富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)與成本分析研究

摘要：在傳統(tǒng)砂層盾構(gòu)施工中，由于滲透率較高以至土體的含水量較高，導(dǎo)致施工過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)塊、地面沉降的問(wèn)題。以某實(shí)際工程為依托，向過(guò)砂層的徑向孔中注漿以加固地層，并通過(guò)控制土槽壓力、工作面壓力和渣土量控制地面沉降，同時(shí)對(duì)富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)成本進(jìn)行分析。實(shí)例分析結(jié)果表明，富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的沉降深度，均小于施工允許最大沉降深度，證明了該技術(shù)的可行性。采用富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的成本，在四級(jí)圍巖處要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于五級(jí)圍巖處。

關(guān)鍵詞：富水砂層；掘進(jìn)；地質(zhì)盾構(gòu)

0 引言

目前盾構(gòu)施工技術(shù)在我國(guó)已成為地下工程的主要技術(shù)之一，其具有地層適應(yīng)性廣、對(duì)周邊環(huán)境影響較小、施工安全以及施工花費(fèi)較低的特點(diǎn)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，盾構(gòu)技術(shù)已不再局限于巖層、黏土層等具有良好自穩(wěn)性和低滲透系數(shù)的地層，而是逐步擴(kuò)展到具有高滲透系數(shù)、高水頭壓力和易塌陷的富水砂層。

在富水沙質(zhì)地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，存在土體加固困難、平衡模型難以建立、出渣量難以控制、易出現(xiàn)噴濺、易形成積餅和易擾動(dòng)地層造成地面沉降超標(biāo)等問(wèn)題，使得土體壓力平衡盾構(gòu)施工具有一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。胡鷹志[1]對(duì)富水砂巖地層的地質(zhì)特性及土體特性進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了土體的各項(xiàng)性能指標(biāo)。同時(shí)對(duì)土體的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行適應(yīng)性分析，通過(guò)應(yīng)用加固區(qū)施工技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)開倉(cāng)施工，驗(yàn)證了該技術(shù)在盾構(gòu)掘進(jìn)改造中的可行性。該方法為處理類似地質(zhì)條件下的工程提供了寶貴的參考和指導(dǎo)。本文基于已有研究成果，對(duì)富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)與成本分析進(jìn)行研究。

1 工程概況

本次工程選在A市盾構(gòu)工程地處三水?dāng)嘞菖璧?，該工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，無(wú)斷層、褶皺、斷裂、塌陷土層，無(wú)巖溶洞穴，場(chǎng)地穩(wěn)定。該區(qū)以沖積平原區(qū)為主，以松散土為主，分布廣，厚度大，含水豐富的粉砂層、砂層從南向北逐漸加厚，特別是祖廟站區(qū)域富水的粉細(xì)砂層和中、粗砂層相對(duì)較厚。

該盾構(gòu)施工區(qū)域是一個(gè)地表水系統(tǒng)較弱、地下水量較大的區(qū)域。場(chǎng)地中的地下水，初見(jiàn)水位埋深在0.80～2.15m之間，穩(wěn)定水位在0.6～1.8m之間，基巖中有一定數(shù)量的裂縫水，但是裂縫水的滲透能力比較弱。第四系土壤孔隙中的水分主要來(lái)源為大氣降雨，并以垂向滲透的方式補(bǔ)充水分，基巖裂縫水的補(bǔ)給來(lái)源主要有三個(gè)方面：一是豎向滲透，二是橫向補(bǔ)給，三是越流補(bǔ)給。該工程地質(zhì)分層詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

2 富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工工藝設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)勘察與盾構(gòu)機(jī)選擇

在進(jìn)行富水砂層地質(zhì)下的盾構(gòu)掘進(jìn)工程前，地質(zhì)勘察與預(yù)測(cè)以及盾構(gòu)機(jī)選擇是至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)。需要對(duì)水文地質(zhì)特征、土層性質(zhì)、地下水位等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，以便合理預(yù)測(cè)地下環(huán)境情況。通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、取樣測(cè)試和地質(zhì)剖面分析，可以獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，為后續(xù)施工提供可靠依據(jù)。在富水砂層地質(zhì)下，地質(zhì)勘察應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注富水砂層的承載能力、水平和垂直構(gòu)造、斷裂帶分布等信息，以全面了解地質(zhì)條件，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)和施工方案制定提供支持[2]。

