土压平衡盾构在富水砂层中施工控制的重点及技术措施

1、6土压平衡盾构在富水砂层中施工控制重点及技术措施摘要介绍南京地铁一号线地铁玄武门站南京站区间采用土压平衡盾构在富水砂压中开挖隧道积累下的成功经验。关键词地铁隧道；土压平衡盾构；始发；进站；技术措施在富水砂层中进行地下工程施工，一直倍受广大工程建设者关注和探讨，特别是上海地铁四号线（浦东南路南浦大桥区间）地铁施工中隧道内发生涌砂事故后，引起了建筑工程界巨大的震动。南京地铁玄武门站许府巷站南京站区间盾构隧道工程，盾构要在全断面的砂层中两次始发，一次进站，并要穿过约二十幢旧多层居民楼，在周密的技术方案和精心施工安排，使得工程安全、优质完成。1 地质条件及砂层主要物理参数该标段属古河道漫滩地貌,基岩埋

2、藏较深,均大于25m。软弱土层较厚，主要为低塑性淤泥粘土、粉质粘土及中到稍密的粉细砂。隧道所通过的粉细砂地层为良好的富水和透水地层（-2d2-3粉砂夹细砂和-3d2粉细砂的物理力学参数表一），其饱含地下水，渗透系数达5×10-3cm/s，地层遇水极容易液化，使得地层变得更加不稳定，容易引发坍塌，施工中极易产生涌水、涌砂及开挖面失稳现象。另外隧道上方覆土层次多，分布不匀及土质差异大，使地质情况变得错综复杂。砂层主要物理力学参数值 附表一岩土分层岩土名称含水量W（%）重度（湿）（KN/m3）孔隙比e压缩系数a1-2（MPa-1）压缩模量Es1-2（MPa）地基承载力标准值fk（KPa）垂

3、直渗透系数KV×10-2（m/d）水平渗透系数Kh×10-2（m/d）-2d2-3粉砂夹细砂29.019.30.7740.12814.6513098.52337.31-3d2粉细砂30.219.00.8290.13814.45150422.67/2 盾构机设计在富水砂层中要考虑的关键因素服务于本工程的盾构设备是引进德国海瑞克公司的，但该盾构机设计时结合了我国盾构施工经验和很多专家的意见，在海瑞克公司原设计基础提出了很多技术措施改良。由于盾构机的密封系统和盾构机刀盘设计将是在富水砂层中施工成败的关键，在此作详尽的介绍。 2.1 盾构密封系统的设计盾构要在地下几米至十几米深的地

4、层中施工，该范围的土层中含有丰富的地下水，盾构必须设计有良好的密封系统，方能满足在地下施工的要求。在盾构设备设计中，应考虑盾尾密封系统和铰接密封系统的防水性能，这两个部位的防水，是保证盾构施工安全和保证地面建筑物和管线安全的重要保障。一、盾尾密封系统：盾构机的盾尾设计了三排弹性较好的钢丝刷用来防水，钢丝刷中之间间距30cm，为减少钢丝刷磨损和增加密封功能，在整个圆周盾尾钢丝刷间设置了8个油脂孔，盾构前进中自动或手动向钢丝刷中注入密封油脂，填充钢丝刷之间的空隙，防止泥水进入管片安装工作面。二、铰接密封系统：一般盾构在中体与盾尾之间连接都采用铰接连接的方式，有利于盾构在曲线施工作线路纠偏，这样连接

5、部位间就必须考虑防水措施。盾构设计时在铰接部位采用了弹性较好的橡胶条，并且在橡胶里面设置气囊，其主要作用是：橡胶止水条用于一般线路的防水，但在曲线半径较小转弯角度较大的线路上时，仅靠橡胶弹性防水不一定能满足要求了，此时可通过向橡胶止水条中的气囊充气，使橡胶止水条膨胀进一步提高盾构机的防水性能。2.2 盾构机刀盘设计盾构刀盘(图一)盾构刀盘设计是关系到整个工程施工进展能否顺利进行的关键，在设计中要周详考虑。一个失败的刀盘设计，将给施工中带来诸多麻烦，如常出现 “泥饼”、盾构掘进速度很慢、甚至掘不动、地表产生很大沉降导致建筑物开裂或倒塌等一系列问题。因此，盾构刀盘的刀具选型，应根据不同地层的情况而

6、定，在岩层中，刀盘设计应以滚刀为主，刮刀辅助；而在砂层软土地层中，刀盘设计考虑切刀为主，刮刀辅助。本工程的盾构刀盘设计了切刀112把，刮刀16把，中心刀1把，刀盘开口率达40%，刀盘分成4块，有16个碴槽。碴槽布置与土碴开挖量对应，其中8个碴槽接近刀盘中心，防止刀盘中心部位“泥饼”的形成，同时提高刀盘的开挖效率。刀盘及密封隔板有泡沫、泥浆注入管路，可调节碴土的塑性及粘度、降低透水性及内摩擦力，便于不同地质的开挖，保持土仓土压的稳定，减少功率消耗。盾构刀盘(图一)3 盾构在富水砂层中安全始发、进站的技术措施盾构始发或进站，一般都需要对端头地层进行加固，然后破除车站原围护结构（一般是人工挖孔桩、钻

