盾構(gòu)掘進(jìn)中地面塌陷加固技術(shù)摘要：盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于不良地質(zhì)、機(jī)械故障等因素引起掌子面的不穩(wěn)定而坍塌，進(jìn)而引起地面塌陷，導(dǎo)致影響工程的正常進(jìn)展。分析廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在海邊出現(xiàn)的地表塌陷原因，介紹采取的加固技術(shù)措施，為盾構(gòu)施工積累經(jīng)驗教訓(xùn)。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)掘進(jìn)；地面塌陷；原因分析；加固措施 盾構(gòu)施工已經(jīng)廣泛用于地鐵工程建設(shè)中，但同時在施工中也發(fā)生過各種各樣的施工事故或故障。總結(jié)事故或故障的經(jīng)驗教訓(xùn)，對今后類似工程施工的預(yù)防和應(yīng)對，對降低盾構(gòu)工程的風(fēng)險，保證盾構(gòu)工程安全順利的實施，有借鑒指導(dǎo)意義。1工程概況1.1工程范圍 廣州軌道交通4號線大學(xué)城專線侖大盾構(gòu)區(qū)間，北起侖頭后底崗盾構(gòu)始發(fā)井始發(fā)，經(jīng)侖頭村穿越侖頭海至官洲島，到達(dá)官洲站，通過官洲站再次始發(fā)后經(jīng)官洲村、官洲河，至大學(xué)城吊出井，總長為2826.5m，其中盾構(gòu)法區(qū)間隧道為2301.3m。1.2施工情況 2005年2月12日22時右線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至YDK17+225時(第686環(huán))，螺旋輸送機(jī)出口閘門出現(xiàn)突水、噴涌現(xiàn)象，大量淤泥噴出，稀粥狀的淤泥全部從出土口流下，少量風(fēng)化巖塊被輸送至渣斗車。海面發(fā)生冒泡現(xiàn)象，大量泡沫溢出海面上，同時海岸堤壩和水閘相繼發(fā)生下沉變形與開裂。2 塌陷原因分析2.1地質(zhì)方面 從該區(qū)間的地質(zhì)縱斷面來看,隧道結(jié)構(gòu)處于強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層中，離結(jié)構(gòu)頂部0.7m是淤泥層（圖1）。而在工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察報告更顯示是淤泥層、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層，淤泥層已經(jīng)侵入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)，這是典型的上軟下硬地層，不利于盾構(gòu)掘進(jìn)。
2.2盾構(gòu)掘進(jìn)方面 盾構(gòu)以土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的前一次換刀是在576環(huán)，至685環(huán)已掘進(jìn)了110環(huán)，而且所掘進(jìn)的地層均為強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層，這種地層對刀具的磨損影響較大，掘進(jìn)了110環(huán)，刀具應(yīng)該磨損已經(jīng)比較嚴(yán)重了。盾構(gòu)機(jī)此時掘進(jìn)速度為1～4mm/min，推力19500～23000kN，扭矩3400～4000kN·ｍ，渣土溫度55℃。由此可以判斷盾構(gòu)機(jī)無法正常切削巖石掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重。