富水液化砂層土壓平衡盾構掘進地表沉降控制技術

馮德威

摘? 要：文章結合福州市軌道交通4號線一期工程螺～帝區(qū)間工程實例，從地層特性、掘進參數變化、同步注漿及二次注漿量控制和地表沉降監(jiān)測值方面著手，對土壓平衡盾構機在富水砂層中掘進地表沉降及其產生的原因進行分析研究，并根據地表沉降規(guī)律制定針對性的措施，為后續(xù)相似地層土壓平衡盾構施工提供借鑒。

關鍵詞：土壓平衡盾構施工;富水砂層;沉降控制;應對措施

中圖分類號：U455? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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 工程簡介

1.1 工程概況

螺洲鎮(zhèn)站～帝封江站區(qū)間線路出螺洲鎮(zhèn)站后沿下穿首開地塊后，側穿螺洲大橋樁基、下穿帝封江行進至帝封江站，線路兩側主要為農田空地、廠房、基建工地。本區(qū)間采用盾構法進行施工，為全地下盾構區(qū)間，由螺洲鎮(zhèn)站雙線始發(fā)，在帝封江站接收后吊出。左線盾構全長1222.874m;右線盾構全長1222.077m。區(qū)間隧道覆土最大厚度23.8m，最小厚度9.9m。

1.2 水文地質情況

（1）區(qū)間地質情況。區(qū)間洞身范圍內0～180環(huán)穿越地層為含泥中細砂，180～470環(huán)穿越地層為粉質黏土和淤泥質土，470～750環(huán)穿越地層為淤泥夾砂和粉細砂，750～1018環(huán)穿越地層為淤泥質土、含泥中細砂。（2）地表水。螺洲鎮(zhèn)站-帝封江站區(qū)間地處閩江流域，下穿河涌、帝封江、池塘，地表水體發(fā)育。烏龍江為閩江支流，是天然的泄洪排沙水道，接受大部分中游夾砂，一般寬度為10-30m深，深度1.5-3.0m多數污染嚴重，生活垃圾和漂浮物眾多，淤積較為嚴重，零星分布的池塘水域面積大小相差較大，水深0.5-2.0m不等。（3）地下水。本地下水按賦存方式分為第四系松散層類孔隙水和塊狀基巖裂隙水。本場地的主要相對隔水層包括<2-4-1>淤泥、<2-4-2>淤泥質土、<2-4-4>淤泥夾砂、<3-1>粉質黏土、<3-4>淤泥質土，其富水性差，微透水～弱透水。根據含水層和隔水層的空間分布不同，可將松散層類孔隙水分為上層滯水、松散層孔隙潛水和松散層孔隙承壓水三種。

2 地表沉降原因分析

螺～帝區(qū)間地表沉降主要集中在10～40環(huán)之間，即含泥中細砂地層，本地層含泥量較少（6.5%左右），為液化富水砂層。

2.1 數據采集統(tǒng)計分析

在發(fā)現地表沉降超限后，組織技術人員對掘進參數進行統(tǒng)計分析，左線數據統(tǒng)計如表1。

組織測量監(jiān)測人員加密監(jiān)測頻次并記錄原始數據，地表沉降如圖1所示：

圖1 監(jiān)測點累計變化量折線圖

從表1和圖1可以分析富水砂層中盾構機掘進參數和地表沉降的變化規(guī)律：（1）富水砂層掘進過程中盾構機總推力及扭矩均較大，隨著土倉壓力的增加，總推力及扭矩隨之增加，且掘進速度有所降低。（2）在保證土倉壓力大于計算壓力0.1～0.2bar時，刀盤前方位置所對應地表基本無沉降或有在控制值范圍內的微小沉降。（3）盾構機在前進過程中，由于盾構機切削土體直徑比盾體外徑大3cm，而此時不能進行同步注漿，在通過刀盤后繼續(xù)沉降。沉降值一般達到10-20mm。（4）管片脫出盾尾后，由于地層自穩(wěn)能力差且同步注漿漿液未凝固，地表沉降值又有一次較為明顯的下降。（5）待管片脫出盾尾5～10環(huán)后，由于同步注漿和二次注漿的共同作用，地表沉降趨于穩(wěn)定。

