泥水盾構砂土液化地層掘進姿態控制技術研究

郭永順

（廣州地鐵集團建設事業總部 廣州 510308）

1 工程概況

廣州市軌道交通八號線北延段工程（文化公園-白云湖區間），白云湖車輛段出入段線區間，入段線全長685.004 m，出段線全長623.800 m。隧道最大下坡2.476%，最大上坡3.4%，平面曲線半徑為270 m，250 m。本區間采用開挖直徑為6.28 m 的直接式泥水平衡盾構機，管片外徑6.0 m，內徑5.4 m，管片環寬1.2 m，楔形量41 mm 管片。

1.1 工程地質

本區間主要穿越地層為〈4N-1〉粉質粘土（流塑）、〈4N-2〉粉質粘土（可塑-軟塑）、〈4-2B〉淤泥質土、〈3-1〉粉細砂、〈3-2〉中粗砂、〈9C-2〉灰巖。根據地質勘查結果本區間〈3-1〉層在震動作用下產生局部液化［1］。

1.2 水文地質

隧道區間的地下水按賦存方式劃分為第四系松散孔隙水和巖溶裂隙水2 種類型，勘查時混合穩定水文埋深在0.90～2.90 m，水文標高4.98～6.96 m。

2 砂土液化地層盾構掘進垂直姿態分析

2.1 砂土液化地層掘進盾構垂直姿態趨勢

入段線掘進完成89 環后，從第90 環開始掘進過程中盾構機垂直姿態出現“下沉”情況。后續掘進過程中盾構機下沉的趨勢越來越明顯。本段掘進過程中水平處于270 m 右轉圓曲線，垂直處以0.85%下坡。入段線掘進92～98 環垂直姿態變化如表1所示。

表1 入段線92～98環掘進垂直姿態變化Tab.1 Variation of Vertical Attitude of Entry Line 92～98 Ring Tunneling

2.2 砂土液化地層掘進垂直姿態下沉原因

根據表1對比分析，泥水盾構掘進遇到底部為砂土液化地層時，每環垂直姿態下沉趨勢將逐漸增大，由開始的每環下沉5 mm 至掘進完成97 環時盾體下沉達17 mm。砂土液化地層盾構掘進盾體下沉的原因主要為：盾構機垂直姿態下沉段底部為〈3-1〉粉細砂層，其顆粒級配單一且疏松飽和，在盾構掘進過程中產生的振動作用下有粉細砂顆粒移動和變密的趨勢，對應力的承受從砂土骨架轉向水，由于粉細砂的滲透力不良，孔隙水壓力會急劇增大，當孔隙水壓力大到總應力時有效應力降到0，顆粒懸浮在水中，砂土即發生液化［2］。盾體失去了有效支撐，在掘進過程中產生下沉趨勢且趨勢越來越明顯。盾構姿態整體下沉段入段線地質剖面如圖1所示。

圖1 盾構機姿態整體下沉段地質剖面圖Fig.1 Geological Profile of Shield Machine Attitude Integral Subsidence Section

2.3 砂土液化地層垂直姿態下沉造成影響

根據表1及圖1對比分析，砂土液化地層掘進過程中盾構機垂直姿態整體每環下沉量都將逐漸變大，若不能采取有效措施進行姿態控制，將造成以下后果：

⑴盾構機姿態趨勢將比管片拼裝趨勢大，造成盾尾間隙變小，產生后續管片拼裝困難及掘進過程中管片與盾尾刷相互擠壓，造成管片的錯臺、滲漏水和破損等質量事故［3］及盾尾漏漿、漏砂的潛在安全風險。

⑵如果不采取有效措施進行控制，盾構繼續掘進，則盾構機下沉趨勢將繼續加大，導致盾構姿態超限，將造成管片成型姿態也超限［4］的情況。

⑶由于盾體整體下沉，導致盾體與開挖土體之間上部的空隙增大，如果盾體上方為軟弱地層，容易造成上方土體下沉造成地表的沉降［5］。

3 砂土液化地層掘進垂直姿態控制措施

盾構掘進過程中盾體整體下沉，是由于隧道底部的粉細砂層在盾構掘進過程中液化導致。因此首先需要及時對隧道底部的液化部位進行填充，為盾體提供有效支撐，然后通過參數的控制逐步進行姿態調整。

3.1 盾體底部填充惰性漿液

3.1.1 惰性漿液的性能指標

盾體底部填充的惰性漿液［6］要具備以下基本性能要求：

⑴具有良好的長期穩定及流動性，以適應盾構施工以及遠距離輸送的要求；

⑵良好的充填性能，及時填充至盾體與開挖輪廓之間的間隙；

⑶耐久性和抗滲性較好，在地下水環境中，不易產生稀釋現象；

⑷原料來源豐富，經濟，施工管理方便；

⑸漿液無毒性，對環境無污染。

根據上述惰性漿液性能要求，結合現場實際情況進行惰性漿液的配比試驗。最后配比成的惰性漿液性能指標為：比重＞1.8 g/cm3，塌落度 18～20 cm。漿液的配合比為：每m3的石灰、粉煤灰、膨潤土、砂、水用量分別為 54、400、67、800、350 kg。惰性漿液配比試驗結果如圖2所示。

