土压平衡盾构穿越富水砂层的掘进技术

1引言盾构机的性能及其与地质条件、工程条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键，所以采用盾构法施工就必须选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构机。

对于富含地下水的砂层，考虑到地下水的含量及水压，以及土的塑性流动性及透水性等问题，一般宜选用泥水盾构。

但由于广州地区工程地质的复杂性，对于同一个盾构标段，可能出现某些部分适合选用土压平衡盾构，而其他部分又适合采用泥水盾构，但作为同一个施工标段，不可能中途更换盾构机，因此，只好选择一种类型的盾构机，这就需要综合考虑并分析不同选择的风险，最终择优选取。

另外，城市地铁施工，由于施工场地的限制，导致泥水盾构的应用越来越少。

土压平衡盾构穿越砂层，风险较大，但若施工措施得当，土压平衡盾构穿越砂层亦会取得成功，如广州市轨道交通三号线珠江新城站～客村站区间穿越约300m的砂层地段。

2盾构穿越富水砂层的风险2.1易形成喷涌，导致地面塌方、建（构）筑物开裂损坏由于富水砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，因此土压平衡盾构在富水砂层中掘进很容易出现喷涌现象，一方面，需用大量时间进行盾尾清理，严重影响盾构施工进度，另外，大量泥砂喷出或砂遇水液化，均易引起地层沉降，从而最终导致地面建（构）筑物沉降变形，甚至损坏。

2.2地面沉降难以控制，易造成地面塌方、建（构）筑物开裂损坏一旦发生喷涌现象，地面沉降肯定会很大，即使没有发生喷涌，控制地面沉降还是非常困难，主要原因是：1）砂层自身自稳性差，而刀盘开挖直径比盾体外径一般至少大200mm，从刀盘开挖到注浆填充这需要一段较长时间，这期间不可避免产生砂层沉降；2）掘进过程中，不可避免要造成砂层失水，且一定会对砂层产生扰动，这都会导致砂层产生沉降。

若沉降控制不好，极易造成地面塌方、建（构）筑物损坏。

3喷涌形成条件及防治方法3.1喷涌形成条件造成喷涌的原因多种多样，但无论何种原因，喷涌的发生都必须同时具备以下条件：1）具有足够高水头压力的充足水源。

水的来源主要有两个，即掌子面和盾构后方的汇水通道；2）开挖下来的渣土本身不具有止水性，即渗透性好，这造成在螺旋输送器内无法形成土塞效应，导致高压力的水体穿越土仓和输送器形成集中渗流，并带动渣土颗粒一起运动；3）渗流水在输送至螺旋输送器最终出口的一瞬间，由于其压力水头还没有递减到零，且前方是临空的隧道内部处于无压状态，带压的渗流水便携带砂土喷涌而出。

3.2防治方法以上三个条件是缺一不可的，因此防治方法就是阻止其中某个或某几个条件的形成。

防治方法主要有：1）切断水的补充通道，或尽量减少土仓中积水。

例如针对水的主要来源为盾构后方的汇水通道，可通过管片进行双液注浆，形成止水环，防止隧道后方的水进入土仓；2）改善渣土的和易性，处理方法是添加适量的添加剂，例如膨润土、高分子聚合物等；3）让渗流水在到达螺旋输送器最终出口之前，压力降低到零。

这主要从设备上考虑，例如采用双螺旋输送器，或对螺旋输送器的出口进行改造等。

4盾构穿越富水砂层的施工措施盾构通过砂层地段的关键是防止因喷涌、失水、扰动等原因造成的沉降，并做好上方建（构）筑物的保护。

主要措施有：1）在过砂层之前，对盾构机进行全面检查及维修保养。

一方面，防止泥水、砂浆从盾尾密封冒出，一旦泥水大量从盾尾冒出，易造成失水沉降，而砂浆从盾尾冒出，将无法及时对管片背后进行填充，亦导致沉降难以控制；另一方面，防止因故障长时间停机，而导致土仓大量积水，且盾体外壳与开挖隧道之间的空隙无法及时填充。

