浅谈上软下硬段盾构掘进施工风险及对策

1浅谈上软下硬地层盾构掘进施工风险及对策徐国平，胡敏润（中交第二航务工程局有限公司）摘要：根据广州市地质复合型的特点，区间隧道一般都会遇到上软下硬地层情况，在掘进施工过程存在着很大的风险，文章以广佛线土建12标菊西区间通过珠江水产研究所地段上软下硬地层为例，提出了在该类地层掘进施工风险控制的对策，并对该类地层的施工有关情况进行了总结。关键词：上软下硬盾构掘进风险对策1、工程概况珠三角城际快速轨道交通广佛线是国内第一条城际快速轨道交通线路，土建第12标段地点位于广州市荔湾区，工程范围包括两个车站、两个盾构区间，其中菊树～西朗盾构区间双线全长约3933米，西朗～鹤洞盾构区间双线全长约1328米，隧道直径6米。盾构隧道主要穿越的地层有淤泥、淤泥质粉细砂、蠔壳片中粗砂层、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩等多种复合地层。2、上软下硬地层掘进施工风险在菊树～西朗区间盾构施工过程中，需要下穿珠江水产研究所440米范围，7个科研鱼塘，鱼苗珍贵经济价值高。根据详勘资料显示，该地段部分地质探孔位于隧道范围内，上软下硬地层上部主要为蠔壳片中粗砂层，下部地层为微风化粗砂岩层，最大强度约35MPa，两类地层强度差异较大，呈现上软下硬特征，一类为蠔壳砂层，主要成分为蠔壳以及动物尸体残渣，整体呈松散状态，遇水液化，在刀盘扰动下易产生流变，影响地面沉降，并且与花地河水系联通，涌水量大；另一类为微风化砂岩，粘土矿物成分含量高，遇水软化，在滚刀碾磨下形成粉末状颗粒，是形成泥饼的基础材料。在这类复合型地层中添加剂选择较难，如采用泡沫剂作为添加剂，对泥饼有较好的防治作用，但对于砂层没有改良效果。在高土压掘进条件下，盾构机掘进会出“呕吐”状态，即打开螺旋机液压闸门，开度即使很小，短时间内渣土、气体喷涌而出，2犹如呕吐状态，由于出渣含水量大，皮带机不能立即运走渣土，出土效率很低，同时土仓内土压力迅速下降，立即关闭闸门，土压力迅速回升，土仓压力浮动过大，对顶部砂层有一定影响，并且砂层时常含有小型孤石，经常卡住液压闸门。菊西区间左线隧道掘进第544环时，螺旋输送机液压闸门被硬石卡住无法完全关闭（闸门开度11﹪），从闸门开口处涌出2m³渣土，土压力下降后迅速上升。采取反转螺旋输送机，将渣土强行反压回土仓，控制住喷涌后立即组织人员敲打石块，此时仍有部分渣土不停的从闸门涌出，半小时后闸门才得以完全关闭。地面鱼塘开始出现冒泡现象，影响范围为直径2m。在之后几十环掘进过程中，都有出现闸门被孤石卡住的现象，造成土仓压力难以控制。泡沫注入土仓内破裂后汇聚为气体，砂层在压力和气体衬托下产生向后方鱼塘的流动从而造成鱼塘内翻气泡，威胁科研鱼苗的安全，对珠江水产研究所的科学研究造成很大的影响。如采用高分子材料和膨润土作为添加剂，则对砂层的流塑性以及通水性有较大改善，有效的预防喷涌，在较高土压下，能控制盾构机不进行“呕吐”式掘进，稳定掌子面土压力，对于防止顶部砂层流变有一定作用，间接的减少了地面沉降。同时由于高分子以及膨润土都是以溶液形式注入土仓内，因此也不会形成气体从砂层中溢流造成地面鱼塘冒顶的现象。但对于泥饼的形成无法有效控制。根据现场实际施工情况，左线545环掘进时改用高分子聚合物以及膨润土作为添加剂，在掘进了2环以后土仓内就开始形成泥饼，渣温、推力、扭矩都有明显提高，推进速度也因此减缓，刀盘对顶部砂层的扰动更剧烈，顶部砂层受到扰动后涌入土仓内造成出渣量明显增加，同时砂层液化后造成地面沉降，引起道路和鱼塘等设施塌陷，甚至会导致科研大楼开裂。地铁盾构掘进施工过程中引发的较大地面沉降，引发安全生产事故，几乎都是在上软下硬的地质条件下造成的，分析主要原因是由于盾构机推进过程中，刀盘切削工作面土体时，上部软土地层容易进入密封土仓，而下部较硬岩体不易破碎。这样往往会使上部软土地层过量切削进入舱内，一旦密封土仓内有一点土压失衡，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。在通过珠江水产研究所上软下硬段中，更大的风险来自科研鱼塘的冒泡、沉陷，以及科研大楼的安全，对该所的科研工作带来非常重大的不利影响。3、上软下硬地层施工对策在上软下硬复合地层施工，添加剂的选择是关键，在推进过程中设法保持上部软3土的平衡是目标，为了右线盾构通过时避免出现沉降以及翻塘等现象，采取主要对策措施如下：（1）加强盾构机维养保养，提高设备的完好率和利用率。