浅析砂卵石地层盾构施工
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摘要 高富水、高砂卵石含量地层由于其特殊地质条件，盾构施工中存在较大风险，控制超挖，是降低盾构施工风险的关键，文章针对施工存在的几个主要问题提出解决的办法。
关键词高富水、砂卵石地层；超挖控制；
Abstract: Due to the special geological conditions of the high water-rich, high content of sand and gravel strata, there is a big risk in shield construction, and control of over break is the key to reduce the shield construction risk, articles propose solutions for several major construction.Key words: high water-rich sand and gravel strata; over break control;
中图分类号：P539文献标识码： A 文章编号：
引言
高富水、高砂卵石含量地层宜选用土压平衡盾构，泥水盾构已经证明在此地质条件下不适用。由于地质条件的特殊性， 盾构掘进过程中都均存在超挖现象。如何提高盾构掘进过程中渣土的流动性、塑性，进而提高掘进速度，最终达到减少超挖之目的，对于超挖量大的地段提出采用顶管注浆的方式填充空隙，可以有效控制地表沉降，降低盾构施工风险。同时对盾构刀盘刀具配置、注浆回填进行阐述，最后对盾构施工的进出洞及特殊地段沉降大问题提出了自己的看法，并给出解决的方法。实践证明，可以有效提高盾构施工进度，降低盾构施工风险。
特殊地质
盾构穿越砂卵石土层，土体透水性强、渗透系数大，地下水水量丰富，自稳性差。
现有盾构的适用性
对某地砂卵石层的原始地质经过筛分实验与盾构的适用相比较(如图1，红色区域为成都砂卵石粒径范围)，从图中可以看出砂卵石地质不适用于土压平衡盾构施工，也不适用于泥水平衡盾构施工，但要想采用土压平衡盾构施工，必须采取有效的措施，使其渣土适用于土压平衡盾构施工。需要对大的卵石进行破碎，
图1 某地砂卵石原始地质粒径分布图
提高渣土细颗粒的含量，并且采用泡沫使渣土，提高渣土流动性和塑性，达到顺利出渣的目的。
为达到上述目的，现在砂卵石层施工的盾构都采用土压平衡盾构，盾构的设计理念没有太大的变化，刀盘采用面板布置方式，后面有四个支撑臂与主轴承相连。刀盘面板上采用硬岩刀具配置，卵石以破碎为主。渣良系统主要有
泡沫注入系统和膨润土注入系统（图2）。 但在实际盾构掘进过程中渣土无法达到土压平衡所需要的细颗粒的含量，渣土的流动性和塑性差。因此为了保证盾构正常掘进状态，盾构掘进只能说是满仓掘进状态，而不是真正的土压平衡掘进状态。
图2盾构刀盘
盾构施工超挖分析及控制沉降措施
由于盾构施工推力的存在，不可避免对刀盘前方及上方的掌子面及拱顶产生扰动(如图3)，使原本密实的砂卵石变得松散。盾构掘进不是土压平衡状态，随着刀盘的旋转及砂卵石的重力作用，拱顶松散的砂卵石很容易进入土仓内。进入土仓的砂卵石是无法靠提高土仓压力将超出正常开挖量的渣土挤到刀盘开挖范围之外的。这就不可避免产生超挖。
超挖量的多少主要取决于以下几个方面：砂卵石地层的密实程度，地层密实，超挖量少，地层松散，超挖量大；盾构掘进速度，掘进速度快，扰动时间短，超挖量小，掘进速度慢，扰动时间长，超挖量大；盾构推力，推力大，受到扰动范围大，超挖量大，推力小，受到扰动范围小，超挖量小。
因此减少超挖量的方法主要是通过渣良提高掘进速度，降低盾构推力。
3.1超挖量大导致地表塌陷
由于盾构掘进存在超挖，只要盾构刀盘一过，盾体上面的拱顶砂卵石会掉落到盾体上，拱顶地层会变得非常松散。如果超挖量小，可以通过加大同步注浆量和二次注浆填充超挖部分。但如果地层密实度较低，超挖量大，超挖位置没等到达同步注浆位置时极有可能地层已经松散到隧道拱顶几米以上，而且同步注浆压力受盾尾密封的影响(不能高于3bar)，以往的二次跟踪注浆只是将管片吊装孔打开，进行二次注浆。由于管片承受压力的限制，也不能将浆液注入到拱顶几米以上。因此随着时间的推移，砂卵石逐渐下落，整个砂卵石层变成松散层，当地层水位上升，浸入到松散层后松散层变得密实，卵石层与粘土层之间出现空洞。地表扰动，粘土层也会随着时间的推移逐渐下落，最终导致地表塌陷。盾构超挖量大造成地表沉降示意图如图 4，一般分四个阶段。
