高毅

摘 要：針對(duì)鄭州粉砂地層具有高滲透性，穩(wěn)定性差，隧道穿越富水粉砂、砂質(zhì)粉土層具有滲流液化的特性，在動(dòng)水壓力作用下易造成開挖面失穩(wěn)、出渣性狀波動(dòng)劇烈、刀盤扭矩波動(dòng)劇烈、盾尾滲漏、螺機(jī)噴涌等問題，盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中沉降控制難度極大。故以鄭州地鐵2號(hào)線廣播臺(tái)站至新龍路站盾構(gòu)區(qū)間為例，對(duì)盾構(gòu)在富水粉土粉砂地層中穿越大直徑陳舊自來水干管等重大風(fēng)險(xiǎn)源的施工技術(shù)進(jìn)行探討，希望對(duì)類似工程施工具有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：粉土粉砂 盾構(gòu)施工 大直徑陳舊自來水干管 技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-198X（2015）04（c）-0047-02

盾構(gòu)法施工技術(shù)以其特有的智能、安全、地層適用性廣等特點(diǎn)與優(yōu)勢，越來越多地得到推廣和應(yīng)用。雖然盾構(gòu)法施工技術(shù)成績斐然，但是由于盾構(gòu)隧道施工改變了原地層的狀態(tài)，必然會(huì)引起或多或少的地層位移和地表沉陷，它將影響到鄰近建筑物安全。本文結(jié)合鄭州地鐵2號(hào)線在富水粉土粉砂地層中土壓平衡盾構(gòu)穿越大直徑陳舊自來水干管的施工中面臨的問題進(jìn)行探討，希望對(duì)盾構(gòu)法施工技術(shù)在今后的發(fā)展和應(yīng)用中有所幫助。

1 工程概況

鄭州地鐵2號(hào)線廣播臺(tái)站至新龍路站區(qū)間，右線隧道全長1401.125 m，左線隧道全長1396.603 m，外徑6 m，區(qū)間隧道埋深為10.3 m～19.1 m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。主要穿越地層為細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)粘土，主要風(fēng)險(xiǎn)源為下穿2條給水管線：DN1400給水管（帶壓源水管）、DN1200給水管（帶壓源水管），因順向斜穿和側(cè)穿，影響范圍長，又不具備管線保護(hù)和區(qū)間線路調(diào)整條件，區(qū)間施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

1.1 工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，三個(gè)區(qū)間盾構(gòu)穿越及上覆土層主要為：1-1雜填土、2-1粉土、2-3細(xì)沙、3-2粉質(zhì)粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3細(xì)砂層。

1.2 工程水文情況

勘察場地勘探深度范圍內(nèi)地下水類型為第四系潛水。第四系沖積-洪積（4-2）粉砂及（4-3）細(xì)砂為主要含水層，（4-2）粉砂及（4-3）細(xì)砂粘粒含量較低，富水性強(qiáng)，透水性好，滲透系數(shù)為6～18m/d；地下水水位埋藏變化較小，初見水位埋深為3.0～7.8m，平均埋深為4.81m。

1.3 廣播臺(tái)站至新龍路站盾構(gòu)區(qū)間下自來水干管情況介紹

1.3.1管線現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際踏勘與走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)：DN1400給水管為混凝土管材，管節(jié)長度為2m、4m、6m三種形式，接頭形式為承插接頭，內(nèi)部密封材料為麻繩+砂漿，1991年5月完成管道鋪設(shè)，距今22年；DN1200給水管為混凝土管材，管節(jié)長度為2m、4m兩種形式，接頭形式為承插接頭，內(nèi)部密封材料為麻繩+砂漿，為1982年完成管道鋪設(shè)，距今31年。2根給水管線的基礎(chǔ)均為原狀土夯實(shí)，在轉(zhuǎn)彎處和檢查井處接頭采用混凝土支墩加強(qiáng)，但整體穩(wěn)定性較差。

兩條水管為黃河至自來水廠的源水干管，如果發(fā)生水管斷裂的情況社會(huì)影響極大，地方政府要求必須保證管線的安全。因管道位于主干道下方，不具備加固和保護(hù)條件，區(qū)間線路也不具備調(diào)整條件，只能通過嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工沉降來保證管線安全。