在選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)，除考慮地質(zhì)條件和地層特點(diǎn)外，還需綜合考慮盾構(gòu)隧道的要求，例如設(shè)計(jì)要求、難度等因素。盾構(gòu)機(jī)型號(hào)的選擇需要結(jié)合具體地質(zhì)條件和工程要求進(jìn)行全面評(píng)估，確定盾構(gòu)機(jī)的尺寸、推力、刀盤類型、泥水系統(tǒng)等參數(shù)。針對(duì)富水砂層地質(zhì)，還應(yīng)考慮盾構(gòu)機(jī)的密閉性能和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)高水壓環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)[3]。在設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)時(shí)，運(yùn)用模擬軟件進(jìn)行仿真分析，以評(píng)估在不同工況下盾構(gòu)機(jī)的表現(xiàn)，提前找出潛在問(wèn)題并制定相應(yīng)調(diào)整方案。

為確保富水砂層地質(zhì)下的盾構(gòu)掘進(jìn)工程安全高效進(jìn)行，采取預(yù)防措施如設(shè)置隔水墻、注漿加固、管涌處理等方法。這些措施有助于降低水壓、防止水浸災(zāi)害發(fā)生，保障盾構(gòu)施工的穩(wěn)定進(jìn)行。

2.2 應(yīng)用注漿技術(shù)加固地層

2.2.1 設(shè)計(jì)注漿漿液配比

富水砂層地質(zhì)條件下，地下水涌入是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，會(huì)給盾構(gòu)施工帶來(lái)不利影響，如增加施工難度、降低工作效率、甚至造成安全事故。通過(guò)注漿技術(shù)可以封堵或減小富水層的水壓，有效控制地下水涌入，保證工作面干燥，提高施工效率。

首先對(duì)注漿將夜配比進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程選用的漿液配料用量如表2所示。

2.2.2 注漿技術(shù)流程

為了確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性，通常注漿技術(shù)會(huì)與盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)同步進(jìn)行。在盾構(gòu)尾部后方，內(nèi)置了同步注漿系統(tǒng)，通過(guò)雙系四管線同步對(duì)稱注入漿液。

注漿過(guò)程可以通過(guò)手動(dòng)控制或自動(dòng)控制來(lái)進(jìn)行。在自動(dòng)控制模式下，注漿壓力被預(yù)先設(shè)定，并通過(guò)程序調(diào)整注漿速度。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，注漿過(guò)程會(huì)自動(dòng)停止。而在手動(dòng)控制模式下，根據(jù)實(shí)際的掘進(jìn)情況，工作人員會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整注漿速度、流量和壓力。注漿技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

2.2.3 保證注漿質(zhì)量措施

保證注漿質(zhì)量的關(guān)鍵在于掘進(jìn)過(guò)程管片中的注漿，其可以防止管片上浮，提高施工結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力并預(yù)防工程變形。確保漿液質(zhì)量的優(yōu)良性能的措施如下：首先，充分保證漿液充盈，使其填滿空間，以確保注漿效果。其次，避免地下水過(guò)度稀釋漿液，可選擇合適的漿液稠度來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳效果。此外，可根據(jù)具體需求，控制初凝時(shí)間間隔和提高早期強(qiáng)度，以減小硬化后的體積收縮[4]。

2.2.4 注漿量控制

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，開挖出的土體、曲線段掘進(jìn)時(shí)的過(guò)度開挖，盾構(gòu)機(jī)在隧道中移動(dòng)形成的S形軌跡引起的土體損失，由于糾偏引起的土體破壞，以及安裝在盾尾上管片形成的間隙，均會(huì)導(dǎo)致土體損耗。為減少砂層損失，要及時(shí)通過(guò)調(diào)整注漿量并且監(jiān)測(cè)地表情況[5]。

