南昌富水砂层盾构掘进地面沉降控制技术.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.028南昌富水砂层盾构掘进地面沉降控制技术GROUND SETTLEMENT CONTROL TECHNOLOGY FOR SHIELD TUNNELING OF RICH WATERSAND LAYER IN NANCHANG康根平，罗宇勤，丁二威（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，杭州 310014）KANG Genping,LUO Yuqin,DING Erwei（Zhejiang Huadong Surveying and Engineering Safety Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310014,China）【摘要】南昌地铁富水砂层含水量大、渗透系数高、水补给快，地层塑流性差、摩擦阻力大，开挖面受扰动后易失稳、坍塌。盾构施工渣土改良效果不佳，盾构推进时螺旋机易喷涌，引起地面沉降甚至塌陷。施工时可以适量使用高分子聚合物防止螺旋机喷涌，加强施工管理，尽量保持盾构连续掘进。文中主要通过南昌地铁某个富水砂层区间施工中出现的地面沉降及塌陷情况，从优化盾构渣土改良及掘进参数，加强施工管理措施等方面，结合盾构掘进参数、监测数据及典型案例情况，分析总结出南昌地铁富水砂层盾构掘进渣土改良主要以泡沫+膨润土为主。泡沫原液配合比宜控制在3%，膨润土每环注入量5方左右，盾构掘进速度宜控制在3045mm/min、刀盘转速11.2r/min、总推力10001500T、刀盘扭矩25003500kN m，可为类似地层盾构施工提供参考。【关键词】富水砂层；渣土改良；沉降控制【中图分类号】TU473.2【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0127-05Abstract：The water-rich sand layer of Nanchang Metro has large water content,high permeability coefficient,fastwater recharge,poor formation plastic-flow property,and large friction resistance,which is prone to instability andcollapse after the excavation face is disturbed.The slag improvement effect of shield construction is not good,andthe screw is easy to gusher when the shield is advancing,causing the ground settlement and even collapse.Duringconstruction,high polymer can be used appropriately to prevent the spout of the screw machine,strengthen the construction management,and keep the shield continuous tunneling.Based on the ground settlement and collapse in theconstruction of a water-rich sand layer section of Nanchang Metro,this paper analyzes and concludes that the improvement of shield dreg in water-rich sand layer of Nanchang Metro is mainly based on foam andbentonite fromtheaspects of optimizing the improvement of shield dreg and tunneling parameters.The mixture ratio of foam stock solution should be controlled at 3%;the injection amount of bentonite in each ring should be about 5 square meters;theshield driving speed should be controlled at 3045mm/min;the cutter head speed is 11.2r/min;the total thrust is10001500T;the cutter head torque is 25003500kNm,providing the reference for shield construction in similarstrata.Key words：water-rich sand layer;residue improvement;settlement control0引言南昌地铁富水砂层主要包括细砂、中砂、粗砂、圆砾及砾砂层，地下水位受赣江水系影响较大，地下水位浅且补给较快。