盾构在砂层中掘进的技术措施

盾构在砂层中掘进的技术措施
一、概况
盾构在砂层中穿越，地面为城市交通要道或湖面，隧道埋深约为7.8m～14.3m，砂层为良好的富水和透水地层，饱含地下水，渗透系数为8.26～29.11m/d。
二、盾构机技术特点
 1、土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。适用于含水的软土、软岩、硬岩及混合地层的隧道掘进。
 2、掘进施工可采用复合式土压平衡盾构机具有敞开式、半敞开式及土压平衡三种掘进模式。掘进操作可自动控制、也可半自动控制或手动控制。通过试验段的掘进选定六个施工管理指标来进行掘进控制管理:a、土仓压力；b、推进速度；c、总推力；d、排土量；e、刀盘转速和扭矩；f、注浆压力和注浆量，其中土仓压力是主要的管理指标。
 3、盾构机配备了自动导向系统, 可控制和稳定掘进方向, 具有灵活转向纠偏能力。
 4、盾构刀盘结构能满足不同地层的掘进速度要求。
 5、盾构配备了同步注浆系统, 有利于控制隧道周围土体沉陷及建筑物保护。
 6、盾构配备了泡沫及膨润土注入系统, 有利于碴土改良。配备了压缩空气系统, 有利于防止工作面的渗水及控制地表沉降。
三、 掘进施工技术
  1、出现问题：盾构机在富水砂层施工时，容易引起地层沉降大、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题。
 2、主要施工技术措施 
 （1）采用土压平衡模式掘进，进行开挖面稳定计算，设定合理的掘进参数，控制盾构机姿态，控制土压力以稳定开作面，控制地表沉降，将施工对地层的影响减到最小。
  1）   掘进过程土仓顶部压力控制在1.0bar，掘进速度控制在30mm/min以上，出土量不得大于50m³；
  2）盾构机姿态保持向上，趋势控制在范围±4。
  3）掘进的过程必须尽可能的快，中间尽量减少停滞时间。
  4）在掘进接近1600mm时根据土仓顶部压力减少或不出土，以使掘进至1800mm时土仓顶部压力达到2.0bar~3.0bar范围。
（2）注入泡沫剂
  1）盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料, 形成隔水泥膜，防止水从地层中渗出，提高土仓内碴土的稠度来改善碴土的止水性以及在螺旋输送机上安装保压泵碴装置，以使土仓内的压力稳定平衡。防止涌水流砂和发生喷涌现象, 并利于螺旋输送机排土。
  2）富水砂层中掘进可适量往土仓加入发泡剂，但必须根据实际情况严格控制发泡剂配比及加入量。
泡沫溶液的组成：泡沫添加剂2%，水97%。泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量计算。
（3）保持连续掘进，减少盾构机停顿时间。
（4）适当缩短浆液胶凝时间，保证注浆质量。
盾尾同步注浆的量与地面沉降有较大关系，过少会造成地面较大的沉降，过多会窜浆至地面，污染环境。富水砂层注砂浆极易往外扩散，在掘进过程需根据注浆压力（0.3～0.4MPa，一般而言，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水、土压力，）和地面情况及时调整注浆量(一般为建筑间隙的180%～200%)，对管片背后对称均匀压注。注浆的标准是确保脱出盾尾的管片背后的空隙能填满，这不仅可降低后期地面的沉降，也对管片防水起到一定有利作用。
盾尾同步注浆是从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.5～1.0bar。
穿越粉砂土层，同步注浆采用水泥砂浆，浆液的配比如下表。
表2-1 同步注浆材料初步配比表

水泥（kg）	粉煤灰（kg）	膨润土（kg）	砂（kg）	水（kg）	外加剂
120～260	381～241	60～50	779	460～470	根据试验按量加入