圖2 惰性漿液配比試驗結果Fig.2 Test Results of Inert Slurry Ratio

3.1.2 惰性漿液的運輸及注入

根據現場試驗配比利用同步砂漿站進行惰性漿液拌制，拌制完成后抽樣進行檢測，合格后抽至隧道電瓶車砂漿罐運輸至盾構機內部。然后對同步注漿系統進行改造，確保盾構掘進過程中盾尾注漿滿足要求的前提下，保證有1 路管路可以進行盾體底部中盾6點位注入惰性漿液。惰性漿液注入點位如圖3所示。

圖3 惰性漿液注入點位圖Fig.3 Bitmap of Inert Slurry Injection Point

3.1.3 惰性漿液注入方量控制

砂土液化地層掘進過程中，惰性漿液注入方量需要結合理論計算及盾構機實際姿態變化趨勢進行調整。其惰性漿液理論注入量計算如下：

式中：S1為盾體下沉后中盾斷面面積；S2為中盾斷面面積；L 為盾體長度，取8.19 m。中盾直徑為6.24 m，盾體每環按30 mm 下沉量進行計算。

結合式⑴可得：砂土液化地層中掘進過程中每環理論注漿量V=2.4 m3。

因此在98 環掘進過程中同時開啟中盾底部惰性漿液注入，注入方量為每環3.0 m3。后續注入量根據每環姿態變化趨勢及時調整。

3.2 參數控制

3.2.1 掘進參數控制

砂土液化地層中為了減少刀盤切削對掌子面的擾動，掘進過程中刀盤轉速控制在0.8 r/min，掘進速度控制在30～40 mm/min。同時同步千斤頂上下壓差控制在120～160 bar，且頂部分區壓力不能低于40 bar，防止上部區壓過小造成管片錯臺、破損、滲漏水等質量事故。

本區間泥水平衡盾構機采用主動鉸接［7］，鉸接轉向最大角度（垂直/水平）1.7°。為了保護設備，本段垂直方向角度控制在0.8°，水平方向角度控制在0.4°，上下鉸接行程差控制在80 mm，及左右鉸接行程差控制在40 mm。

3.2.2 環流參數控制

砂土液化地層掘進進漿流量滿足攜渣要求的情況下控制在320～350 m3/h，避免流量過大對掌子面造成的沖刷。掘進過程中發現管路不暢時及時旁通，必要時清理采石箱。

3.2.3 泥漿參數控制

泥水盾構掘進泥膜質量是保證開挖面穩定的前提條件［8］。本段掘進過程中泥漿參數［9］控制在：比重 1.15～1.25 g/ml，粘度 22～25 s，pH 值 7～10。掘進過程中加強泥漿參數檢測頻率，及時進行制調漿。

3.3 注漿控制

3.3.1 同步注漿控制

本段地層掘進過程由于底部粉細砂層液化，會出現超挖情況，同時為了防止管片脫出盾尾后出現再次下沉情況。因此液化粉細砂段掘進過程中必須加大同步注漿量及質量控制［10］，理論計算每環注漿量為3.2 m3，實際填充系數提高至2.2 倍，確保每環注漿量控制在7 m3，凝固時間控制在4 h。

同步注漿要求，掘進過程中均勻注入，沒有砂漿嚴禁掘進，確保管片脫出盾尾后空隙及時填充。由于下部為粉細砂的液化地層因此注漿方量按照上下1.5∶2.0 的比例注入。

3.3.2 二次注漿

由于盾體下沉導致盾構機姿態超限，管片成型姿態也出現超限，因此需要在成型管片進行二次注漿［11］穩固。注漿采用水泥、水玻璃溶液，其中水玻璃和水的體積比為1∶1，水泥和水的質量比為1∶1，初凝時間控制在35 s，注漿壓力控制在0.35 MPa。注漿點位為成型管片現底部5、7 點位交替進行注漿，依次往上注漿。二次注漿如圖4所示。

圖4 管片部位5、7點位注漿Fig.4 Grouting 5 and 7 Point at Segment Position

3.3.3 盾尾油脂的壓注

為避免管片相對盾尾發生位移，造成盾尾漏砂、漏水，造成安全事故，在掘進過程中需加強盾尾油脂壓注監測，出現異常情況，需立即處理。

二次注漿要求：注漿前調整好初凝時間，注漿過程中加強注漿壓力控制，專人控管。注漿停止的標準為注漿壓力達到設定值，或注漿過程中管片出現裂紋、錯臺、漏水、漏砂。二次注漿時需復測成型隧道軸線，注漿壓力可適當提高至0.40 MPa，不超過0.5 MPa。

4 砂土液化地層掘進垂直姿態糾偏效果

自99 環開始調整掘進參數，加強過程控制，盾構機垂直姿態下沉趨勢逐漸得到控制，并逐步糾偏至正常水平。其自99～106 環盾構機垂直姿態變化如表2所示。

表2 入段線砂土液化地層垂直姿態糾偏效果Tab.2 Effect of Vertical Attitude Rectification on Sand Liquefaction Stratum of Inlet Line

根據表2綜合分析，泥水盾構掘進過程中遇到砂土液化地層時，采取上述的控制措施后盾構機前點上抬趨勢明顯，中點和后點下沉趨勢逐漸減小后上抬明顯。盾構機垂直姿態糾偏［12］至設定值后姿態趨于平穩。

5 結束語

本段砂土液化地層掘進盾構機垂直姿態整體下沉后采取的控制措施效果明顯，后續可用于其他軟弱地層盾構掘進垂直姿態調整及成型隧道軸線有效控制。對于液化地層，若在地面施工許可情況下，建議提前加固地層；若無條件提前加固，在盾構機通過后，應在隧道內進行注漿加固穩定隧道，確保日后運營中隧道的穩定、安全。