复杂条件下深厚淤泥质软土地层盾构掘进技术的应用

发表时间：2020-08-10T16:59:13.710Z 来源：《城镇建设》2020年12期 作者： 刘可为 黄金源[导读] 在佛山市的地铁隧道施工中，普遍存在深厚的淤泥质地层

摘要：在佛山市的地铁隧道施工中，普遍存在深厚的淤泥质地层，淤泥质地层包含淤泥质土层和淤泥质粉细砂层，具有含水量高，压缩性高，孔隙比大，抗剪强度低，灵敏度高的特点。盾构在该地层掘进中，当原状土受扰动后，容易导致盾构出土超方，引起盾构刀盘掌子面失稳导致地表沉降；同时，因地层含水量高，盾构施工过程中存在着管片上浮侵限、隧道渗漏水等风险，本文通过分析深厚淤泥质软土地层中盾构掘进技术及下穿河流、燃气管线、侧穿房屋的施工风险，并从施工过程中的掘进参数、渣土改良、施工工艺等方面提出有效的解决措施，保障了成型隧道的质量。以期对类似工程起到借鉴的作用。 关键词：盾构掘进 风险 措施 流程

1 引言

本工程盾构区间地表环境复杂、工程地质条件较差，隧道穿越房屋和河道、安全风险极大，且顺德区对环境保护和文明施工要求高。本工程难点突出，主要有：①盾构区间穿越软土地层。盾构区间穿越的淤泥质地层具有高含水量、高压缩性、高灵敏度、低强度等不良工程地质特性；区间穿越该地层时，易出现盾构下沉、磕头现象。②沿线建筑物多，周边环境复杂。地下管线、临近建筑物的保护是一个重点。③区间在YBK-4-000.000～YBK-3-900.000处盾构施工穿越南涌河（河涌），区间顶部与河涌底部净距为13m左右。在佛山市地区普遍存在深厚淤泥质地层中掘进中容易造成刀盘掌子面失稳现象，进而导致较大的地面沉降，甚至地面坍塌现象，引发安全生产事故。分析主要原因是由于盾构机推进过程中，刀盘对软弱土体扰动，一旦土仓压力有一点土压失衡，上部的松软地层会很容易造成土体流失，进而发生较大的沉降风险。2 工程概况

南涌站～陈村新城站盾构区间从南涌站始发，沿G105国道向北往陈村新城站掘进。区间沿线穿越的主要建筑物有粤顺茶厂、永泰贸易楼、南涌河（河底有一条DN315mm燃气管线）、南涌大桥、建设大厦等，本区间在下穿南涌河时，河涌底部有一条DN315mm燃气管线，燃气管线与隧道平面相交,隧道拱顶距离燃气管线约6.5m，该段燃气管线埋深约12.1～15.9m，主要位于（2－1B）淤泥质土层和（2－2）淤泥质粉细砂层中。管线距离隧道拱顶约3.5m，河涌水位约7m，潮汐变化高度约2m，线路位于24‰的上坡段。

3 施工风险

3.1 盾构穿越淤泥质地层时，软弱的淤泥质土层承载力不足以满足施工要求时，易出现盾构下沉、磕头导致盾构机偏离设计轴线的风险。3.2 本区间盾构过河及下穿燃气管线区段主要穿越地层为深厚的（2－1B）淤泥质土层和（2－2）淤泥质粉细砂层，地层具有含水量高、强度较低、压缩性较高、高灵敏度、低强度、流塑性墙等特点，盾构掘进时刀具切削土体造成扰动较大，加上淤泥质土基本无自稳性，容易导致掘进出土超方，从而引起掌子面失稳、拱顶沉降严重的风险。

本区间盾构到达北侧河堤（即上岸段）、侧穿房屋段上部为（3－1）中粗砂+（7－3）强风化泥质粉砂岩上软下硬特殊地层，在此地层掘进的特点是掘进速度慢、刀盘转速高、推力大、扭矩大对前方土体扰动大极易引起超方，土仓压力不稳定，从而导致刀盘前方上部砂层大量流失导致地面面塌陷的风险。

3.3 淤泥质地层埋深大、含水量高，在较大的水压头作用下成型隧道易出现成型隧道管片上浮的风险。

3.4右线侧穿南涌桥，距离最近桩基础为2.5m。左线侧穿建设大厦，距离最近桩基础1.8m。隧道周边软弱土体受到盾构施工的扰动后极易引起地表沉降，从而导致建筑物坍塌风险。