7、孔桩或是连续墙等），盾构刀盘穿过围护结构抵达土体撑子面或进入车站 。在国内端头加固一般采用高压喷旋桩、深层搅拌桩、冷冻法等方法加固。加固范围一般如下：始发端头，长度是沿着隧道纵向6米，宽度为盾构直径左右两边各延长3米，深度为盾构下方3米至盾构上方3米。进站端头，加固宽度和深度与始发的相同，只是加固长度就不同，长度为隧道纵向3米。以下将着重介绍本工程盾构在富水砂层中始发及进站的技术措施：3.1 盾构在富水砂层中始发的技术措施盾构始发端头加固，选用了纵向6米范围高压旋喷桩和深层搅拌结合的加固方法。在靠洞门结构位置施工两排三重管高压旋喷桩，主要作用是改良土体，形成较好的止水帷幕，后面施工7排深层搅拌

8、桩，作用为改良土体，减少土体侧压力，保证洞门结构破除后端头土体能自稳（端头加固平面图二）。三重管旋喷桩施工设计工艺参数：桩径设定为1.2m，桩间距为0.8m，水泥用量控制在800kg/m，浆液水灰比0.8：1，空气压力设定为0.60.7MPa，水压设定为3338MPa，喷浆压力设定为4MPa，浆液流量80升/min，提升速度8cm/min，转速为8r/min。深层搅拌桩设计工艺参数：桩径设定为直径0.7m，桩间间距为0.5m，搅拌加固面积为024m2，水泥用量控制在80kg/m，浆液水灰比为0.5：1，喷浆压力为2 MPa，钻杆提升速度为50 r/min，提升速度为6 cm/min。加固等强2

9、8天后，进行垂直抽芯检查和洞门水平探孔检查各项指标达到要求，进行洞门围护结构砼的破除。破除洞门结构砼原则上先破除外层钢筋混凝土，保留里排钢筋和约10cm厚的砼层。迅速安装橡胶帘布和扇形钢压板，并往刀盘土仓里塞三分之二仓土坯。待以上准备工作完成后，由下往上，分块破除钢筋混凝土，并尽快使盾构机前移，使其刀盘顶到加固体撑子面。从安装橡胶帘布到盾构前移，应控制在12个小时内完成，否则盾构撑子面暴露时间过长容易产生加固体失稳变形现象。盾构开始向前掘进时，暂不出碴，并往土仓内加大量的泡沫，改良碴土，以建立土仓压力，至此盾构始发已成功。3.2 盾构在富水砂层中进站的技术措施盾构在砂层端头进站，比起普通地层进

10、站，难度系数就更大了。在砂层中进站，很容易发生“涌砂”，原因是盾构机开挖的直径比盾构机机身的直径大，使得盾构机外围形成一长环缝，这条缝隙在压力的作用下，细砂和水很容易从这缝隙进入车站，引发地面坍塌事故。在盾构进站时，必须采取有效的措施防止流砂的发生。在本工程中，盾构进站端头加固仍采用高压旋喷桩加固，旋喷桩加固参数与始发旋喷桩加固参数一样，但加固范围就截然不同了。盾构进站加固范围，靠洞门位置沿纵向全断面加了3米长，再向后设计了一个三面两排旋喷桩加固的井字止水帷幕，具体加固范围如（图三）。这设计，综加考虑了盾构进站时出现有“涌砂”事件，可以保证止水帷幕外面建筑物的安全，另一面，有了这个止水帷幕，大

11、大减少土体对洞门的侧向作用压力，出现涌砂也容易封堵。在施工中，当盾构的刀盘抵达洞门前沿的加固体时，此时盾构的盾尾已穿过了纵向第一道旋喷桩止水帷幕，应暂停盾构掘进，通过管片吊装把盾尾后的5环管片注双液浆，确保止水帷幕外的泥水再没有通道进入井字帷幕内。待注浆的强度达到终凝后，迅速把洞门的钢筋砼破除，安装洞门密封，盾构迅速向车站内推进，直到盾构尾刷完全进入全截面加固体2米后，方可停止掘进。在盾构刀盘进入车站后，此时可能盾构与洞门之间的缝隙有喷砂水的现象，可以通过用钢丝绳收紧洞门密封来解决，如喷涌不是很厉害，大可不必理它，只要迅速把盾构往前推，盾尾到达3米范围的加固体内时，再通过同步注浆，管片壁后注浆

