土压平衡盾构在富水砂层中施工控制重点及技术措施
[摘要]介绍南京地铁一号线地铁玄武门站~南京站区间采用土压平衡盾构在富水砂压中开挖隧道积累下的成功经验。
[关键词]地铁隧道；土压平衡盾构；始发；进站；技术措施
在富水砂层中进行地下工程施工，一直倍受广大工程建设者关注和探讨，特别是上海地铁四号线<浦东南路~南浦大桥区间）地铁施工中隧道内发生涌砂事故后，引起了建筑工程界巨大的震动。南京地铁玄武门站~许府巷站~南京站区间盾构隧道工程，盾构要在全断面的砂层中两次始发，一次进站，并要穿过约二十幢旧多层居民楼，在周密的技术方案和精心施工安排，使得工程安全、优质完成。
1 地质条件及砂层主要物理参数
该标段属古河道漫滩地貌,基岩埋藏较深,均大于25m。软弱土层较厚，主要为低塑性淤泥粘土、粉质粘土及中到稍密的粉细砂。隧道所通过的粉细砂地层为良好的富水和透水地层<②-2d2-3粉砂夹细砂和②-3d2粉细砂的物理力学参数表一），其饱含地下水，渗透系数达5×10-3cm/s，地层遇水极容易液化，使得地层变得更加不稳定，容易引发坍塌，施工中极易产生涌水、涌砂及开挖面失稳现象。另外隧道上方覆土层次多，分布不匀及土质差异大，使地质情况变得错综复杂。
砂层主要物理力学参数值 附表一
岩土 分层 岩土 名称 含水量 重度<湿） 孔隙比 压缩系数压缩模量 地基承载垂直渗透水平渗透W <%） ν ②-2d2-3 ②-3d2 砂30.2 19.0 0.829 0.138 14.45 150 29.0 19.3 0.774 0.128 14.65 130 盾构机设计在富水砂层中要考虑的关键因素 服务于本工程的盾构设备是引进德国海瑞克公司的，但该盾构机设计时结合了我国盾构施工经验和很多专家的意见，在海瑞克公司原设计基础提出了很多技术措施改良。由于盾构机的密封系统和盾构机刀盘设计将是在富水砂层中施工成败的关键，在此作详尽的介绍。 2.1 盾构密封系统的设计 1 / 6 盾构要在地下几M至十几M深的地层中施工，该范围的土层中含有丰富的地下水，盾构必须设计有良好的密封系统，方能满足在地下施工的要求。在盾构设备设计中，应考虑盾尾密封系统和铰接密封系统的防水性能，这两个部位的防水，是保证盾构施工安全和保证地面建筑物和管线安全的重要保障。一、盾尾密封系统：盾构机的盾尾设计了三排弹性较好的钢丝刷用来防水，钢丝刷中之间间距30cm，为减少钢丝刷磨损和增加密封功能，在整个圆周盾尾钢丝刷间设置了8个油脂孔，盾构前进中自动或手动向钢丝刷中注入密封油脂，填充钢丝刷之间的空隙，防止泥水进入管片安装工作面。二、铰接密封系统：一般盾构在中体与盾尾之间连接都采用铰接连接的方式，有利于盾构在曲线施工作线路纠偏，这样连接部位间就必须考虑防水措施。盾构设计时在铰接部位采用了弹性较好的橡胶条，并且在橡胶里面设置气囊，其主要作用是：橡胶止水条用于一般线路的防水，但在曲线半径较小转弯角度较大的线路上时，仅靠橡胶弹性防水不一定能满足要求了，此时可通过向橡胶止水条中的气囊充气，使橡胶止水条膨胀进一步提高盾构机的防水性能。 2.2 盾构机刀盘设计 盾构刀盘设计是关系到整个工程施工进展能否顺利进行的关键，在设计中要周详考虑。一个失败的刀盘设计，将给施工中带来诸多麻烦，如常出现 “泥饼”、盾构掘进速度很慢、甚至掘不动、地表产生很大沉降导致建筑物开裂或倒塌等一系列问题。因此，盾构刀盘的刀具选型，应根据不同地层的情况而定，在岩层中，刀盘设计应以滚刀为主，刮刀辅助；而在砂层软土地层中，刀盘设计考虑切刀为主，刮刀辅助。