3.5盾构通过后，隧道周边软弱土体受到盾构施工的扰动后，水压力复原，发生排水固结变形，引起地面沉降，导致隧道拱顶上方的燃气管线发生二次沉降，沉降过大后，容易引起燃气管道破裂的风险。4 控制措施

4.1 盾构始发施工严格控制隧道中线、抬头始发掘进

通过自动导向系统VMT和人工测量复核进行盾构姿态监测，确保盾构掘进的水平姿态与隧道中心线重合，同时垂直姿态进行微调，确保盾构机比隧道上坡坡度略大1～2‰进行抬头掘进，避免发生盾构机下沉、磕头的现象。4.2 选择合理的掘进参数、匀速平稳掘进

盾构施工参数如推速、推力、同步注浆、正面土压等，与地表沉降密切相关。因而，盾构施工前必须根据地质条件和设计要素等情况，选取合理的参数指导施工，使盾构在施工过程中达到最优控制掘进状态。本区段采用纯土压平衡模式进行隧道掘进，控制土仓压力为H+（0.1～0.2）bar（H为隧道拱顶覆土+河涌水位的高度），保证稳定的土仓压力，减少对地层的扰动；推力控制在800～1200t，刀盘转速放慢，控制在1.0～1.5r/min，刀具贯入深度控制在30mm以内，掘进速度选定为40～50mm/min，匀速地切削洞身土体。 4.3严格控制出土量

下穿河流、侧穿南涌桥、建设大厦时出土量控制以及注浆量控制尤为重要。出土系数控制在1.1～1.2倍理论出土量范围，采用目测土斗方量和龙门吊称重的措施实行双控；同时，加强盾尾同步注浆管控，砂浆填充系数保证为1.3～1.5倍、注浆压力控制在3～4bar，采用注浆量和注浆压力双控指标，确保达到管片外部空隙填充满，管片上方土体的稳定性和防止地层坍塌现象。4.4软土、上软下硬地层沉降控制措施 （1）同步注浆

当盾构机掘进过程发现超方现象，及时调整浆液配比，缩短浆液凝结时间并同时加大同步注浆量，确保管片外部间隙填充密实，弥补超方量，保证上部土体稳定。 （2）及时二次注浆

通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，盾构管片脱出盾尾后，从第N+3环开始通过管片吊装孔注入双液水泥浆的方式补充一次注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机通过后，土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。 （3）深孔注浆

隧道成型后，往隧道洞内拱顶打入D48mm钢花管、注入双液水泥浆的方式，进行注浆稳固土体，防止地面继续沉降风险。 （4）地面注浆

对沉降位置进行围蔽，采用雷达扫描仪对沉降位置进行空洞检查同时采用WSS、袖阀管进行注浆，防止地面坍塌。 4.5 增加盾体径向注入厚浆、填充盾体外刀盘开挖产生的空隙

当盾构机下穿河涌、侧穿建筑物、下穿燃气管线时，通过盾构机盾体上的径向孔向盾体周边注入厚浆，以填充盾体周边的孔隙，减小盾体通过阶段的地面沉降值。厚浆主要采用水泥和熟石灰进行试验配合，每环掘进时厚浆注浆控制为0.5～1m3。注浆压力控制在3～4bar，达到控制盾构掘进时盾体周边土体沉降的目的。4.6及时控制管片上浮趋势 （1）同步注浆

管片上浮时及时调整同步浆液凝结时间，缩短浆液凝结时间，及时固定管片，防止管片位移；并调整上部与下部注浆比例来控制管片上浮量。

（2）及时二次注浆

盾构管片脱出盾尾后，从第N+3环开始通过管片吊装孔注入双液水泥浆的方式，控制管片上浮量，注浆量和注浆压力采用现场试验的方式来确认。

（3）严格管控盾构管片螺杆复紧制度

盾构掘进时，在上一个循环管片脱出盾尾后，及时用风动扳手对所有管片环纵向螺栓进行复紧，保证管片形成一个完整的受力体系，减少管片上浮，保证管片拼装质量。

4.7 隧道成型后陀螺仪测量燃气管线三维姿态，及时洞内深孔补浆控制土体二次固结沉降

隧道成型后，采用高精度的陀螺仪，由电脑快速运算获取燃气管线的三维坐标，探测管道的变形沉降数值，根据与施工前的数据对比，确认管线沉降值。若沉降超限，则立即采用隧道洞内拱顶打入D48mm钢花管、注入双液水泥浆的方式，进行注浆稳固土体，防止燃气管线因土体二次固结沉降而引起的管线风险。4.8碴土改良