浆液主要性能指标
  胶凝时间：一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。
  固结体强度：一天不小于0.2MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28天不小于2.5MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。
  浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。
  浆液稠度：8～12cm
  浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%
  注浆结束标准和注浆效果检查：采用双指标标准，即注浆压力达到设计压力或注浆压力未达到设计压力，但注浆量达到设计注浆量，即可停止注入。
  注浆效果检查主要采用分析法，即根据P-Q-t曲线，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断。必要时采用无损探测法进行效果检查。
  对于砂浆胶凝时间的控制，应做试验确定砂浆配比，并根据地层和掘进情况进行动态的调整。
 （5）运用导向系统和分区操控推进油缸, 控制盾构姿态, 防止盾构抬升。
  1）分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向。推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。
在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则尽量使所有油缸的推力保持一致。
在曲线段和变坡段，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖和在轴线允许偏差范围内提前进入曲线段掘进来纠偏。
当滚动超限时，就及时采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
  2）富水砂层的承重能力较低，加上盾构机在掘进过程中的震动，姿态较易往下沉。因此在地层中盾构机的姿态易保持向上，但趋势易控制在±4。若出现机头往下掉的情况，需及时通过千斤顶行程调节姿态。调节不可过急，可通过千斤顶行程及选取最优管片两者结合来调节；不然会使得盾尾间隙过小，造成管片错台。
    3）在实际施工中，由于管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进过程中，有可能产生较大的偏差，这时就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。
4）  随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。
（6）出现开挖面容易喷涌、冒顶、坍塌的主要措施
　1） 关闭出土闸门，关掉螺旋机，在顶部土压不超限的情况下继续往前掘进，使土仓基本满土后（此时刀盘油压较高，扭矩较大）停止；然后稍开出土闸门，不启动螺旋机，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。
  2）关闭出土闸门，螺旋机正转转速调至2.0rpm左右，继续往前掘进，到顶部土压达2.8bar时停止；待土压降低到2.0bar以下时再按前面方法掘进，到刀盘扭矩较大（约3200KN·m）时，关闭刀盘及螺旋机，稍开出土闸门，让土压把砂土挤出，待砂土挤出速度较慢甚至不自动流出时再启动刀盘往前掘进。
  3）严格控制盾构正面的平衡压力盾构机在过砂层时，通过下列两种方法控制土仓压力处于平衡状态：一是在保持推进速度不变的情况下，调节螺旋输送器的转速或闸门开度（螺旋输送器转速减小均能达到增大土仓压力的效果），控制出土量，建立和保持密封土仓压力； 二是在保持螺旋输送器的转速或闸门开度不变的情况下，加大盾构机千斤顶的总推力，提高刀盘的转速和推进速度，增大密封土仓压力。
  4）渣土改良：在砂土和沙砾等砂质土地层中，由于砂土的摩擦阻力很大，地下水丰富，土的透水系数也较高，依靠、削土的土压力保持开挖面上的压力（地下水压力和开挖面土压力）是很困难的。另外，通过开挖土体来很难保证出土的流动性，在这种砂性土的地层中，单纯依靠出土闸门等机械控制很难保证开挖面的稳定，所以在开挖面上加压或注入化学聚合物、泡沫剂、膨润土等材料，进行充分搅拌，改良切削下来的渣土性质，保证砂土的流动性和止水性，以求开挖面的稳定，防止喷涌、冒顶等。参考南京地铁二号线7标集庆门站～茶亭站区间盾构全断面粉细砂层掘进中的渣土改良剂的使用经验，主要使用膨润土（150～200kg/m），在局部使用了高分子聚合物，整体状况较好。针对该标段砂层特点，亦使用土压平衡盾构施工高分子聚合物渣土改良方案，具体如下：
①粉细砂地层：采用HHZ-02型砂性土专用气泡剂，气泡发泡倍率10～15倍，气泡注入率20％～40％（与渣土的体积比）；建议每环用量为30~40L。
②中粗砂地层：采用HHZ-02型砂性土专用气泡剂，气泡发泡倍率15～20倍，气泡注入率20％～40％（与渣土的体积比）；每环用量为30~40L。该地层易发生喷涌问题，使用HHZ-A型防治“喷涌”的聚合物材料，每环约使用200kg。同时配合使用膨润土每环使用膨水比1：10 （膨润土与水的质量比）的膨润土浆1~3m3，膨润土的用量为100~300kg/每环。
  5）加强管片的背后注浆控制由于砂土的渗透性较好，含水量大，实际注浆量应大于理论计算量，以保证注浆质量。选用砂浆初凝时间快，早期强度高的硬性浆液，加快管片周围土体的固结，避免地面沉降超限，同时因地含水量大，在浆液里适当加入膨润土20kg/m3），起到止水作用。根据地面监测数据，及时采用管片背后二次补浆。
二次补强注浆材料以水泥、粉煤灰和膨润土等材料为主，其配比（重量比）：
  二次注浆配合比（1m³）