1.3.2 管線與隧道位置關(guān)系

DN1200給水管與隧道位置關(guān)系：區(qū)間左線在里程ZDK10+394處與DN1200給水管線投影相交，管線埋深3.05m，距隧道頂部8.2m；區(qū)間右線在里程YDK10+446處與DN1200給水管線投影相交，管線埋深3.03m，與隧道頂部距離7.9m。盾構(gòu)從291環(huán)開始斜穿DN1200自來水管線（斜穿距離從隧道中心線到管線邊線9m開始計(jì)算），341環(huán)后，盾尾從東邊出自來水管線。

DN1400給水管與隧道位置關(guān)系：區(qū)間左線在里程ZDK11+046.9～ZDK11+262.0段215.1m隧道長度范圍內(nèi)側(cè)穿DN1400給水管線，管線平均埋深2.89m，與隧道頂部距離在6.9～12.2m之間。左線盾構(gòu)掘進(jìn)至801環(huán)開始斜穿DN1400自來水管線（斜穿距離從隧道中心線到管線邊線9m開始計(jì)算），905環(huán)出DN1400自來水管線。

1.4 盾構(gòu)穿越全斷面富水砂層出現(xiàn)的問題

根據(jù)廣-新區(qū)間左線掘進(jìn)600環(huán)、右線始發(fā)25環(huán)的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，盾構(gòu)在較大埋深、高地下水、全斷面粉細(xì)砂地層中的掘進(jìn)施工容易產(chǎn)生的問題有：（1）盾構(gòu)出渣性狀波動(dòng)劇烈，出渣不連續(xù)；（2）同步注漿易堵管、無法保證注漿量；（3）盾尾發(fā)生漏水、漏沙、漏漿；（4）盾構(gòu)刀盤扭矩波動(dòng)劇烈，盾構(gòu)施工不連續(xù)；（5）地層自穩(wěn)性極差等。

由以上主要問題所導(dǎo)致的其他次生問題主要有：（1）地表沉降在刀盤到達(dá)前即已開始，在脫出盾尾時(shí)沉降速率達(dá)到最大，地表沉降控制困難；（2）盾構(gòu)螺機(jī)噴涌、頻繁超挖；（3）管片脫出盾尾后的建筑間隙被砂層迅速填充，同步注漿漿液無法起到填充、支撐作用；（4）同步注漿漿液自盾尾間隙內(nèi)漏出，導(dǎo)致同步注漿壓力注漿量不夠。

1.5 出現(xiàn)問題的原因分析

通過以上問題的匯總及分析，推測出導(dǎo)致以上問題的主要原因有：（1）砂性土沒有粘聚力，導(dǎo)致在土倉、螺機(jī)內(nèi)的渣土和易性不好，相同螺機(jī)轉(zhuǎn)速、螺機(jī)后門開口的情況下，渣土流速不穩(wěn)定、刀盤扭矩持續(xù)增大，波動(dòng)頻繁；（2）砂性土自穩(wěn)性極差，無法形成塌落拱，導(dǎo)致本應(yīng)填充同步注漿的盾尾建筑空隙內(nèi)地層中的砂子填充，地層隨即產(chǎn)生沉降；（3）砂性土中基本沒有粘聚力，地下水的側(cè)壓力系數(shù)幾乎可以采用1.0，水土壓力較大；（4）飽和粉細(xì)砂層中的砂土液化現(xiàn)象嚴(yán)重，由于刀盤攪動(dòng)及盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中本身的擾動(dòng)，導(dǎo)致刀盤前方、盾體上方、盾尾后部的砂土均存在一定程度的液化現(xiàn)象。