由于盾構(gòu)無法正常切削硬巖掘進(jìn)，刀盤、刀具就幾乎是在原地磨壓巖面，淤泥質(zhì)土源源不斷地進(jìn)入土倉，螺旋輸送機(jī)輸出的只能是淤泥質(zhì)土，所以螺旋輸送機(jī)閘門出現(xiàn)嚴(yán)重的突水、噴涌現(xiàn)象，大量淤泥噴出，稀粥狀的淤泥全部從出土口流下。2.3海面方面 當(dāng)時海面上出現(xiàn)大量的氣泡，同時白色的油脂泡沫源源不斷地溢出，并迅速布滿周邊。從船上用竹竿往下插，冒泡處地表比周圍低1m左右。退潮后發(fā)現(xiàn)該處塌陷成一個深凹。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，此段地層從上至下依次為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、中粗砂層、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖，盾構(gòu)穿越地層為淤泥層、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖。發(fā)生地面沉陷后，盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)充滿土體，部分為淤泥質(zhì)土，其上中粗砂地層發(fā)生下陷，造成盾構(gòu)上方地層與地表連通，所以出現(xiàn)冒泡和泡沫溢出的現(xiàn)象。 從上述３個方面分析可以看出，在此段地層由于盾構(gòu)機(jī)刀具磨損嚴(yán)重，無法正常掘進(jìn)，導(dǎo)致淤泥質(zhì)土源源不斷進(jìn)入土倉，同時土倉所建立的壓力，擊穿中粗砂，致使地層與地面連通。由于盾構(gòu)機(jī)刀具已經(jīng)嚴(yán)重磨損，無法對前部的中風(fēng)化及微風(fēng)化巖進(jìn)行掘進(jìn)，同時地層與地面已經(jīng)連通，無法使土倉壓力保持穩(wěn)定，無法進(jìn)行帶氣壓作業(yè)。因此需要進(jìn)行地層加固來穩(wěn)定掌子面進(jìn)行換刀作業(yè)。3加固方案的實施 由于塌陷是在海蔓灘(亦是水閘進(jìn)出口)，所以最初的加固方案是，在加固之前先行筑島。官洲島是個四面環(huán)水的島嶼，周邊無道路、無材料，只能通過運(yùn)沙船，進(jìn)行吹沙筑島。在水閘的上下游，分別用編織袋堆碼寬度2m的擋土墻，高于漲潮水位1m，利用吹砂機(jī)向中間輸送砂子。完成筑島后，在盾構(gòu)機(jī)刀盤前0.8m鉆1排φ1200mm、C30素混凝土樁，共13根，樁底至中風(fēng)化巖面，樁間止水采用旋噴水泥漿。素混凝土樁前進(jìn)端采用3排φ600mm旋噴樁，樁底至中風(fēng)化巖面。素混凝土樁后退端采用5排φ600mm和2排φ300mm旋噴樁，樁底至盾構(gòu)機(jī)。加固方案見圖2。 最初的加固方案確定后，在施工鉆孔樁過程中，成孔進(jìn)尺相當(dāng)緩慢，從鉆出的渣樣看是花崗巖片石。經(jīng)調(diào)查，原有堤壩基礎(chǔ)施工時有回填片石（是花崗巖片石），并且堤壩基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這樣，鉆孔樁和旋噴樁的施工都極其困難和相當(dāng)緩慢。因此，必須對原有加固方案進(jìn)行修改，以適應(yīng)工期的需要?？紤]到該處無法運(yùn)輸混凝土，要灌注混凝土只能通過用船從海上運(yùn)輸，并且泵車也得用船運(yùn)來，并在船上進(jìn)行灌注混凝土，由于海水的漲退潮關(guān)系，混凝土的輸送管道需100多米長，在海面上難以架設(shè)。因此，加固方案修改為利用旋噴樁＋斜打袖閥管至盾構(gòu)機(jī)頂部然后進(jìn)行壓注水泥漿，改善淤泥層范圍內(nèi)的土質(zhì)，增強(qiáng)強(qiáng)度。加固寬度為3m，刀盤前進(jìn)端1m，刀盤后退端2m。在隧道右側(cè)以旋噴樁加固，刀盤后面加固深度到達(dá)盾構(gòu)機(jī)外殼，刀盤前面加固深度到隧道中線。由于刀盤處左側(cè)位于水閘底板，在側(cè)面利用袖閥管注漿加固。