gòu)糾偏時(shí)，應(yīng)取較小速度。

二、加強(qiáng)注漿控制

1、同步注漿

通過(guò)多次試驗(yàn)，同步注漿材料選用砂漿進(jìn)行填充，砂漿采用水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、細(xì)砂、水等材料，必要時(shí)，調(diào)整砂漿的配合比，增加水泥用量，縮短初凝時(shí)間，同時(shí)，加入微膨脹劑和速凝劑，盡量減少漿液凝固后收縮，加快管片周?chē)馏w的固結(jié)；針對(duì)本區(qū)間的地質(zhì)特點(diǎn)，砂漿的初凝時(shí)間控制在4～6h，注漿時(shí)堅(jiān)持“不注漿，不掘進(jìn)”的原則，確保注漿的及時(shí)性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，按水（470公斤）：水泥（180公斤）：粉煤灰（320公斤）：膨潤(rùn)土（100公斤）：細(xì)砂（300公斤）配置的漿液具有泵送性好、不離析、壓注后收縮小、凝結(jié)強(qiáng)度大于土體強(qiáng)度等特性。

在巖溶發(fā)育加淺埋富水砂層盾構(gòu)施工過(guò)程中，同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙重控制標(biāo)準(zhǔn)。同步注漿壓力過(guò)大，管片周?chē)翆訒?huì)因注漿擾動(dòng)而造成后期地層沉降，并易造成跑漿，對(duì)剛拼裝完成的管片影響也大；而注漿壓力過(guò)小，漿液填充速度過(guò)慢、填充不充足，會(huì)使地層變形增大。根據(jù)本區(qū)間相應(yīng)部位土壓力、水壓力以及襯砌強(qiáng)度的綜合考慮確定注漿壓力為0.1～0.3Mpa。

同步注漿量根據(jù)地質(zhì)及線路情況，每環(huán)注漿量為管片后空隙的 1.4～1.5倍。并通過(guò)地面變形觀測(cè)來(lái)調(diào)整。本項(xiàng)目采用1.5m管片，理論注漿量約為4.6方，實(shí)際每環(huán)的注漿量為6.5～7.0 m3，才能保證注漿質(zhì)量。

2、二次注漿

針對(duì)巖溶發(fā)育，裂隙水大，砂層透水性大等特點(diǎn)，增加獨(dú)立的注漿系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)為可隨盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)隨時(shí)補(bǔ)漿，與盾構(gòu)掘進(jìn)互不影響。保證巖溶地區(qū)成型隧道的安全，除封頂塊外每塊管片設(shè)計(jì)3個(gè)注漿孔（含1個(gè)吊裝孔），以保證每環(huán)管片的隧道底部5點(diǎn)、6點(diǎn)、7點(diǎn)鐘位置均有3個(gè)注漿孔（外緣注漿孔夾角72°），可根據(jù)監(jiān)測(cè)情況在掘進(jìn)的同時(shí)及時(shí)補(bǔ)充注漿（根據(jù)情況可選擇單液漿和雙液漿），從而既能保證同步注漿又能保證二次補(bǔ)漿，有效止水和加固土體，降低了巖溶及富水砂層對(duì)成型隧道的風(fēng)險(xiǎn)。

為了縮短二次注漿材料的凝結(jié)時(shí)間，采用雙液漿（加入水玻璃）。漿液配比：水：水泥：水玻璃=500公斤：250公斤：100公斤。根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整水泥漿的初凝時(shí)間，注漿壓力達(dá)到0.3Mpa時(shí)，停止注漿；一般每環(huán)平均用量0.8～1.0方，以免造成管片外周壓力過(guò)大，對(duì)管片造成破壞。

三、控制噴涌

由于富水砂層含水量豐富，滲透性好，且受擾動(dòng)后易液化，因此土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)很容易出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，造成地表沉降。

為了更好地控制噴涌、減小排水，針對(duì)這三個(gè)條件將螺旋機(jī)進(jìn)行了改造。參照“連通器”的原理，將出土螺旋機(jī)設(shè)計(jì)為兩級(jí)，出土口位置提高來(lái)降低出土口處渣土（含水）的壓力。兩級(jí)螺旋機(jī)利用球鉸軸承相連，設(shè)計(jì)一道閘門(mén)，緩解出渣的流量和壓力。

（1）渣土較干時(shí)，打開(kāi)兩級(jí)螺旋機(jī)連接處的閘門(mén)，通過(guò)螺旋機(jī)上安裝的泡沫劑管路，添加泡沫劑改良渣土，一級(jí)螺旋機(jī)與二級(jí)螺旋機(jī)的速度比設(shè)為 1:2，同時(shí)正轉(zhuǎn)將渣土排出。

（2）渣土流塑性較好時(shí)，打開(kāi)兩級(jí)螺旋機(jī)連接處的卸料閘門(mén)，一級(jí)螺旋機(jī)與二級(jí)螺旋機(jī)的速度比設(shè)為1:2，同時(shí)正轉(zhuǎn)將渣土排出。

（3）渣土含水量大、無(wú)塑性時(shí)，打開(kāi)兩級(jí)螺旋機(jī)連接處的卸料閘門(mén)，一級(jí)螺旋機(jī)關(guān)閉，二級(jí)螺旋機(jī)正轉(zhuǎn)將渣土排出。（4）渣土接近呈流體時(shí)，減小兩級(jí)螺旋機(jī)連接處的卸料閘門(mén)的開(kāi)度，減緩渣土的壓力。一級(jí)螺旋機(jī)逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，二級(jí)螺旋機(jī)關(guān)閉或低速運(yùn)轉(zhuǎn)將渣土排出。

四、結(jié)語(yǔ)

效果檢查，通過(guò)制定的措施應(yīng)用于施工過(guò)程中，本盾構(gòu)區(qū)間地面沉降監(jiān)測(cè)未再達(dá)到預(yù)警值，且沉降在（+8mm～-24mm）范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)孔占總監(jiān)測(cè)孔數(shù)的98%，成功達(dá)到了預(yù)期的效果。

G322

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1007-6344（2016）10-0210-01

黃歡，1980年生人，男，大學(xué)專(zhuān)科學(xué)歷，廣東茂名人，注冊(cè)監(jiān)理工程師，從事工程監(jiān)理工作12年。