提前安装调试好螺旋机应急闸门，以利用于遇到涌水、涌砂时的及时关闭闸门保压。（2）采用土压平衡模式掘进。单纯采用较大土压力是一种理想方法，但因为下部为泥岩，会产生结泥饼的负面效应，而采用欠土压和辅助气压方法建立土压平衡掘进，容易造成气体泡沫冒出地面，并导致科研鱼苗死亡。因此，采用土压平衡模式，在保证泡沫基本功能的前提下减小泡沫的注入量和发泡倍率。泡沫溶液的组成参考：泡沫添加剂原液4%，水96%；发泡倍率15倍，掺入率40%。（3）重视盾构掘进基础数据的异常反馈。如推进速度、推力、扭矩、土舱压力增大、油温升高、出土闸门喷涌、渣土的含水量变化、渣样的判断、实际出渣量与理论出渣量的比较等等，认真分析异常原因，采取果断的技术措施，以免贻误最佳的处理时机。（4）严格控制掘进施工出土量。出土量宜每环控制在70m3左右，最多不能超过80m3,若出现5斗土装满了，而千斤顶的行程未能达到1800mm时，应停止螺旋机出土，继续掘进达到拼管片为止。在下一环开始掘进时需要憋土保压，土压大小视刀盘扭距而定。停机前也要憋土保压，以防止掌子面坍塌。（5）密切注意工程地质和地表沉降变化的情况。洞外观测地表下沉，在进入该段前约30m开始，在洞轴线的地表每隔5m设置一处测点，用于监测盾构机掘进到达和离去阶段，各点的沉降值与盾构机掘进参数之间的关系，总结出适应该地层掘进参数和注浆参数。收集必要的掘进参数和地层信息，以信息反演地层结构。及时调整推进参数，减少对地层的扰动，控制地面沉降。（6）优化壁后注浆配合比参数。调整同步注浆配合比，提高水泥掺加量使之大于160kg/m3，或加入适量早强剂，使浆液凝胶时间缩短到3～5h，使同步注浆尽快发挥其止水作用，防止管片背后水力通道的形成，可以有效防止或减小喷涌的发生，阻止管片上浮。同时，及时进行二次双液补强注浆，对管片背后进行堵水，防止管片上浮超限。（7）盾构掘进参数控制。对于上软下硬地层，施工时可参考应用控制参数如下：4上软下硬地层判断依据出渣时砂含量增多或黑红色泥状物质增多，并伴有块状岩块地面情况隧道两侧为检测楼、科技楼、隧道上方为鱼塘掘进模式土压平衡右部土压力（KPa）220~240推力（t）1500推进速度（mm/min30扭矩（kn·m）3500刀盘转速（rad/min）1.5~2出土量（m³）3.5~4斗注浆压力（MPa）0.3~0.4注浆量（m³）5.5~6添加剂康达特泡沫溶液浓度3.5%，发泡率15倍，注入率40%，采用NL模式注意事项①尽可能使用铰接油缸调整盾构机姿态，减小盾构机爬坡趋势。②保持泡沫管的畅通，一旦发现泡沫管堵塞，立即疏通防止结泥饼。③出土量精细化控制，减少地面沉降量，每掘进完一斗的理论进尺量为38~42cm。每环对渣样在隧道内进行清洗，判断上部地层是否进入隧道。4、施工总结（1）盾构机掘进施工时，在红层地层出土量为5斗/环，上软下硬出土量为4斗/环，淤泥、砂层出土量为3斗/环。盾构机通过珠江水产研究所上软下硬地段，出土量是由多变少，而后由少变多的渐变过程；而土仓压力是由小变大，而后由大变小的渐变过程。（2）在上软下硬地层，泡沫管会出现经常堵塞，需要及时疏通，防止扭矩及渣温上升较快。（3）当渣土中粘粒含量大于15%时，可采用泡沫以防止泥饼的发生；当判断土舱内可能结泥饼时，应采用分散剂进行浸泡；当在粘粒含量小于15%全断面蠔壳砂层中掘进时，透水性大并极易引发喷涌，可采用8‰浓度的高分子材料，对渣土有一定改5良效果；在淤泥地层或淤泥与砂层的混合地层中掘进，可以不采用添加剂。（4）在上软下硬地段掘进时，可能会出现刀盘上部地层突然塌陷的情况，造成扭矩突然增加至7000KN·m左右，通过刀盘继续转动又能迅速恢复正常。（5）从软土地层渐变到上软下硬段地层时，应密切注意以下几点：①扭矩变化；②渣样变化；③盾构机姿态变化。根据变化情况选择适当的添加材、掘进模式，并通过铰接系统调整盾构机姿态。参考文献：[1]竺维彬,鞠世健著.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:科学技术出版社,2006.[2]竺维彬,鞠世健著.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究[M].广州:暨南大学出版社,2009.[3]李惠平，夏明耀.盾构姿态自动控制技术的应用与发展[J].地下空间，2003，1(1)：75–78.[4]肖广良.浅析复合式盾构机的作业模式[J].隧道建设，2002，22(1)：10–13.