根据本工程的地质条件和盾构施工的经验，采取如下主要技术措施：

（1）在含水地层采用土压平衡模式掘进时，拟向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入泡沫，并增加对螺旋输送机内注入的泡沫量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。

（2）在粘性土地层中掘进时，拟采取向刀盘面和土仓内注入泡沫改良碴土。

（3）在粘性土内添加泡沫，增加了碴土的流动性，减少摩擦力，利于碴土的排出。4.9防泥饼措施

盾构在掘进过程中，有可能因为添加剂使用不当、地质条件复杂等原因在刀盘尤其是中心区部位产生泥饼。此时，掘进速度急剧下降，排土不畅，大大降低开挖效率，甚至无法掘进。施工中拟采取的主要技术措施：

（1）在这种地层掘进时，增加刀盘前部中心部位泡沫注入量并选择比较大的泡沫加入比例，减少碴土的粘附性，降低泥饼产生机率。（2）一旦产生泥饼，采取分散剂泡仓的措施，必要时采用人工处理的方式清除泥饼。4.10软土掘进过程中盾构姿态控制

本盾构区间姿态监控通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监测。通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，使所有油缸的推力保持一致。随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，拟每 30～50m 进行一次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。4.11方向纠偏注意事项

（1）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。

（2）蛇行修正及纠偏时缓慢进行，在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下，使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。 （3）推进油缸油压的调整不宜过快、过大，否则可能造成管片局部破损甚至开裂。5盾构施工实施细则5.1盾构始发5.1.1洞门破除

先打设水平探孔检查端头加固效果，再从洞顶开始凿除，凿除暴露在外的砼，露出第一道玻璃纤维筋，以观察玻璃纤维筋布置实际情

况。

5.1.2负环安装

盾构始发采用7环负环，错缝拼装。为防止负环脱出盾尾后变椭，每拼装完一环通过手拉葫芦采用直径20mm的钢丝绳将管片环向捆紧。

5.2管片选型以及拼装

管片选型根据隧道设计线路、盾构机的姿态、盾构千斤顶行程、盾尾间隙来确定。管片就位及拼装前检查管片是否有破损、掉角、脱边以及裂缝；止水条、衬垫和自粘性橡胶薄板等是否有起鼓、隆起、断裂、破损和脱落等现象，止水条是否部分已失效；管片连接螺栓、垫圈、螺栓孔密封垫圈及吊装孔封堵塞等数量是否齐全，质量是否完好。管片脱离盾尾后的二次复紧盾构掘进后及时用风动扳手对所有管片环纵向螺栓进行复紧，确保所有螺栓绝对紧固，保证管片拼装质量。5.3盾构到达前测量工作

① 到达洞门位置复核测量为准确掌握到达洞门施工情况，在盾构到达前50环，着手对到达洞门进行复核测量。

② 盾构姿态调整盾构机接收前100m地段即加强盾构姿态和隧道线形测量，及时纠正偏差确保盾构顺利地进入盾构接收井。 5.4盾构到达段的掘进施工

盾构机进入接收段后，应减小推力、降低推进速度，控制出土量并时刻监视土仓压力值，从离接收洞口连续墙里皮2m处起土压的设定值应逐渐减小到0Mpa，避免较大的推力影响洞门范围内土体的稳定。为阻断盾构区间后方水流，保证出洞阶段管片壁后空隙充分填充密实，在止水帷幕位置进行壁后二次注浆，形成第一道环箍，将地下水阻隔在止水帷幕外。在加固区尾部前后共3环进行二次注浆，形成第二道环箍，将水阻挡在加固体外保证进洞安全； 盾构出洞前，在洞口位置3环二次注浆，形成第三道环箍，阻隔加固区内的水，防止水从洞门位置流出。

6结束语

复杂条件下深厚淤泥质软土地层盾构施工过程中，应在充分了解盾构机性能、地层特性及平竖曲线要素的基础上，严密关注掘进参数、管片选型、盾尾间隙、出土量、渣土改良效果；科学合理的控制盾构姿态；及时进行补浆措施稳固土体，防止坍塌。确保施工安全、质量。

7.盾构施工工艺流程图图5盾构施工总体流程图

参考文献

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