盾構掘進中地面塌陷加固技術摘要：盾構掘進過程中，由于不良地質、機械故障等因素引起掌子面的不穩定而坍塌，進而引起地面塌陷，導致影響工程的正常進展。分析廣州地鐵某盾構區間在海邊出現的地表塌陷原因，介紹采取的加固技術措施，為盾構施工積累經驗教訓。關鍵詞：盾構掘進；地面塌陷；原因分析；加固措施 盾構施工已經廣泛用于地鐵工程建設中，但同時在施工中也發生過各種各樣的施工事故或故障。總結事故或故障的經驗教訓，對今后類似工程施工的預防和應對，對降低盾構工程的風險，保證盾構工程安全順利的實施，有借鑒指導意義。1工程概況1.1工程范圍 廣州軌道交通4號線大學城專線侖大盾構區間，北起侖頭后底崗盾構始發井始發，經侖頭村穿越侖頭海至官洲島，到達官洲站，通過官洲站再次始發后經官洲村、官洲河，至大學城吊出井，總長為2826.5m，其中盾構法區間隧道為2301.3m。1.2施工情況 2005年2月12日22時右線盾構機掘進至YDK17+225時(第686環)，螺旋輸送機出口閘門出現突水、噴涌現象，大量淤泥噴出，稀粥狀的淤泥全部從出土口流下，少量風化巖塊被輸送至渣斗車。海面發生冒泡現象，大量泡沫溢出海面上，同時海岸堤壩和水閘相繼發生下沉變形與開裂。2 塌陷原因分析2.1地質方面 從該區間的地質縱斷面來看,隧道結構處于強風化混合巖、中等風化混合巖、微風化混合巖地層中，離結構頂部0.7m是淤泥層（圖1）。而在工程地質補充勘察報告更顯示是淤泥層、中等風化混合巖、微風化混合巖地層，淤泥層已經侵入隧道結構內，這是典型的上軟下硬地層，不利于盾構掘進。
2.2盾構掘進方面 盾構以土壓平衡模式進行掘進，盾構掘進過程中的前一次換刀是在576環，至685環已掘進了110環，而且所掘進的地層均為強風化混合巖、中等風化混合巖、微風化混合巖地層，這種地層對刀具的磨損影響較大，掘進了110環，刀具應該磨損已經比較嚴重了。盾構機此時掘進速度為1～4mm/min，推力19500～23000kN，扭矩3400～4000kN·ｍ，渣土溫度55℃。由此可以判斷盾構機無法正常切削巖石掘進，刀具磨損嚴重。由于盾構無法正常切削硬巖掘進，刀盤、刀具就幾乎是在原地磨壓巖面，淤泥質土源源不斷地進入土倉，螺旋輸送機輸出的只能是淤泥質土，所以螺旋輸送機閘門出現嚴重的突水、噴涌現象，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 當時海面上出現大量的氣泡，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。退潮后發現該處塌陷成一個深凹。根據地質詳勘資料，此段地層從上至下依次為淤泥層、淤泥質粉細砂層、中粗砂層、強風化混合巖、中等風化混合巖，盾構穿越地層為淤泥層、強風化混合巖、中等風化混合巖。發生地面沉陷后，盾構機土倉內充滿土體，部分為淤泥質土，其上中粗砂地層發生下陷，造成盾構上方地層與地表連通，所以出現冒泡和泡沫溢出的現象。 從上述３個方面分析可以看出，在此段地層由于盾構機刀具磨損嚴重，無法正常掘進，導致淤泥質土源源不斷進入土倉，同時土倉所建立的壓力，擊穿中粗砂，致使地層與地面連通。由于盾構機刀具已經嚴重磨損，無法對前部的中風化及微風化巖進行掘進，同時地層與地面已經連通，無法使土倉壓力保持穩定，無法進行帶氣壓作業。因此需要進行地層加固來穩定掌子面進行換刀作業。3加固方案的實施 由于塌陷是在海蔓灘(亦是水閘進出口)，所以最初的加固方案是，在加固之前先行筑島。官洲島是個四面環水的島嶼，周邊無道路、無材料，只能通過運沙船，進行吹沙筑島。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，利用吹砂機向中間輸送砂子。完成筑島后，在盾構機刀盤前0.8m鉆1排φ1200mm、C30素混凝土樁，共13根，樁底至中風化巖面，樁間止水采用旋噴水泥漿。素混凝土樁前進端采用3排φ600mm旋噴樁，樁底至中風化巖面。素混凝土樁后退端采用5排φ600mm和2排φ300mm旋噴樁，樁底至盾構機。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，成孔進尺相當緩慢，從鉆出的渣樣看是花崗巖片石。