土压平衡盾构在流塑性差、摩擦因数大、含水量高、渗透系数大的砂土等地层中施工时，会遇到盾构机推力增加、出土不易、排土及推进困难，甚至无法推进等问题1。目前国内外对富水砂层盾构掘进地面沉降产生机理及相关控制技术有一定研究，柯尉等2通过工程实例分析得出盾构在此类地层中掘进，会引起砂层孔隙水快速渗透，地层受扰动而发生流沙，使开挖面支护压力难以控制，严重时会导致地表沉降过大甚至塌陷等较多风险。南昌地铁富水砂层，盾构掘进时通常以泡沫及膨润土改良为主，高分子聚合物为辅。邱龑等3通过试验得出泡沫对砂性土的固态细观结构改良基本无作用，膨润土作为细颗粒，能够填充到砂砾粗颗粒的孔隙中，对富水砂层土体细观结构有非常显著的改良效果；而高分子聚合物虽然也有一定的填充作用，但是高分子聚合物会将一部分细颗粒胶结成块状大颗粒物质，与致密的土样整体分离。盾构富水砂层推进过程中，以掘进速度和出渣稠度为主要依据，调节膨润土掺入量和膨润土浆液注入量；以刀盘扭矩和螺旋机出渣情况为依据，调整泡沫剂掺量和注入量4。1工程概况127低温建筑技术-冻土与地基基础Jun.2023 No.300南昌地铁某区间下行线长1889.612m，上行线长1893.202m，线间距14m，隧道顶覆土厚度1122m，区间前260环主要为粗砂、砾砂层，区间地质剖面如图1所示。区间砾砂层颗粒粒径0.22cm，含量20%35，最大粒径46cm，含量515，填充中粗砂，天然重度20kN/m3，黏聚力0，内摩擦角36，变形模量45MPa，综合渗透系数为110m/d。区间地下水主要为潜水，局部承压水，初见水位埋深 5.712.1m，稳定水位埋深4.111.6m。如图2所示，盾构掘进期间地面竖向位移监测主要包括沉降及隆起，监测频率为1次/d，地面沉降监测控制值为变化速率3mm/d、累计量30mm。图1区间地层剖面粗砂砾砂泥质粉砂岩第50环第40环第30环第20环第10环第1环DBC10-1DBC10-2DBC10-3DBC10-4DBC9-18DBC9-16DBC9-14DBC9-12DBC9-10DBC9-4DBC9-3DBC9-2240245250255260265270275280290295DBC10-5DBC10-6DBC10-7DBC10-8DBC9-19DBC9-17DBC9-15DBC9-13DBC9-11DBC9-7DBC9-6DBC9-8DBC9-9DBC10-9GGC46-2GGJ46-2GGC45-2GGJ45-2GGC44-2GGJ44-2GGC43-2GGJ43-2GGC42-2GGJ42-2GGC41-2GGJ41-2GGC40-2GGJ40-2GGC40-1GGJ40-1DBC9-5GGC41-1GGJ41-1GGC42-1GGJ42-1GGC43-1GGJ43-1GGC44-1GGJ44-1GGC45-1GGJ45-1GGC46-1GGJ46-12渣土改良研究2.1渣土改良的目的富水砂层塑流性及和易性差，摩擦阻力大，易造成刀盘磨损、螺旋机堵塞等问题，需进行渣土改良才能保证盾构施工安全、顺利、快速、连续进行。富水砂层渣土改良的主要目的包括：使渣土具有较好的和易性，利于建立土压平衡及稳定开挖面，达到控制沉降的目的；使渣土具有较好的不透水性，以控制地下水流失；使切削下来的渣土具有较好的流塑性，能顺畅的进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土；可有效防止砾石及细颗粒沉仓形成板结；避免螺旋机喷涌发生；减小渣土颗粒之间的内摩擦角，降低刀盘扭矩及螺旋输送机扭矩，减轻对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损，提高盾构机掘进效率。2.2渣土改良剂的选择区间前260环主要为砾砂、粗砂层，针对富水砂层渣土改良常用的添加剂有泡沫剂、膨润土及高分子聚合物，不同的渣土改良添加剂各有优点5，对比见表1。根据对比，区间地层主要为细颗粒及粒径46cm的沙砾石，渣土改良添加剂的选用分析如下：（1）矿物类：膨化后的膨润土浆液，可以在颗粒表面形成泥膜，填充颗粒之间的空隙，有效降低细颗粒的内摩擦角，增大渣土的黏性及和易性，达到降低扭矩的目的。（2）泡沫剂：采用泡沫剂改良，可以降低土体的透水性，提高渣土的流动性，防止渣土附着在刀盘上形成泥饼。