如果地层水位一直很高，那么掘进超挖量大造成地表塌陷的周期会更短(没有图4的第二阶段)。
图4 超挖量大导致地表塌陷示意图
顶管注浆方法
防止地表塌陷的最好办法是将开挖部分及时回填密实。但使用传统的同步浆液不能将所有空隙回填密实。主要是由于同步注浆泵的泵送能力并不能完全满足开挖和超挖的所需泵送能力，加上同步注浆压力不能过高，如果过高会导致浆液向盾体前方参透，如果长时间停机会导致土仓内结饼。二次注浆由于只是在管片背后注浆，压力太大会使管片错台或开裂，补浆效果并不太明显。顶管注浆方法在地表未塌陷前将逐渐下落的松散卵石层回填密实。传统的地表钻孔注浆方法在此种条件下不适用 ，主要是因为钻孔位置找得不准，地表容易漏浆等多种原因造成注浆效果不好。经过多方探讨，采用在超挖量大的位置管片的吊装孔上开一个直径为108mm的圆孔，装自制的单向阀，然后使用气动锚杆机将钻好注浆孔的无缝钢管垂直打入松散卵石层，一直到打入困难为上，说明注浆管已经打到最上面的下落松散层了。然后马上注浆。刚开始时水与水泥的质量比一般为3：1，浆液调得稀，利于注入，然后再按水与水泥质量比为1：1调配水泥浆，一直注到与超挖量体积相等为止。
此种顶管注浆方法经过实践检验是可行的，对地表沉降的控制最有效，尤其在地面无法施工的前提下更显出其优越性。主要优点有：1、管片是密闭的，注浆时不会产生漏浆现象；2、注入的浆液全部保留在松散层内，填充松散层；3、不需地面占地，干扰小；4、钻孔位置准确，很容易找到松散层。
顶管注浆的不足之处有：1、注浆必须做到及时，否则会由于不及时造成地表塌陷；2、顶管作业时会影响地下掘进施工。
权衡利弊顶管注浆方法在盾构施工中是最好的处理超挖的方法，可以有效填充松散层，防止地表塌陷。
砂卵石地层渣良方法
砂卵石地层现在的常用的渣良方法还是使用泡沫，泡沫作为一种通用的渣良措施，有其不可替代的优越性：
减少渗漏，提高工作面的密封性；
在土壤中造成塑性变形，以提高均匀可控的支撑压力及工作面的稳定性；
降低内摩擦力，减少土壤在刀盘、螺旋输送机、运输带的磨损降低能耗，使土体易于分离、运输，同时降低了磨损成本；
降低土体的粘度，防止堵塞的发生；
在硬岩隧道施工中降低粉尘的发生量。
不同的厂商泡沫的品质不同，建议采用良好的泡沫，以降低刀盘和刀具的磨损，提高渣土的流动性和塑性。由于系统本身的原因泡沫的注入率不足，需要加一些水来提高渣土的流动性。
盾构施工特殊地段处理措施
砂卵石地层虽然比较单一，但也有许多特殊地段，如进出洞门、长期渗水地段、全砂层等，只有找到解决其特殊地段的有效办法，就可以控制地表沉降，降低施工风险。
5.1进出洞门处理措施
由于车站采用降水施工，在长时间的降水过程中不可避免地将部分沙随水抽走，导致附近地层含沙量降低，地层密实度降低，地层变得比较松散，加上盾构进出洞门施工期间掘进速度比较缓慢，盾构对松散地层传力大、扰动大，最终导致松散的卵石层支承体系破坏，盾构掘进时卵石下落，盾构超挖异常大，很有可能造成地表塌陷，危及附近建筑物的安全。必须找到十分有效的加固措施，减少盾构进出洞门时对地层的扰动。
根据洞门的结构尺寸，采取在预留洞门内上半部分拱顶打管棚，然后注浆的方法进行加固。由于管棚注浆后形成一层加固层，盾构掘进时对拱顶的扰动力加固层可以承受，力不会再向上传递，对拱顶的扰动很小，拱顶上方的松散卵石层体系不会受到破坏，盾构超挖量会非常小，不会造成地表塌陷。
5.2长期渗水地段处理措施
市政管道如污水管、供水管等个别位置会存在不同程度的渗漏现象，如果长期渗漏会造成漏水处砂卵石层中的砂被全部带走，只剩卵石和大量的水在地层中。如果盾构掘进到此地层会造成卡刀盘、喷涌、超挖量非常大的结果。而且此种地层卵石下落得快，波及到地表安全的周期会非常短。降低此种地段的沉降主要由两个措施：一是如果能够勘查到此地段，预先对其进行注浆加固，使之成为一个整体，二是如果突然遇到此地段，尽快掘进通过此地段，同时地面打维护桩，地表钻孔注浆处理。
7 结论
高富水、高砂卵石含量地层虽然罕见，盾构施工困难，但及时总结盾构施工的经验和教训，经过探索通过合理的方式和措施对盾构施工的超挖范围进行注浆回填，同时对盾构通过的特殊地段进行及时处理，可以有效控制地表沉降，降低盾构施工风险。
参考文献
[1]陈馈.盾构施工技术.北京.人民交通出版社.2009.