盾构穿越黄土地层施工

盾构穿越黄土地层施工
摘要：目前，地铁隧道采用盾构法施工在诸多方面具有明显优势，故地铁隧道
的修建基本都采用盾构法施工。

各个城市地质差异很大，文章针对盾构在黄土地
层施工过程中质量控制的重、难点，结合在中铁隧道股份有限公司西安地铁2号
线19标项目部的实际经验，对盾构在黄土地层施工中出现的土体沉降等问题进
行了分析，并提出了对策及预防措施。

关键词：盾构；黄土地层；沉降；原因
1工程概况
西安地铁二号线是西安轨道交通网中南北走向的骨干线，19标位于二号线南段，包括2个区间隧道，隧道位于长安南路正下方，由长延堡站沿长安南路途径
八里村站至小寨站。

采用两台土压平衡盾构机先后从长延堡站下井始发，由南向
北至小寨站拆卸吊出，其中空推过八里村站。

隧道通过的地层新黄土层约占
25.59%，古土壤层约占35.58%，老黄土层约占21.46%，粉细砂约占9.12%，粉质
粘土约占8.25%。

可塑～硬塑状态，隧道局部地段处于流塑～软塑状的饱和软黄
土地层。

隧道埋深8～11米，地下水位埋深6.7～9米,主要是第四系孔隙潜水。

地下水补给有大气降水、地表水渗入以及区外径流补给。

隧道穿越f8地裂缝带，活动强烈，致灾严重。

2工程重、难点
（1）盾构机选型及设备配置是本工程的重点和难点。

（2）盾构机掘进过程中结泥饼、堵仓及姿态控制均有较高的难度和风险。

（3）地表沉降变形控制要求高，难度大。

（4）黄土地层渗透系数小，含水量大，隧道大部分处于地下水位以下，降
水与注浆都比较困难。

3盾构特殊配置
（1）黄土具有高黏性、砂层塑流性差
在刀盘面板上设置了5个添加剂注入孔，其余在土他内及螺旋输送机内也分
别设注入孔；配置了自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面添加泡沫、膨润土和聚合物，改善碴土的流动性、止水性。

在人行闸内的中心旋转接头后部
留有液压快速接头，如果注入口被堵塞时，可接上管路，用油泵向刀盘加泥系统
管路加注最大为14MPa左右的液压油进行疏通。

增大刀盘开口率达43%，用以改进“泥饼”及“糊刀”现象。

（2）地表沉降要求高
地表构（建）筑物对沉降要求高；黄土地层具有湿陷性，砂层渗透系数大，
易跑浆。

对盾构机壁后注浆系统，采用既能单液注浆也能双液注浆的设计。

盾构
机开挖直径6.17m, 中前体直径一样，盾尾间隙较小，对于控制地表沉降具有很大的优点。

（3）砂层地段易喷涌
砂层含水量大,地下水位高,出碴时易在螺栓输送机口发生喷涌现象。

螺旋输
送机配置前闸门和伸缩油缸的有轴螺旋机，出土口在螺旋机尾部设置了二道闸门。

螺旋机排土口有2道由液压缸控制的出土闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排
土量，在开启油缸上安装有行程传感器，可根据掘进速度在操作盘上任意控制2
道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应。

另外螺旋输送机的筒体上开
有3个添加剂注入孔，可注入膨润土来增加流动性。

4盾构掘进施工
4.1掘进模式的选择
土压平衡盾构机有三种掘进模式，即敞开式、半敞开式（局部气压式），土
压平衡模式（EPB），盾构掘进过程中根据不同的地质情况、相邻构（建）筑物
对地层沉降变形要求及其它因素选择不同的掘进模式。

根据隧道埋深、土层参数及地下水情况，进行理论计算，盾构刀盘土压力
在0.11～0.15MPa之间,现场通过改变土仓压力,分别对三种掘进模式进行了实验,
实验结果如下表。