經調查，原有堤壩基礎施工時有回填片石（是花崗巖片石），并且堤壩基礎為鋼筋混凝土結構。這樣，鉆孔樁和旋噴樁的施工都極其困難和相當緩慢。因此，必須對原有加固方案進行修改，以適應工期的需要。考慮到該處無法運輸混凝土，要灌注混凝土只能通過用船從海上運輸，并且泵車也得用船運來，并在船上進行灌注混凝土，由于海水的漲退潮關系，混凝土的輸送管道需100多米長，在海面上難以架設。因此，加固方案修改為利用旋噴樁＋斜打袖閥管至盾構機頂部然后進行壓注水泥漿，改善淤泥層范圍內的土質，增強強度。加固寬度為3m，刀盤前進端1m，刀盤后退端2m。在隧道右側以旋噴樁加固，刀盤后面加固深度到達盾構機外殼，刀盤前面加固深度到隧道中線。由于刀盤處左側位于水閘底板，在側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，其中東側完成30根，西側完成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即有漿液擴散，加固體內漿液擴散較均勻，19m以下深度取樣較連續，在21.5～22m范圍有全風化混合巖地層出現。抽芯程段狀，不連續，其原因可能是加固不均勻所致，不適合進行敞開土倉換刀作業。經研究分析，認為加固過程中注進了220t水泥，掌子面應該有一定的穩定性，因此，決定土倉帶壓換刀作業。帶壓換刀作業從3月13日開始，到4月6日換刀作業完成，共用25天時間，更換單刃滾刀28把，雙刃滾刀4把。換刀作業完成后恢復掘進，盾構機運轉正常。4結束語 本次盾構機施工過程中出現的地面塌陷問題，經過采取科學合理的加固技術措施，地面塌陷得到了控制，這對今后的工作有很好的技術借鑒作用，可總結如下幾方面經驗。 (1)根據刀具配置情況，收集刀具在各種地層的磨損程度，同時根據本項目的盾構機在相同的地質條件下掘進的磨損情況，來判斷刀具對地層的適應性，并分析判斷在掘進多長距離時，需要開倉檢查刀具。本次地面塌陷就是忽視了掘進距離與刀具磨損情況的分析，在強風化混合巖、中等風化混合巖、微風化混合巖地層地層中掘進110環，而未檢查換刀。導致盾構機遇到不良地層時就無法正常掘進。 (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。 (3) 勤檢查、勤換刀應作為盾構施工管理的常理。本次地面坍塌，其中一個原因就是當初分析前方有侖頭海斷層，估計會噴涌嚴重，不利于開倉檢查，所以沒有對刀具進行檢查，錯過了換刀機會，以致遇到上軟下硬地層時就無法掘進了。 (4) 盾構施工要特別注意分析整個項目的地質情況，對不良地層要充分分析其對施工所可能產生的影響，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用到其他需要加固的工程中。
2.2盾構掘進方面 盾構以土壓平衡模式進行掘進，盾構掘進過程中的前一次換刀是在576環，至685環已掘進了110環，而且所掘進的地層均為強風化混合巖、中等風化混合巖、微風化混合巖地層，這種地層對刀具的磨損影響較大，掘進了110環，刀具應該磨損已經比較嚴重了。盾構機此時掘進速度為1～4mm/min，推力19500～23000kN，扭矩3400～4000kN·ｍ，渣土溫度55℃。由此可以判斷盾構機無法正常切削巖石掘進，刀具磨損嚴重。由于盾構無法正常切削硬巖掘進，刀盤、刀具就幾乎是在原地磨壓巖面，淤泥質土源源不斷地進入土倉，螺旋輸送機輸出的只能是淤泥質土，所以螺旋輸送機閘門出現嚴重的突水、噴涌現象，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 當時海面上出現大量的氣泡，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。退潮后發現該處塌陷成一個深凹。根據地質詳勘資料，此段地層從上至下依次為淤泥層、淤泥質粉細砂層、中粗砂層、強風化混合巖、中等風化混合巖，盾構穿越地層為淤泥層、強風化混合巖、中等風化混合巖。