12、，更严重的采用遇水膨胀的聚胺酯把砂水堵住。到此，盾构机暂停两天，使注的浆液已有强度，此时盾构再进站已不存在安全隐患了。4 在富水砂层地层里，盾构在多层建筑群下掘进的施工技术措施在某个盾构工程中，盾构在砂层中施工时，由于没有足够重视，施工时发生盾构铰接部位漏砂现象，虽漏的砂水仅有5立方，并马上由隧道内向地层中注水泥浆，但已没法补救。漏砂搅动了地层的稳定，地面发生较大的沉降，在盾构上方的一幢多层建筑物迅速开裂，最后通过从地面对建筑基础进行注浆加固，方稳定房屋继续沉降开展。虽最后建筑物保住了，但建筑物的维修就耗资一百多万元。吸取了别人惨痛的施工教训，本工程【许南】区间盾构机始发之后就要下穿廖家巷2号

13、建筑物群，根据建筑物和地下管线调查成果的报告显示，这些建筑物大部分建成的年代都比较久远，基础大都为条形基础，承载能力较差，部分房屋已有数条裂纹。根据许南区间的设计线路，盾构机并不是在这些建筑物的正下方通过，而是从建筑物的角部或侧部穿过（详见部分廖家巷建筑群与地铁隧道平面关系图）。这样盾构机通过势必将对这些建筑物造成不同程度的不均匀沉降，对房屋造成不同程度的危害。如何能将沉降控制在规定范围之内，确保建筑物与居民的安全，是必须慎重考虑的问题。盾构过廖家巷建筑群前，召集参建的专家对盾构在砂层中过建筑群施工技术措施进行研讨，制定了以下措施：在盾构进入建筑群前，应对盾构机进行全面的检修，减少盾构因设备故

14、障停机，保证盾构连续快速向前掘进；刀盘土仓压力应比普通地层施工要提高，并根据地表监测的结果，不断调整土仓压力参数，具体要符合盾构沉降的一般规律(如图四盾构施工地面变形的一般规律)。要求从同步注浆压力、注浆量来确保管片与地层中的间隙填充密实，特别指出注浆量不要拘泥于平常要求的130%180%的填充率，有资料表明有些地层中充填率可达250%，应坚持根据监控量测情况指导盾构施工；加强地表及建筑物的监测，把监测的成果及时反馈到盾构操作室，以指导盾构施工参数的控制；盾构掘进过程中，要有专人检查盾构的铰接密封和盾尾密封，发现有泄漏，及进处理。要求控制盾构每循环的出渣量，发现异常要及进处理。在十几米深的富水

15、的砂层中，土仓内的水压力很大，如施工中不注意控制,出渣时很容易发生“喷涌”，将由于压力的析放造成刀盘前方的撑子面塌陷，地面将发生较大的沉降。经过实践摸索，总结出防止喷涌的措施：盾构掘进的每循环结束前，先停止出渣，打开螺旋输送机的闸门再掘进一段，约为1020CM，发现土仓压力没有变化后方关闸门和停止盾构掘进，确保土仓内满仓土，并把土仓内的气压从闸门挤压出来，有效避免“喷涌”现象的产生；如果发生了“喷涌”，螺旋输送机的出碴门宜减小，开启宽度为150mm200mm，并通过正反转和加入大量的泡沫来改良渣土，达到堵水和利于渣土排放的目的。盾构施工中，首先在一块较为空旷的地下进行了盾构机保养和维修，同时进

16、行了盾构施工配套设备（水平运输的电瓶车、垂直运输的门吊和砂浆搅拌站等）的保养和维修。在确保盾构设备运转为正常状态下向前掘进。盾构掘进参数，也是经过反复计算和比较，再根据平时施工的经验总结，具体见(表二)。廖家巷建筑群在盾构线路上方的建筑物达20幢，盾构隧道线路达300米长。从盾构机到达影响建筑群范围，到盾构机完全穿越建筑群，共用20天，地表最大沉降22.5mm，建筑物最大沉降18.2mm。从监测结果显示，地表沉降基本符合原设定的规律，如29-B5-2点的房屋点沉降-距离曲线图。施工时，在盾构前方的监测点变形控制在+1-1mm范围内，盾构通过时，监测点沉降变形在-3-6mm范围内，地表最终沉降控制在1525mm范围内。在周密的施工方案和技术措施指导下，盾构在富水砂层中成功穿廖家巷建筑群，给我们留下了很多宝贵的施工经验，供以后施工中作参考。盾构在建筑群中设定的施工参数（表二）盾构机总推力（t）刀盘扭矩（t*m）盾构掘进速度（mm/min）注浆压力（Mpa）注浆量（m3）出碴量（m3）土仓压力（Mpa）1057135532439540820.320.353.23.53644上0.23中0.26下0.295 结束语本文是把南京