2.2 影響地表沉降因素分析

（1）地層方面原因。盾構在富水砂層中掘進時，地下水含量豐富，地層反應速度較快，且地層自穩(wěn)能力較差，施工過程中地層受到微小的影響，就可能導致區(qū)間上方地表產生較大的沉降。根據盾構區(qū)間地表沉降監(jiān)測數據顯示，施工過程中地表沉降在盾構通過范圍內變化較大，因此在富水砂層中采用盾構法施工時，必須保持水土平衡，達到減小地表沉降的目的。（2）掘進參數方面原因。此種地層在掘進過程中由于推力較大且扭矩較大促使掘進速度較慢，從出土量來看每環(huán)都會有不同程度超挖，大概3～5方左右。由于地層含水非常豐富，螺旋機出渣的過程中會出現輕微的噴涌現象，導致地層中部分水土流失，也是地表沉降的一個重要原因。（3）受擾動土體的固結。盾構隧道土體受到盾構施工的擾動后，便在盾構隧道的周圍形成超孔隙水壓力區(qū)。當盾構離開該處地層后，由于土體表面壓力釋放，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在超孔隙水壓力釋放過程中，孔隙水排出，引起地層移動和地面下降。此外，由于盾構推進中的擠壓作用和盾尾后的壓漿作用的施工因素，使周圍地層形成正值的超孔隙水壓區(qū)，其超孔隙水壓力，在盾構隧道施工后的時間內復原，在此過程中地層發(fā)生排水固結變形，引起地面沉降。

3 地表沉降的控制措施

3.1 掘進參數控制措施

主要控制盾構機掘進的總推力、扭矩、掘進速度等，采取的方法是向盾體外側注入高粘度的納基膨潤土，膨潤土經過發(fā)酵12小時，測得膨潤土粘度不小于60s后，將膨潤土通過盾體徑向注漿孔注入到盾體與地層之間，膨潤土的注入量為1.5方/環(huán)，注入膨潤土的作用為減少地層沉降和防止因地層沉降將盾體裹住而增加盾構機的總推力。適當增加刀盤轉數，增加至1.5rpm/min左右。通過盾體外部注入膨潤土和增加刀盤轉數后，盾構機的總推力降至16000kN左右，扭矩1800～2000kN·m，掘進速度達到30～50mm/min，采取措施后盾構機掘進參數滿足此種地層施工要求。

3.2 渣土改良控制措施

富水砂層掘進螺旋機發(fā)生“噴涌”，需要對碴土改良，材料和配比進行從新選擇和設計。通過現場試驗發(fā)現，單靠注入膨潤土或泡沫劑或膨潤土和泡沫劑共同進行碴土改良均無法有效改變碴土的“塑性流動狀態(tài)”，螺旋機出碴不均勻，掘進速度不穩(wěn)定，掌子面容易失穩(wěn)的情況。

在采用傳統(tǒng)的渣土改良措施不能夠滿足施工要求后，決定采用向泡沫原液內加入高分子聚合物的方法對渣土進行改良，當高分子聚合物與泡沫原液的比例為1：10時，碴土改良效果得到了大大地提高，碴土流動性較好，出碴均勻，出渣量得到了有效控制，且在施工過程中刀盤倉穩(wěn)定，地層損失率明顯減小，地表沉降得到了有效的控制。

3.3 同步注漿及二次注漿控制

（1）同步注漿質量控制。由于砂土的滲透性較好，實際注漿量應大于理論計算量，以保證注漿質量，注漿量的填充系數選取150～200%。同步注漿漿液應選取初凝時間短，能夠快速填充管片外壁與地層間的建筑間隙，避免地面沉降超限。施工現場實際使用的漿液配合比在試驗配合比的基礎上進行微調，通過改變注漿材料用量或外加劑的方法將漿液初凝時間調整在4～6個小時范圍內，漿液稠度控制在10～12cm范圍內，施工過程中應每班對漿液質量進行檢查，并形成記錄，保證同步注漿漿液質量。（2）二次注漿質量控制。針對富水砂層地層后期因土體固結造成的地表沉降、同步注漿漿液凝固后的體積收縮而造成的管片滲漏水情況，需對管片進行二次注漿。當管片脫出盾尾5環(huán)后對管片吊裝孔進行開孔補漿，二次注漿可選擇每隔一環(huán)注漿一次。二次注漿因無法計算襯背空隙量，現場注漿時通常以注漿壓力來控制，超過控制壓力即停止注漿。注漿壓力不大于0.5MPa，以免造成管片外周圍壓力過大，對管片造成破壞。

4 結論

通過對福州軌道交通4號線螺～帝區(qū)間富水砂層盾構掘進施工的分析與總結，設定合理的土倉壓力、采取向泡沫劑中加入一定比例的高分子聚合物提高碴土改良效果、向盾體外部注入高粘度膨潤土的方法可以有效的控制富水砂層地表沉降。盾構施工地表沉降的影響因素是多方面的，施工掘進前需對地層進行充分的了解，結合不同地層的試掘進，制定相應的解決措施，以滿足規(guī)范和設計的要求。

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