發生地面沉陷后，盾構機土倉內充滿土體，部分為淤泥質土，其上中粗砂地層發生下陷，造成盾構上方地層與地表連通，所以出現冒泡和泡沫溢出的現象。 從上述３個方面分析可以看出，在此段地層由于盾構機刀具磨損嚴重，無法正常掘進，導致淤泥質土源源不斷進入土倉，同時土倉所建立的壓力，擊穿中粗砂，致使地層與地面連通。由于盾構機刀具已經嚴重磨損，無法對前部的中風化及微風化巖進行掘進，同時地層與地面已經連通，無法使土倉壓力保持穩定，無法進行帶氣壓作業。因此需要進行地層加固來穩定掌子面進行換刀作業。3加固方案的實施 由于塌陷是在海蔓灘(亦是水閘進出口)，所以最初的加固方案是，在加固之前先行筑島。官洲島是個四面環水的島嶼，周邊無道路、無材料，只能通過運沙船，進行吹沙筑島。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，利用吹砂機向中間輸送砂子。完成筑島后，在盾構機刀盤前0.8m鉆1排φ1200mm、C30素混凝土樁，共13根，樁底至中風化巖面，樁間止水采用旋噴水泥漿。素混凝土樁前進端采用3排φ600mm旋噴樁，樁底至中風化巖面。素混凝土樁后退端采用5排φ600mm和2排φ300mm旋噴樁，樁底至盾構機。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，成孔進尺相當緩慢，從鉆出的渣樣看是花崗巖片石。經調查，原有堤壩基礎施工時有回填片石（是花崗巖片石），并且堤壩基礎為鋼筋混凝土結構。這樣，鉆孔樁和旋噴樁的施工都極其困難和相當緩慢。因此，必須對原有加固方案進行修改，以適應工期的需要。考慮到該處無法運輸混凝土，要灌注混凝土只能通過用船從海上運輸，并且泵車也得用船運來，并在船上進行灌注混凝土，由于海水的漲退潮關系，混凝土的輸送管道需100多米長，在海面上難以架設。因此，加固方案修改為利用旋噴樁＋斜打袖閥管至盾構機頂部然后進行壓注水泥漿，改善淤泥層范圍內的土質，增強強度。加固寬度為3m，刀盤前進端1m，刀盤后退端2m。在隧道右側以旋噴樁加固，刀盤后面加固深度到達盾構機外殼，刀盤前面加固深度到隧道中線。由于刀盤處左側位于水閘底板，在側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，其中東側完成30根，西側完成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即有漿液擴散，加固體內漿液擴散較均勻，19m以下深度取樣較連續，在21.5～22m范圍有全風化混合巖地層出現。抽芯程段狀，不連續，其原因可能是加固不均勻所致，不適合進行敞開土倉換刀作業。經研究分析，認為加固過程中注進了220t水泥，掌子面應該有一定的穩定性，因此，決定土倉帶壓換刀作業。帶壓換刀作業從3月13日開始，到4月6日換刀作業完成，共用25天時間，更換單刃滾刀28把，雙刃滾刀4把。換刀作業完成后恢復掘進，盾構機運轉正常。4結束語 本次盾構機施工過程中出現的地面塌陷問題，經過采取科學合理的加固技術措施，地面塌陷得到了控制，這對今后的工作有很好的技術借鑒作用，可總結如下幾方面經驗。 (1)根據刀具配置情況，收集刀具在各種地層的磨損程度，同時根據本項目的盾構機在相同的地質條件下掘進的磨損情況，來判斷刀具對地層的適應性，并分析判斷在掘進多長距離時，需要開倉檢查刀具。本次地面塌陷就是忽視了掘進距離與刀具磨損情況的分析，在強風化混合巖、中等風化混合巖、微風化混合巖地層地層中掘進110環，而未檢查換刀。導致盾構機遇到不良地層時就無法正常掘進。 (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。 (3) 勤檢查、勤換刀應作為盾構施工管理的常理。本次地面坍塌，其中一個原因就是當初分析前方有侖頭海斷層，估計會噴涌嚴重，不利于開倉檢查，所以沒有對刀具進行檢查，錯過了換刀機會，以致遇到上軟下硬地層時就無法掘進了。 (4) 盾構施工要特別注意分析整個項目的地質情況，對不良地層要充分分析其對施工所可能產生的影響，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用到其他需要加固的工程中。