水泥	粉煤灰	膨润土	细砂	水
450kg	400kg	25kg	300kg	400kg

 
参照西安地铁试验段和南京地铁盾构砂层掘进中注浆参数，砂层掘进注浆参数宜为：注浆压力：0.25～0.35MPa；注浆量：3.8～4.3m3（理论空隙的160%～180%）；浆液的凝结时间：3～5hr。
  6）控制好盾构机的姿态盾构区间洞身主要为中砂、粗砂以及粉质粘土，局部含有粉细砂层，在这些地层中掘进时，盾构机体可能会出现上抬、下俯或左右偏斜，因此，掘进时要特别注意对盾构机姿态的控制，防止盾构机发生偏移，并做到及时纠偏。
  7）加强对出土量的计量。及时掌握开挖面的地质情况和出土量，防止超挖造成地表塌陷。根据类似地层掘进经验，出土量控制在58～62m³ （松散系数1.3～1.4）。
  8）加强监测工作，及时反馈监测信息加强地面的沉降、洞内的管片上浮、旋转、收敛等监测，及时根据监测数据调整相应掘进参数，以保证盾构掘进施工安全及成型隧道质量。
（7）出现管片上浮主要对策
  1）采用快凝浆液注浆，尽快封闭管片与地层的间隙，防止隧道上浮。
  2）同步注浆、注意注浆的同步性和均匀性，注浆时均匀注入空隙，同时做到上部的两个注浆管的注浆量为总的注浆量的3/4。
  3）在同步注浆的基础上，结合聚氨脂注浆在隧道周围形成环箍，每隔10m打一道环箍，使隧道纵向形成间隔的止水隔离带，在堵水防渗漏的同时以减缓、制约隧道上浮。
  4）加强对隧道沉降的监测，适当调整同步注浆的孔位。若管片出盾尾后出现上浮时，则加大上部2个孔的注浆量；若管片出盾尾后出现下沉时，则增加下部2个孔的注浆量，并采取二次注浆的方法稳定管片，进一步控制管片的后期变化。
  5）加强测量和监测的频率，并及时调整盾构姿态，在进入砂层100环范围采集数据，根据数据采集情况适当将轴线降低掘进。
（8）针对刀盘、刀具磨损严重，难保证长距离连续施工的主要措施
   1）在盾构机设计过程中，充分考虑到区间地层的特点及掘进距离，在刀盘的正面区加焊了大量的耐磨材料，在刀盘、刀具的材质选择上，充分考虑了其磨耗率，选择了材质较好、磨耗率低的65锰钢作为刀盘、刀具的主要材料，刀具的刀刃选择了合金材质。
   2）在掘进过程中，根据土仓内的温度，适时的向土仓内加入泡沫来降低刀盘、刀具的温度，以减小磨损。
四、盾构隧道过建筑物时的应急预案
（1）项目部成立应急领导小组，由一名项目副经理任组长，小组成员由项目部各部门负责人参加，各部门选择有责任心的人参加应急小组。提前对可能出现的险情制定应急方案，预备应急物资，并事先和建筑物业主建立有效的联系，一旦出现险情，应急小组人员立即就位，各负其责，立即组织实施应急方案，排除险情。对出现严重险情或有其趋势的房屋，迅速将建筑物内人员疏散，设置安全警戒线，严禁其它人员进入警戒范围内，并马上组织对房屋进行加固。
（2）针对建筑物自身结构情况和以往施工经验，下表为盾构通过建筑物监测主要控制标准和采取的相应措施。
 