修改加固方案見圖3。 修改后的加固方案，共完成旋噴樁47根，旋噴壓力達(dá)23MPa，其中左后方完成19根，右后方完成28根，水泥用量為79t；完成袖閥管64根，袖閥管注漿壓力為1MPa，其中東側(cè)完成30根，西側(cè)完成34根，水泥用量為92t，水玻璃用量為10t。旋噴樁及袖閥管施工時均加入了一定量的速凝劑，達(dá)到縮短凝固時間的效果。 2005年2月28日加固施工完成，3月3日下午對加固體進(jìn)行了部分抽芯檢查。共抽芯2個孔，抽芯深度為地面以下17～22m，部分抽芯照片如圖4。從抽芯取樣情況來看，從17m即有漿液擴(kuò)散，加固體內(nèi)漿液擴(kuò)散較均勻，19m以下深度取樣較連續(xù)，在21.5～22m范圍有全風(fēng)化混合巖地層出現(xiàn)。抽芯程段狀，不連續(xù)，其原因可能是加固不均勻所致，不適合進(jìn)行敞開土倉換刀作業(yè)。經(jīng)研究分析，認(rèn)為加固過程中注進(jìn)了220t水泥，掌子面應(yīng)該有一定的穩(wěn)定性，因此，決定土倉帶壓換刀作業(yè)。帶壓換刀作業(yè)從3月13日開始，到4月6日換刀作業(yè)完成，共用25天時間，更換單刃滾刀28把，雙刃滾刀4把。換刀作業(yè)完成后恢復(fù)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。4結(jié)束語 本次盾構(gòu)機(jī)施工過程中出現(xiàn)的地面塌陷問題，經(jīng)過采取科學(xué)合理的加固技術(shù)措施，地面塌陷得到了控制，這對今后的工作有很好的技術(shù)借鑒作用，可總結(jié)如下幾方面經(jīng)驗。 (1)根據(jù)刀具配置情況，收集刀具在各種地層的磨損程度，同時根據(jù)本項目的盾構(gòu)機(jī)在相同的地質(zhì)條件下掘進(jìn)的磨損情況，來判斷刀具對地層的適應(yīng)性，并分析判斷在掘進(jìn)多長距離時，需要開倉檢查刀具。本次地面塌陷就是忽視了掘進(jìn)距離與刀具磨損情況的分析，在強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層地層中掘進(jìn)110環(huán)，而未檢查換刀。導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)遇到不良地層時就無法正常掘進(jìn)。 (2)施工過程中要注意檢查、記錄土倉溫度及排出渣土的溫度，當(dāng)渣土溫度比正常情況偏高時，要注意檢查刀具。本次施工過程渣土的溫度明顯很高，人在隧道內(nèi)行走感覺比平時熱很多，所出的渣土都冒熱氣，但這些情況沒能引起各方的警惕，耽誤了及時開倉的時機(jī)。 (3) 勤檢查、勤換刀應(yīng)作為盾構(gòu)施工管理的常理。本次地面坍塌，其中一個原因就是當(dāng)初分析前方有侖頭海斷層，估計會噴涌嚴(yán)重，不利于開倉檢查，所以沒有對刀具進(jìn)行檢查，錯過了換刀機(jī)會，以致遇到上軟下硬地層時就無法掘進(jìn)了。 (4) 盾構(gòu)施工要特別注意分析整個項目的地質(zhì)情況，對不良地層要充分分析其對施工所可能產(chǎn)生的影響，并采取有針對性的處理措施，而不能有僥幸的心理。 (5) 采用斜打袖閥管加固是本方案最成功的地方，解決了鉆孔樁難以成孔、進(jìn)尺緩慢的困難，極大地縮短了加固時間。袖閥管加固可以推廣應(yīng)用到其他需要加固的工程中。
