盾构机在富水砂层中穿越建（构）筑物风险管控施工技术研究

盾构机在富水砂层中穿越建（构）筑物风险管控施工技术研究

阳东升

广东华隧建设集团股份有限公司）

摘要：城市地铁盾构施工过程中，常常遇到富水砂地层，如果不对其进行改良，则容易引发喷涌、坍塌等安全风险。文章结合佛山地铁盾构施工所遇的不良地质情况，研究出有效的渣土改良技术及措施，并应用于施工中，取得良好效果。现对其进行详细分析，以供同行参考。

关键词：盾构施工；富水砂层；渣土改良；施工技术

前言

现阶段在地铁工程建设过程中，常采用盾构法施工技术，其具有施工便捷、安全、扰动地层较少等特点，在地铁工程建设中发挥着重要作用。在施工过程中，容易受到复杂的地质条件及环境、地铁线路走向等因素制约，盾构施工需要穿越不良地层如富水砂层，必须采取有针对性措施，有效改良渣土，严格控制地层，使其沉降变形等变化均在允许范围内，不出现涌水、塌方等问题，保证工程施工安全，充分发挥盾构法作用及效果。

一、工程概况

佛山市城市轨道交通三号线深村站~电视塔区间，盾构施工从深村站始发，向北延伸，沿文华路敷设，下穿奇槎涌桥、永新村厂房区及禅城区东西向主干道--季华路等建（构）筑物，最后沿季华路到达电视塔站。区间采用土压平衡盾构法施工。

根据地质勘探，本区间在左线533~703环（埋深由20.1m向19m递减）和右线503~710环（埋深由20.2m向18.8m递减）为永新村厂房区间段，左线704~806（埋深由19m向18.1m递减）环和711~802环（埋深由18.8m向17.6m递减）为季华路区间段。以上区段均为上软（砂层）下硬（或顶部砂层）地层，砂层主要为<3－1>冲(洪)积粉砂（天然含水量33.8%）、<3－2>冲(洪)积中砂、粗砂层（天然含水量25%），岩层主要为<7-2>强风化泥质粉砂岩（天然含水量22.7%）、<8-2>中风化泥质粉砂岩、粉砂岩。区间在左线807环~1020环（埋深由18.1m向10.8m递减）和右线803环~1004环（埋深由17.6m向10.8m递减）为全断面砂层（季华路区域），砂层主要为<3－1>冲(洪)积粉砂、细砂层（天然含水量33.8%）、<3－2>冲(洪)积中砂、粗砂层（天然含水量25%）。

本区间在上软（砂层）下硬和全断面富水砂层中主要穿越永新村厂房区及禅城区东西向主干道--季华路，穿越的永新村仓房区房屋现状调查已在穿越作业前完成并出具相应的房屋鉴定报告。根据报告信息显示，施工难点及风险如下：

一是永新村厂房建筑群主要为上世纪八九十年代建造的砌体结构和砖混结构，外观残破，人员较为密集，盾构掘进期间人员不撤离，并且穿越地层为上软（砂层）下硬地层，盾构掘进该地层易于造成地表沉降，进而威胁人员和房屋建筑群的安全。（见图1）

图1 地层为上软下硬地层之一

二是当盾构穿越永新村厂房区后就紧接着穿越禅城区东西向交通大动脉--季华路，该路线车流量密集，道路沉降控制要求极高。而隧道穿越期间的地层为全断面富水粉细砂层，盾构在此地层穿越极易出现断面超挖，盾构栽头、姿态失控和螺旋机喷涌等情况。

图2 穿越富水粉细砂层图

盾构在上软（砂层）下硬和全断面富水砂层穿越建构筑物过程中，如何确保穿越建构筑物的安全和盾构平稳快速通过为本次施工的首要重难点。在盾构穿越期间，永新村厂房存在着大量人员在生产作业，而季华路为禅城区繁忙的主干道，这均需确保盾构作业期间，实现地表“零沉降”，作业难度极大。

二、盾构机在上软下硬、全断面富水砂层中穿越建（构）筑物风险管控施工技术

1、技术简介

盾构机在上软（砂层）下硬、全断面富水砂层中穿越建（构）筑物群风险管控施工技术是通过结合穿越建（构）筑物的地质地貌，由盾构掘进施工监控信息管理系统、最优高分子聚合物+膨润土+泡沫剂（结合土层变化添加）动态渣土改良措施、两套应急装置（分别为盾构机防喷涌应急注入系统和在地面能随着盾构掘进而行进的应急注浆一体车）和两套渣土称重系统（盾构皮带称重系统和龙门吊称重系统）四个主要模块组成。

其分别通过应用盾构掘进施工监控信息管理系统实时采集盾构掘进期间的相关参数和两套渣土称重系统（盾构皮带称重系统和龙门吊称重系统）采取双控实时对每环出渣重量进行称重，以准确获取每环出渣重量；通过无线传输的方式传输到手持终端和监控中心，以此反馈分析盾构掘进土仓的参数变化和出渣情况。

而动态渣土改良措施是本施工技术应用的核心，通过前期大量拟真试验，在不同土层情况下采用不同的动态配合比得出最优的分子聚合物+膨润土（粘度50~60s）+泡沫剂（结合土层变化添加）配合比。与通过监控系统和地表监测得到的参数进行相互验证，以确保盾构掘进和所穿越建（构）筑物的安全。

2、施工工艺、流程(见表1)