1.6 所采取的針對(duì)性措施

針對(duì)以上問題與原因分析，主要采取兩項(xiàng)針對(duì)性措施。

（1）采用以膨潤土為主，泡沫為輔的渣土改良方案。改善渣土在刀盤前、土倉內(nèi)及螺機(jī)內(nèi)的和易性及孔隙比，到達(dá)較好的渣土流動(dòng)及連續(xù)性，穩(wěn)定的刀盤扭矩的目的。利用充分發(fā)酵后的鈉基膨潤土懸濁液的粘性及滲透性、利用刀盤前方的膨潤土泵送蝶閥及刀盤、土倉后壁的攪拌棒，使原狀的粉砂、細(xì)砂與鈉基膨潤土充分?jǐn)嚢杈鶆?，人為向原狀地層中補(bǔ)充粘粒，提高刀盤前及土倉內(nèi)渣土的粘聚力、吸收飽和粉細(xì)砂中的游離水，從而達(dá)到保證渣土流動(dòng)性、和易性、出渣連續(xù)性的效果；通過“類粘性土”在盾構(gòu)機(jī)體周邊的包裹，使盾構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)生的震動(dòng)、擾動(dòng)不易使周邊土體產(chǎn)生“液化反應(yīng)”；同時(shí)，高效發(fā)酵膨潤土的注入也能同時(shí)潤滑刀盤，起到降低刀盤扭矩的作用。通過“類粘性土”在螺機(jī)內(nèi)的堆積，形成土塞，可以有效的、顯著的降低螺機(jī)發(fā)生噴涌的可能性；在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，在以郎肯土壓力為理論水土合算計(jì)算出的理論土壓力的基礎(chǔ)上，增加0.2bar作為預(yù)備土壓力，保證盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中的土倉壓力高于地層土壓力，保證盾構(gòu)刀盤通過前、盾體通過時(shí)的地層不發(fā)生沉降，甚至留有一定隆起量作為“安全儲(chǔ)備”。

（2）改善同步注漿系統(tǒng)及漿液，采用干縮性較小、可泵送性較高能夠保證較高的盾尾注漿壓力的同步注漿漿液，配套采用能保證較高盾尾壓力的盾尾密封系統(tǒng)，使在砂層失穩(wěn)前同步注漿漿液即已達(dá)到強(qiáng)度。

由于本工程所采用的盾構(gòu)機(jī)不具備雙液漿進(jìn)行同步注漿的條件，所以只能改良同步注漿材料，采用低干縮性、高泵送性的同步注漿材料目前主要采用“厚漿”，即：塌落度在180mm以下，稠度在10～13cm之間的惰性漿液，其主要組成材料為粉煤灰、中砂、水及外加劑。另，采用此方法必須同時(shí)滿足盾尾密封系統(tǒng)能滿足8bar左右的同步注漿壓力的要求，不然無法滿足“厚漿”注入量的要求。

具體措施：通過采用粉煤灰、中砂、水及外加劑為主要材料的“厚漿”進(jìn)行同步注漿材料，其拌制設(shè)備可以沿用水泥砂漿的攪拌系統(tǒng)，但是在運(yùn)輸管路及下放閘口處需要進(jìn)行改進(jìn)處理，保證“厚漿”比水泥砂漿流動(dòng)性降低后仍能較快的從漿液拌制桶到達(dá)漿車。盾構(gòu)機(jī)用同步注漿施魏因泵可以泵送水泥砂漿與“厚漿”，盾構(gòu)機(jī)用的同步注漿系統(tǒng)不需要做出調(diào)整。對(duì)盾構(gòu)盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)：對(duì)盾構(gòu)機(jī)的前兩道盾尾刷進(jìn)行鋼絲刷剪短3cm處理，擴(kuò)大盾尾密封腔的容積，保證盾尾油脂在三道盾尾刷之間充分填充，并能在推進(jìn)過程中管片不斷脫出盾尾的磨刷情況下，有足夠存量的盾尾油脂能夠?qū)Χ芪菜⑴c管片之間的間隙進(jìn)行填充與密封，盾構(gòu)油脂應(yīng)采用具有良好泵送性能、隔水性能、粘性好、纖維長的油脂盾尾油脂。

2 結(jié)語

通過對(duì)上述盾構(gòu)區(qū)間施工問題的分析和研究，采取了針對(duì)性的措施，順利完成了富水粉土粉砂地層復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)穿越大直徑陳舊自來水干管的施工，未發(fā)生任何安全質(zhì)量事故。對(duì)鄭州地鐵二號(hào)線的建設(shè)解決了一重大問題，值得相似工程參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫玉勇.近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)研究[J].中國鐵道科學(xué)，2010（1）：54-58.

[2] 張凱.盾構(gòu)近距離下穿地鐵營運(yùn)隧道施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2012（4）：483-488.

[3] 汪春生.新建地鐵隧道下穿既有地鐵施工技術(shù)[J].都市快軌交通，2010（1）：82-84.