2.3 控制地表沉降技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 地表沉降與控制機(jī)理

在富水砂層中進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，施工引起的地表?yè)p失與盾構(gòu)隧道重塑土的再固結(jié)是地表沉降的基本原因。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，維持土槽壓力與工作面壓力（土壓、水壓之和）的平衡，是防止地表沉降、保障建筑物安全的關(guān)鍵，而土槽壓力的大小必須能夠與地層土壓力、靜水壓力等相匹配。

設(shè)定施工地質(zhì)中心的靜水壓力p0與土壓力c之和為，其表達(dá)公式如下：

p=p0+c （1）

在黏性土中c一般取0，在實(shí)際施工中其誤差大小約為0.01MPa。在砂性土中c一般為0.04MPa，誤差約為0.02MPa為準(zhǔn)。

2.3.2 控制地表沉降措施

在施工過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)情況、埋深和地面沉陷等觀測(cè)資料，對(duì)土槽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其保持在挖土體積和排土體積之間的平衡。它可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)：一種是調(diào)整掘進(jìn)速度，另一種是控制地面沉降產(chǎn)生的渣土量。

地面發(fā)生沉降就會(huì)產(chǎn)生渣土，而渣土的產(chǎn)出量必須與盾構(gòu)掘進(jìn)的挖掘量相吻合。通常出渣數(shù)量異常或者出渣數(shù)量很大的區(qū)域，沉降會(huì)相應(yīng)很大。土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層開挖過(guò)程r1qPsbSodGI0V4Oqo/+bSKtdMkwzIvYjTOZBJ5pwyaw=中，易產(chǎn)生出土量異常情況，為防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，需對(duì)渣土進(jìn)行調(diào)整，以確保渣子流塑性符合鐵釘狀出土器的排土條件。

3 施工效果分析

基于文中的工程概況，測(cè)試該技術(shù)的性能是否符合工程需求。

3.1 沉降分析

在富水砂層進(jìn)行施工的地質(zhì)橫截面示意圖如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)施工后，地質(zhì)橫截面較為完整，未出現(xiàn)明顯沉降。

為進(jìn)一步獲取施工數(shù)據(jù)，使用檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，不同測(cè)點(diǎn)的施工結(jié)果如表3所示。由表3施工結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的沉降深度，均小于施工允許最大沉降深度，證明了該技術(shù)的可行性，有一定的借鑒意義。

3.2 成本分析

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在施工中的預(yù)算成本，進(jìn)行富水砂層地質(zhì)下的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)成本分析。首先，計(jì)算施工定額、材料價(jià)格、工費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)等一系列費(fèi)用。然后根據(jù)相關(guān)費(fèi)用計(jì)算，得到掘進(jìn)成本對(duì)比如表4所示。通過(guò)表4掘進(jìn)技術(shù)的成本可知，本文采用富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的成本，在四級(jí)圍巖處要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于五級(jí)圍巖處。

分析認(rèn)為，五級(jí)圍巖的掘進(jìn)施工較為困難，情況較為復(fù)雜，設(shè)備使用上花費(fèi)較大，且租賃成本較高，且需要維護(hù)保養(yǎng)人員定時(shí)進(jìn)行操作，因此人工成本較高。由此可以看出，掘進(jìn)成本會(huì)因地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生改變。

4 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)砂層盾構(gòu)施工中，由于滲透率較高以至土體的含水量較高，導(dǎo)致施工過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)塊、地面沉降的問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)象，以某實(shí)際工程為依托，向過(guò)砂層的徑向孔中注漿以加固地層，并通過(guò)控制土槽壓力、工作面壓力和渣土量控制地面沉降，同時(shí)對(duì)富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)成本進(jìn)行分析。

實(shí)例分析結(jié)果表明：富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的沉降深度，均小于施工允許最大沉降深度，證明了該技術(shù)的可行性。采用富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的成本，在四級(jí)圍巖處要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于五級(jí)圍巖處。由此可以看出，掘進(jìn)成本會(huì)因地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生改變。

參考文獻(xiàn)

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