2）进行土体改良。

主要是采用聚合物添加剂、膨润土等来改良渣土，以改善渣土的和易性，增加止水效果，避免喷涌的发生。

3）做好同步注浆和二次注浆工作。

一方面，防止隧道后方的水流入土仓；另一方面，及时填充管片背后空隙，防止沉降进一步扩大。

4）合理选择掘进模式和掘进参数。

一般采用土压平衡模式，根据地下水位、地层条件、隧道埋深等合理选择土仓压力。

合理选择掘进参数，例如：螺旋输送器的转速、闸门开度，刀盘转速，推进千斤顶的推力等。

5）控制好盾构机的姿态。

若盾构机姿态不好，需要纠偏，这对控制沉降及其不利。

6）合理确定渣土的松散系数，严格控制出土量。

要做到既不能多出，也不能少出。

若少出，会造成土仓压力增大，掘进速度减慢；若多出，会造成地面沉降增大，甚至地面塌方。

7）尽量做到快速通过。

应该尽量提高掘进速度，避免刀盘转动对地层扰动时间过长，造成上部砂层松动，同时掘进速度加快能够及早为管片背后注浆创造条件，有利于隧道稳定和控制地表沉降。

8）做好监测工作，及时反馈监测信息。

适当加密监测频率，根据地表沉降和建筑物沉降的监测数据，结合地质情况，及时调整土仓压力、千斤顶推力等施工参数。

9）对附近建筑物进行原始鉴定，若有必要提前进行注浆加固或基础托换。

5工程实例：赤岗塔站～客村站区间盾构通过利安花园基坑土压平衡盾构穿越富水砂层的掘进技术孔少波朱六兵王晖广州市地下铁道总公司建设事业总部广州510380摘要：盾构机的性能及其与地质条件、工程条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键，对于富水砂层地段，通常是选择泥水盾构，但由于整个标段的地质变化、施工场地的限制等等原因，有时也不得不采用土压平衡盾构。

本文主要分析了土压平衡盾构穿越富水砂层的风险，并介绍了防治措施。

风险之一就是容易产生喷涌，本文通过对喷涌现象的形成条件进行深入分析，讨论了防止喷涌的技术措施。

赤岗塔站～客村站区间盾构成功通过利安花园基坑的实例说明，只要施工方案合理，组织到位，施工措施落实好，土压平衡盾构是完全可以顺利通过富水砂层地段的。

关键词：土压平衡盾构，富水砂层，喷涌，沉降在赤岗塔站～客村站区间所通过的地段有约300m的砂层地段，其中又以穿越砂层地段一个在建的建筑物基坑最为困难，隧道穿过的该建筑物基坑长约145m，基坑开挖深度7～8m，基坑底部距隧道顶部约7～8m，基坑周围是已入住的居民小区，最近的居民楼距基坑约10m。

隧道该部分上覆土基本是<2-1>、<2-2>的淤泥质土层和淤泥质粉细砂层，见图1。

在盾构施工到达前基坑附近的多幢建筑物和建筑物的地台已经出现严重的下沉和开裂，见图2。

最大沉降量达30～40cm。

由于砂层透水性强，地表容易失水而发生沉降，因此，决定在隧道和建筑物之间建立一道地下挡水墙，分隔隧道与附近建筑物的地下水联系，请见图3。

对建筑基坑本来也制订了较详细的加固措施，重点是防止盾构通过时基坑内发生坍塌，特别是防止基坑边的围护结构坍塌而波及基坑附近的建筑物，但由于基坑内的加固施工场地经过多次协调仍然无法解决只得作罢，只能通过制定详细的盾构施工方案来防止盾构通过时发生坍塌。

具体施工措施与第4小节介绍的基本相同，不再赘述，这里简单介绍一下具体参数情况。

1）根据岩土勘察报告中的地层参数，在砂层地段中取一典型地质断面按照静止土压力理论计算得到盾构机中心处的垂直土压力约为0.35Mpa，静止侧压力系数按照<3-2>地层取0.7，计算得到水平土压力为0.245MPa，刀盘面积为31m2，则作用于刀盘的土压力大致为7600kN。