2.2盾構(gòu)掘進(jìn)方面 盾構(gòu)以土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的前一次換刀是在576環(huán)，至685環(huán)已掘進(jìn)了110環(huán)，而且所掘進(jìn)的地層均為強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層，這種地層對刀具的磨損影響較大，掘進(jìn)了110環(huán)，刀具應(yīng)該磨損已經(jīng)比較嚴(yán)重了。盾構(gòu)機(jī)此時掘進(jìn)速度為1～4mm/min，推力19500～23000kN，扭矩3400～4000kN·ｍ，渣土溫度55℃。由此可以判斷盾構(gòu)機(jī)無法正常切削巖石掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重。由于盾構(gòu)無法正常切削硬巖掘進(jìn)，刀盤、刀具就幾乎是在原地磨壓巖面，淤泥質(zhì)土源源不斷地進(jìn)入土倉，螺旋輸送機(jī)輸出的只能是淤泥質(zhì)土，所以螺旋輸送機(jī)閘門出現(xiàn)嚴(yán)重的突水、噴涌現(xiàn)象，大量淤泥噴出，稀粥狀的淤泥全部從出土口流下。2.3海面方面 當(dāng)時海面上出現(xiàn)大量的氣泡，同時白色的油脂泡沫源源不斷地溢出，并迅速布滿周邊。從船上用竹竿往下插，冒泡處地表比周圍低1m左右。退潮后發(fā)現(xiàn)該處塌陷成一個深凹。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，此段地層從上至下依次為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、中粗砂層、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖，盾構(gòu)穿越地層為淤泥層、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖。發(fā)生地面沉陷后，盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)充滿土體，部分為淤泥質(zhì)土，其上中粗砂地層發(fā)生下陷，造成盾構(gòu)上方地層與地表連通，所以出現(xiàn)冒泡和泡沫溢出的現(xiàn)象。 從上述３個方面分析可以看出，在此段地層由于盾構(gòu)機(jī)刀具磨損嚴(yán)重，無法正常掘進(jìn)，導(dǎo)致淤泥質(zhì)土源源不斷進(jìn)入土倉，同時土倉所建立的壓力，擊穿中粗砂，致使地層與地面連通。由于盾構(gòu)機(jī)刀具已經(jīng)嚴(yán)重磨損，無法對前部的中風(fēng)化及微風(fēng)化巖進(jìn)行掘進(jìn)，同時地層與地面已經(jīng)連通，無法使土倉壓力保持穩(wěn)定，無法進(jìn)行帶氣壓作業(yè)。因此需要進(jìn)行地層加固來穩(wěn)定掌子面進(jìn)行換刀作業(yè)。3加固方案的實施 由于塌陷是在海蔓灘(亦是水閘進(jìn)出口)，所以最初的加固方案是，在加固之前先行筑島。官洲島是個四面環(huán)水的島嶼，周邊無道路、無材料，只能通過運(yùn)沙船，進(jìn)行吹沙筑島。在水閘的上下游，分別用編織袋堆碼寬度2m的擋土墻，高于漲潮水位1m，利用吹砂機(jī)向中間輸送砂子。完成筑島后，在盾構(gòu)機(jī)刀盤前0.8m鉆1排φ1200mm、C30素混凝土樁，共13根，樁底至中風(fēng)化巖面，樁間止水采用旋噴水泥漿。素混凝土樁前進(jìn)端采用3排φ600mm旋噴樁，樁底至中風(fēng)化巖面。素混凝土樁后退端采用5排φ600mm和2排φ300mm旋噴樁，樁底至盾構(gòu)機(jī)。加固方案見圖2。 最初的加固方案確定后，在施工鉆孔樁過程中，成孔進(jìn)尺相當(dāng)緩慢，從鉆出的渣樣看是花崗巖片石。經(jīng)調(diào)查，原有堤壩基礎(chǔ)施工時有回填片石（是花崗巖片石），并且堤壩基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這樣，鉆孔樁和旋噴樁的施工都極其困難和相當(dāng)緩慢。因此，必須對原有加固方案進(jìn)行修改，以適應(yīng)工期的需要?？紤]到該處無法運(yùn)輸混凝土，要灌注混凝土只能通過用船從海上運(yùn)輸，并且泵車也得用船運(yùn)來，并在船上進(jìn)行灌注混凝土，由于海水的漲退潮關(guān)系，混凝土的輸送管道需100多米長，在海面上難以架設(shè)。