（3）环氧树脂：与土中酸碱物化学反应，易造成刀盘、土仓及螺旋机筒内局部板结，施工中需慎用。（4）水溶性高分子：盾构推进时螺旋机若有喷涌发生，可适当注入高分子聚合物进行渣土改良，考虑到高分子聚合物改良后的土体黏性增大，长期使用易造成细颗粒粘附在刀盘上，施工时同样需要慎用。2.3渣土改良方案比选试掘进段分别采用泡沫改良、膨润土改良、泡沫+图2区间地面沉降测点布置表1各渣土改良添加剂对比种类矿物类界面活性材料高吸水性树脂水溶性高分子改良材料膨润土泡沫剂环氧树脂CMC优点不透水性、流动性不透水性、流动性、防止粘附变成胶凝状态，防喷涌增大黏性、防喷涌缺点需成套设备及膨化场地，不利于防粘附时间长易消散失效与土中酸碱物化学反应，造成刀盘局部板结废弃物处理，造成刀盘局部板结适用地层砂层、卵石地层黏土、砂卵石、岩层等各种地层高含水量地层高含水量、无黏性土地层128膨润土改良3种方式进行试验，从地面沉降数据及盾构掘进刀盘扭矩两个方面分析哪种方案更优，不同方案渣土改良与沉降数据、刀盘扭矩对比曲线如图3、图4所示。采用泡沫+膨润土改良时，地面沉降整体趋势小于单独使用泡沫或膨润土改良，刀盘扭矩整体趋势小于单独使用泡沫或膨润土改良。故区间盾构推进时主要采用泡沫+膨润土进行渣土改良方案，当螺旋机出现喷涌且出渣量控制难度较大时，再适量注入高分子聚合物。泡沫添加剂比例选择3%5%，膨润土配合比为水：膨润土：渣土=1：7：5，选用纳基膨润土，注入量为出土量的5%20%，注入压力比盾构的土仓压力略高。3盾构掘进研究3.1掘进参数通过渣土改良试验可以初步确定渣土改良的基础参数配比，另外参照南昌地铁之前建设经验及国内其他城市类似地层盾构施工参数情况，此区间采用膨润土+泡沫方式进行渣土改良，泡沫原液配合比控制在3%左右，每环膨润土注入量5方左右，渣土改良效果影响因素包括改良剂的质量、地层水位变化及环境温度等。按此方案，通过区间前100环试掘进段的参数总结来确定最终施工参数，区间试掘进段后100200环的掘进参数情况如图5图8所示，盾构在富水砂层段掘进时，推进速度在3046mm/min之间，刀盘扭矩在 30004800kN/m 之间，总推力在 10001500T之间，刀盘转速控制在1.11.4r/min之间，除刀盘扭矩偏大外推进参数基本正常，推进速度及总推力匹配较好，表明盾构掘进过程中渣土改良使各项主要掘进参数基本处于合理范围。图3三种改良方式地面沉降对比-2-4-6-8-10-12沉降量/mm020406080100120环号泡沫膨润土泡沫+膨润土440042004000380036003400刀盘扭矩/（kN m）泡沫膨润土泡沫+膨润土020406080100120环号图4三种改良方式刀盘扭矩对比图8刀盘转速曲线图150014001300120011001000900总推力/T100120140160180200环号总推力图5总推力曲线图4000360032002800刀盘扭矩/（kN m）刀盘扭矩100120140160180200环号图6刀盘扭矩曲线图图7推进速度曲线图推进速度484440363228推进速度/（mm min-1）100120140160180200环号刀盘转速1.41.31.21.1刀盘转速/（r min-1）100120140160180200环号129低温建筑技术-冻土与地基基础Jun.2023 No.300各掘进参数平均值如表2所示，富水砂层盾构掘进，需保持一定的推进速度，推进速度越慢，推进时间越长，更容易造成扰动及超挖，此区间平均速度37mm/min较为合理。富水砂层段盾构掘进参数除刀盘扭矩相对偏大以外，其它各项参数均正常，主要原因为砾砂层颗粒之间摩擦阻力大，保压推进时刀盘扭矩偏高属于正常情况。总推力1100T左右，推力情况较好，说明区间渣土改良能有效降低盾构掘进阻力，能保障盾构掘进顺畅。综合各项掘进参数分析，区间渣土改良总体情况较好。3.2监测数据影响地表沉降的因素很多，这些因素中一部分是由于施工人员自身主观原因造成，一部分是其它客观因素所致。客观因素有地质调整、盾构刀盘开口率及隧道埋深等，主观因素主要有渣土改良效果不佳、推进参数异常、注浆控制不佳及盾构姿态纠偏引起的扰动等。富水砂层段地面沉降曲线如图9所示，区间富水砂层段沉降最大值为-18.3mm，平均沉降-10.01mm，根据地监测规范控制要求，盾构富水砂层段掘进地面沉降控制在合理范围内。试掘进与正常掘进段地面沉降情况统计如表 3 所示（沉降变化曲线如图 9 所示），前100环的地面沉降平均值为-12.35mm，后100环平均沉降为-6.42mm，正常掘进段地面情况整体好于试掘进段，主要原因为区间前100环为试掘进试验段，渣土改良及盾构掘进参数在试验摸索阶段，100环以后，渣土改良及各项掘进参数基本确定，沉降控制相对较好。