本工程的盾构刀盘设计了切刀112把，刮刀16把，中心刀1把，刀盘开口率达40%，刀盘分成4块，有16个碴槽。碴槽布置与土碴开挖量对应，其中8个碴槽接近刀盘中心，防止刀盘中心部位“泥饼”的形成，同时提高刀盘的开挖效率。刀盘及密封隔板有泡沫、泥浆注入管路，可调节碴土的塑性及粘度、降低透水性及内摩擦力，便于不同地质的开挖，保持土仓土压的稳定，减少功率消耗。盾构刀盘(图一> 3 盾构在富水砂层中安全始发、进站的技术措施 盾构始发或进站，一般都需要对端头地层进行加固，然后破除车站原围护结构<一般是人工挖孔桩、钻孔桩或是连续墙等），盾构刀盘穿过围护结构抵达土体撑子面或进入车站 。在国内端头加固一般采用高压喷旋桩、深层搅拌桩、冷冻法等方法加固。加固范围一般如下：始发端头，长度是沿着隧道纵向6M，宽度为盾构直径左右两边各延长3M，深度为盾构下方3M至盾构上方3M。进站端头，加固宽度和深度与始发的相同，只是加固长度就不同，长度为隧道纵向3M。以下将着重介绍本工程盾构在富水砂层中始发及进站的技术措施： 3.1 盾构在富水砂层中始发的技术措施 2 / 6 盾构刀盘(图一> 盾构始发端头加固，选用了纵向6M范围高压旋喷桩和深层搅拌结合的加固方法。在靠洞门结构位置施工两排三重管高压旋喷桩，主要作用是改良土体，形成较好的止水帷幕，后面施工7排深层搅拌桩，作用为改良土体，减少土体侧压力，保证洞门结构破除后端头土体能自稳<端头加固平面图二）。三重管旋喷桩施工设计工艺参数：桩径设定为1.2m，桩间距为0.8m，水泥用量控制在800kg/m，浆液水灰比0.8：1，空气压力设定为0.6~0.7MPa，水压设定为33~38MPa，喷浆压力设定为4MPa，浆液流量80升/min，提升速度8cm/min，转速为8r/min。深层搅拌桩设计工艺参数：桩径设定为直径0.7m，桩间间距为0.5m，搅拌加固面积为024m2，水泥用量控制在80kg/m，浆液水灰比为0.5：1，喷浆压力为2 MPa，钻杆提升速度为50r/min，提升速度为6 cm/min。加固等强28天后，进行垂直抽芯检查和洞门水平探孔检查各项指标达到要求，进行洞门围护结构砼的破除。破除洞门结构砼原则上先破除外层钢筋混凝土，保留里排钢筋和约10cm厚的砼层。迅速安装橡胶帘布和扇形钢压板，并往刀盘土仓里塞三分之二仓土坯。待以上准备工作完成后，由下往上，分块破除钢筋混凝土，并尽快使盾构机前移，使其刀盘顶到加固体撑子面。从安装橡胶帘布到盾构前移，应控制在12个小时内完成，否则盾构撑子面暴露时间过长容易产生加固体失稳变形现象。盾构开始向前掘进时，暂不出碴，并往土仓内加大量的泡沫，改良碴土，以建立土仓压力，至此盾构始发已成功。 3.2 盾构在富水砂层中进站的技术措施 盾构在砂层端头进站，比起普通地层进站，难度系数就更大了。在砂层中进站，很容易发生“涌砂”，原因是盾构机开挖的直径比盾构机机身的直径大，使得盾构机外围形成一长环缝，这条缝隙在压力的作用下，细砂和水很容易从这缝隙进入车站，引发地面坍塌事故。在盾构进站时，必须采取有效的措施防止流砂的发生。在本工程中，盾构进站端头加固仍采用高压旋喷桩加固，旋喷桩加固参数与始发旋喷桩加固参数一样，但加固范围就截然不同了。盾构进站加固范围，靠洞门位置沿纵向全断面加了3M长，再向后设计了一个三面两排旋喷桩加固的井字止水帷幕，具体加固范围如<图三）。这设计，综加考虑了盾构进站时出现有“涌砂”事件，可以保证止水帷幕外面建筑物的安全，另一面，有了这个止水帷幕，大大减少土体对洞门的侧向作用压力3 / 6