按照此参数计算，考虑到盾构机与地层之间的摩擦力以及盾构机牵引后配套之间的摩擦力约为39200kN，使盾构机破碎岩层所必须的推进力约在1960～2940kN，所以盾构机按照土压平衡模式掘进：总推力为3920+7600+（1960～2940）＝13480～14460kN；土仓中部土压力控制在0.2MPa左右，上部控制在0.18MPa左右，下部控制在0.23MPa左右。

2）刀盘转速确定为1～1.5r/min，刀盘扭矩控制在2500～2700kN·m左右。

3）同步注浆量控制在6m3/环以上，保证注浆质量。

必要时，调整砂浆的配合比，增加水泥用量，缩短砂浆的初凝时间，加快管片周围土体的固结，避免地面沉降超限。

根据实际情况，为弥补同步注浆的不足，可以考虑采用管片背后二次注浆作为补充。

二次注浆可采用双液浆，根据地质情况调整水泥浆的初凝时间，注浆压力控制在0.4～0.5MPa，最大不超限过0.5MPa，以免造成管片外周压力过大，对管片造成破坏。

必须保证管片背后空隙充填密实。

4）每环的出土量确定为70m3左右，最大不超过75m3。

5）制定了应急预案，并准备了应急物资设备。

由于施工方案合理，组织到位，施工措施落实好，最终顺利通过。

6结语对于富水砂层地段，通常是选择泥水盾构，但由于整个标段的地质变化、施工场地的限制等等原因，有时也不得不采用土压平衡盾构。

对于土压平衡盾构，在设计制造的时候可以采取一些措施，例如采用双螺旋输送器，或对螺旋输送器的出渣口进行改造等；施工过程中的关键是防止因喷涌、失水、扰动等原因造成的沉降，并做好上方建（构）筑物的保护。

只要施工方案合理，组织到位，施工措施落实好，土压平衡盾构是完全可以顺利通过富水砂层地段的。

参考文献：[1]广州市轨道交通三号线土建施工技术研究最终成果（内部资料）.[2]竺维彬,鞠世键,史海欧.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究.广州：暨南大学出版社，2007.[3]竺维彬,鞠世键.复合地层中的盾构施工技术.北京：中国科学技术出版社，2006.[4]朱伟,秦建设,魏康林.土压平衡盾构喷涌发生机理研究.岩土工程学报，2004，26（5）：589-593.1引言近年来随着城市建设的大发展，广州地铁基坑建设也随之向“宽、深、大”的方向发展，故地铁车站深基坑施工的安全技术问题越显突出，风险控制要求也越来越具体，难度俱增。

本文就广州地铁三号线天河客运站车站建设中所出现的影响工程安全的诸多问题进行探讨。

2工程概况广州市地铁三号线【天河客运站及站后折返线】土建工程位于广州市天河区天河汽车客运站旁，广汕公路E匝道桥西侧，新天河商贸城下，西南侧为天河汽车客运站。

车站的总长度为276.4m，车站标准段宽18.8m。

本车站主体围护结构采用地下连续墙，主体结构采用明挖顺作法施工，车站基坑开挖平均深度为17m。

3工程地质本车站岩土层自上而下共有10种类型：<1>人工填土层，<3-2>冲～洪积砂层，<4-1>冲～洪积土层，<4-2>河湖相沉积土层，<5H-1>花岗岩可塑状砾质粘性土层，<5H-2>花岗岩硬塑～坚塑状砾质粘性土层，<6H>花岗岩全风化带，<7H>花岗岩强风化带，<8H>花岗岩中风化带，<9H>花岗岩微风化带。

车站范围内分布有较广的淤泥质土，呈层分布，为流塑状厚度为0.4～3.9m，平均厚度1.63m；还分布有较广的厚层砂层，车站范围内厚度0.50～6.50m，平均厚度2.21m以及花岗岩全风化带。

4施工过程中的技术措施在初始基坑开挖时，地质变化情况比岩土勘察报告所说的更严重，花岗岩风化残积土较厚，应急措施没做到位，开挖面连续墙变形，出现裂纹，出现抢险状态，随后停止开挖，分析原因查找不足。