主要控制标准和采取相应措施

序号	项目	控制标准	采取的应急措施	备注
1	建筑物沉降	20mm	洞内二次注浆	实际根据建筑物自身的结构情况，裂缝等情况综合判断。
		20～30mm	地面跟踪注浆
		30mm以上	顶撑加固措施
2	建筑物倾斜	a、混凝土结构、条形基础，基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值为：0.004； b、框架结构、桩基础：0.002l（l为相邻桩基间的距离）。	洞内二次注浆
		a、混凝土结构、条形基础，基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值为：超过0.004； b、框架结构、桩基础：超过0.002L（L为相邻桩基间的距离）。	地面跟踪注浆（或顶撑等加固措施）

（3）地表沉降控制标准
一般地段地表沉降允许值为30mm，重点地段地表沉降允许值为15mm。
（4）建筑物沉降控制标准
桩基础建筑物允许最大沉降值不应大于10mm；天然地基建筑物允许最大沉降值不应大于30mm。对于重要建（构）筑物或建（构）筑物本身设计有缺陷、既有变形以及结构本身的附加应力等因素，应重点观测并提高控制标准。
（5）桥桩沉降控制标准
桥桩沉降控制标准暂按建筑物桩基控制标准考虑。
（6）地下管线及地面控制标准
煤气管线的沉降或水平位移均不得超过10mm，每天发展不得超过2mm；自来水管线的沉降或水平位移均不得超过30mm，每天发展不得超过5mm。
承插式接头的铸铁水管、钢筋砼水管两个接头之间的局部倾斜值不应大于0.0025，采用焊接接头的水管两个接头之间的局部倾斜值不应大于0.006，采用焊接接头的煤气管两个接头之间的局部倾斜值不大于0.002。相应的道路沉降按上述相应管线的标准进行控制。
（7）警戒值
当监测数据达到管理基准值的70%时，定为警戒值，应加强监测频率。当监测数据达到或超过管理基准值时，应立即停止施工，修正支护参数后方能继续施工。
2、螺旋输送机发生喷涌时的预案
  盾构通过砂层时螺旋输送机易出现喷涌，应采取以下措施防止喷涌出现：
（1）螺旋输送机设计为中轴式，并配备保压泵装置和双闸门；
（2）采用土压平衡模式掘进参数
（3）加入高浓度泥浆或泡沫，改善土体的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为一整体。 
若盾构掘进中发生意外，出现喷涌现象后采取以下措施来处理：
（1）立即关闭螺旋输送机的后门，适当向前掘进，使土仓内建立平衡。
（2）通过刀盘的转动，将土仓内的土体搅拌均匀。
（3）采用双闸门控制，边掘边出土，始终保持土仓内压力稳定。
（4）掘进过程中向土仓内注入泡沫剂、膨润土等提高碴土的流动性和止水性。同时在螺旋输送机出口栓接保压泵碴装置建立土压平衡状态。
四、小结 
  盾构机安全、顺利穿越砂层的应做到：
  1、确保设备完好
（1）对操作人员进行技术培训，使其熟悉机械设备性能，了解地质条件及其变化情况。
（2）做到正确操作无误，人员保持稳定。
（3）加强监控量测，并根据监测数据及时调整施工参数。
  2、穿越砂层
（1）盾构机抬头，适当提高土平衡压力并保持稳定，使砂层不坍塌。
（2）为保持一定土压力，向土仓内注入泡沫剂。
（3）坚持同步注浆（为建筑空隙的200～250%，一般为单液浆），当管片出盾尾刷2-3环，就进行壁后浆，保持较高压力，注入足够数量，根据监测资料确定注浆参数和注浆时间。
（4）保持注入良好的盾尾密封油脂，防止盾尾跑浆，减少砂土对盾尾刷的磨损。如果盾尾刷损坏，则注双液浆，不使地下水流失，避免地表更大沉降。
  3、穿越建筑物
（1）严格控制推进轴线，保持盾构良好姿态。
（2）尽量减少纠偏次数，限制推进每环的纠偏量，减少对土体的扰动。
（3）平稳操作盾构，控制合理的推进速度，均衡、匀速、以最短时间掘进通过建筑物，避免盾构不必要的停留。
 
注：本文来自于天津地铁二号线、广州城际地铁、南京地铁、苏州、深圳地铁盾构施工资料。本文中各种施工参数仅供参考，具体工程应通过盾构掘进试验段采集数据，经整理综合分析确定。