表1盾构机在上软下硬、全断面富水砂层中穿越建（构）筑物风险管控施工技术流程

3、主要施工技术管控措施

（1）盾构掘进施工监控信息管理系统

盾构掘进施工监控信息管理系统是本施工技术得以应用的信息基础，用于掘进期间的数据收集。它是应用于盾构机上，可实时采集盾构穿越复杂环境、地层期间的相关掘进参数（盾构姿态、覆土厚度、土仓压力和推力等），可通过无线传递的方式把数据发送手持终端和监控中心。（见表2）

（表2）右线穿越503~645环区间段盾构掘进推力（节选）

两套渣土称重系统（盾构皮带称重系统和龙门吊称重系统）是采用双控实时对每环出渣重量进行称重，以准确获取每环出渣重量，以此反馈分析盾构掘进土仓出渣情况。

（2）高分子聚合物+膨润土+泡沫剂动态渣土改良措施

最优高分子聚合物+膨润土（粘度50~60s）+泡沫剂（结合土层变化添加）动态渣土改良措施是本施工技术得以应用的核心，通过前期大量拟真试验，采用相似地层的砂土做试验原材，通过在不同土层情况下采用不同的动态配合比得出最优改良措施。

依据实验室试验结果，当加入的膨润土（膨润土的加入有模拟地层含泥量作用）和稀释液浓度为固定值时，经过改良的渣土均能起到很好的保水性，但随着加入稀释液占比增加，其塌落度值也随之增大；现结合本区间盾构机性能及所穿越地层情况分析，当加入膨润土质量比10~20%，高分子聚合物稀释液（1.5%）体积比10~15%时，渣土塌落度能稳定在138~160mm之间；

因本区间后续掘进段存在一部分的上软（砂层）下硬地层，结合本次试验是选取盾构掘进最不利情况下施工，盾构掘进至上软下硬地层时，当掘进砂层断面在60%以内时可直接采用每环注入高分子聚合物稀释液（1.5%）10~15%（体积比，约每环注入5.1~7.7m³），并辅以注入泡沫剂掘进；当掘进断面砂层在60%以上时，需在土仓注入膨润土（50~60s左右）10~20%（质量比，约每9.4t~18.8t）和每环注入高分子聚合物稀释液（1.5%）10~15%（体积比，约每环注入5.1~7.7m³），并辅以注入泡沫剂进行掘进。加入膨润土占比15%，高分子聚合物稀释液浓度1.5%（质量比）的15%稀释液（见图2）

由图2分析，当高分子聚合物稀释液加入由10%~20加入时，渣土塌落度为一个递增趋势。

（3）地下到地表双保险的立体防护

两套应急装置（分别为盾构机防喷涌应急注入系统和在地面能随着盾构掘进而行进的应急注浆一体车）是通过自主改造而成，防范当出现螺旋机喷涌或渣土超出时采用双保险除险，可通过螺旋机上的防喷涌应急注入系统注入聚氨酯，抑制喷涌，稳定土仓压力；同时在地表采用移动制式挡板进行盾构掘进地表区域围挡后采用应急注浆一体车进行地层的填充注浆，进一步稳定地层，避免地表沉降，保证盾构掘进安全。

三、应用成果分析

项目部于2021年1月开始应用本技术后，深电区间在穿越永新村厂房区和季华路期间，可实时监控每一环的掘进参数及出渣情况，通过盾构施工监控信息管理系统的数据传递，可实时指导盾构司机对每环的掘进进行参数调整和当出现险情时如何处置。（见表3）

表3盾构掘进700~800环姿态（水平/垂直）统计表（节选）

从表3数据可得，盾构右线在掘进700~800环期间（节选），盾构掘进姿态处于良好状态，均未超过预警值，这确保了盾构安全穿越建构筑物期间实现“零沉降”。

本项目自2021年1月开始应用“盾构机在上软（砂层）下硬、全断面富水砂层中穿越建（构）筑物风险管控技术”，截至2021年5月完成深电区间双线贯通，期间有效的防止了因盾构掘进而引起地表建构筑物沉降的情况出现，在盾构穿越永新村厂房、季华路主干道和周边建筑期间，沉降值均控制在允许范围之内。（见表4）

表4  建构筑物竖向位移累计位移图

在使用本技术后，项目部可提前采用契合的渣土改良措施，和盾构机参数调整，进行超前除险，提升的盾构效率，缩短了施工工期及成本。

未应用本技术前，穿越该复杂环境、地层段（右线：472环，左线460环）每日掘进约6环，应用本技术后，穿越该风险段每日掘进可达9.5环。则本区段合计节省工期如下：

右线：502/6-502/9.5=31天

左线：488/6-488/9.5=30天

盾构掘进穿越复杂环境、地层实现“零风险”盾构掘进整体安全可控，盾构掘进速度、隧道成型质量得到显著提升。

结束语

佛山地铁盾构施工过程中，针对盾构机施工面临上软（砂层）下硬、全断面富水砂层中穿越建（构）筑物等多种不利因素及风险，项目部管理人员认真研究了有关地质勘察报告，制定了相应的施工技术及管控措施，采用高分子聚合物+膨润土+泡沫剂动态渣土改良措施，使地层得到加固，满足设计及施工要求，同时结合信息化监测及其它施工技术对全过程施工进行严格监管，实践表明，工程施工取得良好效果。本工程施工技术及管理措施，可在同类工程施工推广应用，不断提高地铁盾构施工及管理水平，推动地铁工程安全性及稳定性，更好地为广大市民交通出行服务。

参考文献

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