表1 掘进模式实验结果
通过以上数据分析，在黄土地层中掘进采用局部气压式掘进模式较为理想。

土仓内土量根据刀盘前方的地表沉降数据进行调整。

4.2黄土地层盾构掘进渣土改良
（1）碴土改良的目的
①减少盾构机机械的磨损
②调整土仓内土体塑性及流动性
③降低机械功耗减少故障率
（2）碴土改良的方法
针对黄土地层渗透系数小、多呈可塑至硬塑状态、粘性较高等特性，碴土改
良需要两个主要目的：第一，将土体分散，第二将土体软化。

根据以上两个目的，选择添加加泡沫与水即可达到。

4.3黄土地层盾构掘进地表沉降控制
（1）地表沉降规律
盾构隧道纵向所产生的地表变形可分为四个阶段，即开挖面前的变形、盾体
上的沉降、盾尾空隙沉降、后续固结沉降。

（2）开挖面土体控制
对自稳性差或一般的地层刀盘压力接近原土应力至关重要，针对黄土有一定
自稳性地层，刀盘压力宜稍低于原土压，加之黄土垂直裂隙发肓，如压力过高会
增加土层裂隙而形成水的通道，致使后期沉降较大。

对于黏性土层，一般采用加泡沫等水合物来改良碴土，但黄土与水相克，所
以减少加水量及水与黄土的接触也是一个关键的措施。

对泡沫比例宜增大，在
4～5%左右，泡沫选用发泡效果高、性能好的品牌。

另外泡沫以加在土仓内搅拌
改良碴土为主，黄土对刀具磨损较少，刀盘前方加入小量即可，以免使掌子面土
体泡水软化而降低自稳性。

（3）盾构区间土体沉降控制
地铁隧道盾构机长一般在8～9m，刀盘直径一盘大于盾体直径3cm左右，另外盾构纠偏转向、盾构机边刀在切削块状土体的超挖，盾壳与土体之间存在空隙，致使土体下沉。

在施工过程中控制好盾构姿态，避免过多过大对盾构机纠偏。

另
针对黄土地层有一定的自稳性，统筹安排好各工序，加强盾构机保养，减小盾构
停机时间，以便空隙能尽快被盾尾注浆充填。

（4）盾尾空隙沉降控制
因盾尾部分建筑空隙较大(一般都在7～10cm之间)，浆液固结时间较长，盾
尾空隙沉降是施工引起地表沉降最主要的部分，减少盾尾空隙沉降也是控制整体
沉降的关键。

控制地表沉降对于空隙的及时注浆充填饱满是必须的。

在此基础上
针对黄土地层浆液还需控制好以下几点：
①浆液稠度控制浆液过稀，水含量较大，加之在盾尾空隙内浆液静置，使
空隙上部集中大部分水，水与黄土的混合，使地层软化、下陷。

所以在黄土地层
中提高浆液稠度、采用掺入外加剂减少用水量对控制沉降有明显的效果。

②浆液凝固时间短，浆液的快速凝固能起到支撑作用，缓减土层位移，另
快速凝固可避免浆液中水与土层长时间混合。

所以在穿越重要建（构）筑物时采
用双液浆。

③注浆压力控制因盾尾空隙不是规则一定量的空隙，以注浆压力为主、注
浆量为辅控制空隙填充饱满是一种行之有效的方法，注浆压力略高于土压，在土
压的1.2倍左右，注浆量达到设定量的90%以上，以上二项指标均满足情况下浆
液饱满能得到到保证。

（5）后续固结沉降控制
后续固结沉降主要来源于浆液固结收缩留有的空隙及隧道管片的变形。

对于
浆液配比进行多次试验优化，提高浆液结石率及浆液离析；加强管片拼装成圆度、管片连接螺栓紧固度，可减少隧道管片变形。

5 结论
经过西安地铁2号线施工，熟悉了黄土地层的特性，积累了在黄土地层条件
下盾构施工的经验，为以后类似工程施工提供了一定的借鉴。

参考文献：
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[2]任建喜,王金华,张引合. 黄土地层地铁盾构施工地表变形规律预测研究[J].铁道工程学报,2011。

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[4]方勇. 土压平衡式盾构掘进过程对地层的影响与控制[D].成都:西南交通大学,2007。