因此，加固方案修改為利用旋噴樁＋斜打袖閥管至盾構(gòu)機(jī)頂部然后進(jìn)行壓注水泥漿，改善淤泥層范圍內(nèi)的土質(zhì)，增強(qiáng)強(qiáng)度。加固寬度為3m，刀盤前進(jìn)端1m，刀盤后退端2m。在隧道右側(cè)以旋噴樁加固，刀盤后面加固深度到達(dá)盾構(gòu)機(jī)外殼，刀盤前面加固深度到隧道中線。由于刀盤處左側(cè)位于水閘底板，在側(cè)面利用袖閥管注漿加固。修改加固方案見圖3。 修改后的加固方案，共完成旋噴樁47根，旋噴壓力達(dá)23MPa，其中左后方完成19根，右后方完成28根，水泥用量為79t；完成袖閥管64根，袖閥管注漿壓力為1MPa，其中東側(cè)完成30根，西側(cè)完成34根，水泥用量為92t，水玻璃用量為10t。旋噴樁及袖閥管施工時均加入了一定量的速凝劑，達(dá)到縮短凝固時間的效果。 2005年2月28日加固施工完成，3月3日下午對加固體進(jìn)行了部分抽芯檢查。共抽芯2個孔，抽芯深度為地面以下17～22m，部分抽芯照片如圖4。從抽芯取樣情況來看，從17m即有漿液擴(kuò)散，加固體內(nèi)漿液擴(kuò)散較均勻，19m以下深度取樣較連續(xù)，在21.5～22m范圍有全風(fēng)化混合巖地層出現(xiàn)。抽芯程段狀，不連續(xù)，其原因可能是加固不均勻所致，不適合進(jìn)行敞開土倉換刀作業(yè)。經(jīng)研究分析，認(rèn)為加固過程中注進(jìn)了220t水泥，掌子面應(yīng)該有一定的穩(wěn)定性，因此，決定土倉帶壓換刀作業(yè)。帶壓換刀作業(yè)從3月13日開始，到4月6日換刀作業(yè)完成，共用25天時間，更換單刃滾刀28把，雙刃滾刀4把。換刀作業(yè)完成后恢復(fù)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。4結(jié)束語 本次盾構(gòu)機(jī)施工過程中出現(xiàn)的地面塌陷問題，經(jīng)過采取科學(xué)合理的加固技術(shù)措施，地面塌陷得到了控制，這對今后的工作有很好的技術(shù)借鑒作用，可總結(jié)如下幾方面經(jīng)驗。 (1)根據(jù)刀具配置情況，收集刀具在各種地層的磨損程度，同時根據(jù)本項目的盾構(gòu)機(jī)在相同的地質(zhì)條件下掘進(jìn)的磨損情況，來判斷刀具對地層的適應(yīng)性，并分析判斷在掘進(jìn)多長距離時，需要開倉檢查刀具。本次地面塌陷就是忽視了掘進(jìn)距離與刀具磨損情況的分析，在強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中等風(fēng)化混合巖、微風(fēng)化混合巖地層地層中掘進(jìn)110環(huán)，而未檢查換刀。導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)遇到不良地層時就無法正常掘進(jìn)。 (2)施工過程中要注意檢查、記錄土倉溫度及排出渣土的溫度，當(dāng)渣土溫度比正常情況偏高時，要注意檢查刀具。本次施工過程渣土的溫度明顯很高，人在隧道內(nèi)行走感覺比平時熱很多，所出的渣土都冒熱氣，但這些情況沒能引起各方的警惕，耽誤了及時開倉的時機(jī)。 (3) 勤檢查、勤換刀應(yīng)作為盾構(gòu)施工管理的常理。本次地面坍塌，其中一個原因就是當(dāng)初分析前方有侖頭海斷層，估計會噴涌嚴(yán)重，不利于開倉檢查，所以沒有對刀具進(jìn)行檢查，錯過了換刀機(jī)會，以致遇到上軟下硬地層時就無法掘進(jìn)了。 (4) 盾構(gòu)施工要特別注意分析整個項目的地質(zhì)情況，對不良地層要充分分析其對施工所可能產(chǎn)生的影響，并采取有針對性的處理措施，而不能有僥幸的心理。 (5) 采用斜打袖閥管加固是本方案最成功的地方，解決了鉆孔樁難以成孔、進(jìn)尺緩慢的困難，極大地縮短了加固時間。袖閥管加固可以推廣應(yīng)用到其他需要加固的工程中。