表2掘进参数统计参数推力/T刀盘扭矩/（kN m）推进速度/（mm min-1）刀盘转速/（r min-1）膨润土用量最小值9603020301.14.5最大值14804800461.45.5平均值11073960371.25表3试掘进段与正常掘进段地面沉降情况项目试掘进段掘进段最小值-8.73-1.19最大值-18.3-13.47平均值-12.35-6.42mm020406080100120140160180200环号0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20累计沉降/mm试掘进段正常掘进段图9地面沉降与环号曲线3.3典型案例分析3.3.1多次停机导致地面沉降区间上行线盾构掘进至30环位置时，地面出现约15cm左右沉降，面积约3m2，沉降位置地面情况如图10所示。沉降原因主要为盾构掘进期间，因渣土禁运、同步注浆使用的砂浆供应不足等导致盾构掘进放缓和多次停机，且停机期间的土仓压力波动（理论0.8bar，出现降到0.4bar）导致对刀盘前方土体扰动较大；盾构停机是土仓中的渣土改良失效，停机复推后，受土仓压力波动及复推扰动影响，造成超挖。3.3.2地层松散、参数异常导致地面塌陷区间上行线掘进至247环位置时，隧道正上方路面出现塌陷，塌陷面积约10m2，深度约50cm。造成地面塌陷的主要原因：施工参数异常：险情发生前盾构掘进参数上部土压偏高（理论值1.2bar左右），刀盘扭矩偏大，推进速度及总推力正常。造成刀盘扭矩偏高、土压偏大的原因图10路面沉降情况130可能为螺旋机出渣效果不佳（时有喷涌现象），渣土的和易性和流塑性差，造成砂砾沉仓、板结，土体贯入度不畅，盾构掘进刀盘扭矩增大，加大了对土体的扰动，造成掌子面上方土体损失，局部形成空洞，引起地表沉降。地质及施工管理：盾构上方回填土体质量较差，松散不密实，盾构机在通过改敞口段过程中螺旋机的机口发现大的红砖、混凝土块及电圈等杂物，卡住螺机造成局部喷涌；盾构机在通过这段不良地质过程中，掘进参数不稳定、扭矩大、土压高，过程中出现多次沉降报警，现场计划在这个区段进行开仓检查刀具，但考虑砂层稳定性差，只能靠调整盾构参数、地面补浆等措施来保证盾构机快速通过这个区段。地面塌陷事故发生后，为避免螺旋机喷涌带来的超挖影响，现场采用高分子聚合物进行渣土改良后，未出现过地面沉陷事故。4结语通过对富水砂层盾构掘进渣土改良、推进参数、监测数据及典型案例分析，可得出富水砂层盾构掘进地面沉降控制要点如下：（1）富水砂层渣土改良主要采用纳基膨润土+泡沫进行改良，泡沫原液配合比宜控制在3%，膨润土每环注入量5方左右，其改良效果可以满足盾构正常掘进的要求。（2）富水砂层盾构掘进，需加强施工管理，合理控制工序，避免盾构频繁及长时间停机；停机期间做好保压，尽量采用膨润土保压，复推后加强参数控制，可有效控制施工引起的地面沉降。（3）富水砂层盾构掘进，盾构推进建议保持在一定的速度，宜控制在3045mm/min之间，不宜过慢，速度过慢会增大超挖及沉降风险。（4）盾构推进时，警惕螺旋机喷涌情况，推进时可适当注入高分子聚合物预防喷涌。参考文献1 罗云锋.土压平衡盾构穿越富水砂土层的渣土改良泥浆配合比研究与应用 J.建筑施工，2020，42（3）：407-409.2 柯尉，蒋斌松，杜石文.富水含砂地区浅埋暗挖隧道施工险情分析 J.铁道建筑，2012（1）：59-62.3 邱龑，杨新安，唐卓华，等.富水砂层土压平衡盾构施工渣土改良实验 J.同济大学学报（自然科学版），2015，11（43）：1705-1708.4 宁士亮.富水砂层盾构渣土改良技术 J.铁道建筑技术，2014（3）：86-90.5 马连丛.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究 J.工程科技，2009，30（1）：57-63.收稿日期2022-12-14作者简介康根平（1988），男，江西抚州人，工程师，现从事城市地铁盾构施工相关研究及安全风险咨询工作。住房和城乡建设部办公厅通知明确勘察设计工程师和监理工程师注册申请可“掌上办”住房和城乡建设部办公厅日前印发通知，自2023年5月8日起，新增勘察设计注册工程师（二级注册结构工程师除外）、注册监理工程师注册申请“掌上办”功能。通知提出，申请人可通过微信、支付宝搜索“住房和城乡建设部政务服务门户”小程序，办理勘察设计注册工程师（二级注册结构工程师除外）、注册监理工程师注册申请、注册进度查询、个人信息修改等业务。省级住房和城乡建设主管部门通过勘察设计注册工程师和注册监理工程师注册管理信息系统收到注册申请数据后，应及时完成上报。通知要求，各级住房和城乡建设主管部门要充分运用数字化等手段，按照“双随机、一公开”原则，加强对勘察设计注册工程师、注册监理工程师注册工作和执业活动的事中事后监督检查。对存在弄虚作假等违法违规行为的人员和企业，依据有关法律法规进行处理，维护建筑市场秩序，保障工程质量安全。通知明确，社会公众可通过全国建筑市场监管公共服务平台，查询勘察设计注册工程师、注册监理工程师的注册信息、执业单位变更记录信息。（宗边）摘自：中国建设报131