成都卵石地层地铁施工引发地层塌陷原因探究

摘要：针对成都独特富水砂卵石地层下盾构隧道的施工，通过分析地质条件对盾构工法带来的困难，探究了引发地层塌陷的原因，并结合施工实例提出了地面塌陷的防控和治理措施。

关键词：卵石地层；盾构；地铁；地层塌陷

1、概述

成都市在城乡一体统筹的大背景下，也展开了地铁1号线的建设。盾构法能适应各种复杂的地质条件，对环境的影响、施工安全性、质量、工程进度等方面也具有优势，成都地铁主城区地下隧道工程的施工，最终选用了盾构法。

成都地质是典型的富水砂卵石地层，卵石含量高，漂石粒径大，卵石强度高，地下水丰富，透水性好，地层条件相当独特，盾构工法的应用同样面临重重困难。成都地铁1号线刚开始的掘进中，刀具的失效速度和更换频率远超预想，掘进约100～200米即需更换一次刀具，且多次发生地面塌陷，这给地面环境保护、工程安全、造价控制带来相当不利的影响。

2、地质特点

成都地铁1号线地下隧道盾构掘进主要集中在3-7砂卵石（局部3-4粉细砂透镜体分部）这一层，底埋深约10～25m，该地层具有以下特点：

卵石含量高：卵石土地层中卵石含量55%以上，为该地层的骨架成分；

砂含量高：砂卵石中砂含量高，含量约10～35%，呈透镜体分布；

颗粒间胶结物：胶结物广泛分布于砂卵石中；

漂石粒径大：区间探井揭示漂石最大粒径为350mm，天府广场揭示漂石最大粒径为550mm，含量为5～10%，随机性分布。

地下水位：由于沿线车站等基坑降水作用，区内地下水位埋深约8～13m；

地层透水性：卵石土地层渗透系数高达12.5～27.4m/d，透水性强。

卵石和漂石强度高：卵石和漂石单轴抗压强度达86～98MPa。

从盾构工法三个最基本的功能单元支护、切削、排渣来看，存在以下困难：

受砂卵石土层和较大渗透率的影响，不易形成不透水塑流性的碴土而不能建立土压平衡机理，或土仓压力不稳定，容易造成地表发生沉降。

刀盘、刀具由于卵石致使切削的不均匀性和冲击，容易产生异常损坏；以及砂的摩擦作用，刀盘、刀具和螺旋输送机磨损都会较严重。

石头粒径较大且强度高，部分较大粒径无法通过刀盘开口和排碴装置，极易造成刀盘、刀具的异常磨损。

隧道穿越卵石土夹透镜体砂层或局部穿越粉砂层，均匀性差，软硬夹杂，容易造成地面沉降、超挖、偏离线路方向，该地层下纠偏相对困难。

由于卵石土中存在胶结物，对于刀盘中心流动性较小的部位容易产生泥饼现象，并粘结限制该处滚刀的转动而偏磨，以及造成前方土体无法入仓。

需要开仓对刀盘刀具进行处理，由于地下水、岩层的不稳定性，需要采取辅助手段对地层进行降水加固。地面降水措施的效果时好时坏，特别对于粉细砂和下部基岩上部卵石土两种地层，降水效果不明显。

当然，该地层下盾构施工仍具备一定的优势：

盾构构穿越地层主要为致密砂卵石层，胶结性能较好，围岩在降水条件下的自稳性好。

卵石含量高，骨架效应较好，降水后地层损失很小。

地层渗透系数大，易于降水疏干地层中的含水。

在降水及岩层稳定条件下可以进行常压开仓作业。

横向沉降槽宽度相对较小，影响范围相对较小。

3、盾构机设计理念及适应性

成都地铁一期盾构掘进机均为德国海瑞克进口，其中7台为土压平衡盾构机，1台为泥水平衡盾构机。泥水平衡盾构机，在成都卵石土层中掘进，在泥水输送前需进行大量的块石破碎，很难满足推进速度的需要，基本不适应成都地层。土压平衡盾构机采用螺旋输送机出土，可输送较大粒径的石块，对成都砂卵石地质条件的适应性更好。

德国海瑞克作为成熟的盾构机设计制造厂商，针对成都卵石地层，在刀盘刀具对地层适应性方面，其总体设计理念偏安全考虑，在刀盘开口率、刀具的布置、掘进效果评估上都充分考虑到成都独特地层下应用盾构工法的安全性。但是，这种偏安全考虑的设计，在加强正面支护的同时，牺牲了掘进效率，导致了刀具磨损严重、换刀频繁、掘进效率低、成本高、容易引发地面塌陷等不利影响。原因在于：

1）、在目前盾构配置情况下，刀盘开口率较低、螺旋输送机直径较小等也限制了卵石的入仓，同时也加大了刀盘刀具磨损。

2）、从掘进看，配置的硬岩刀具组合，滚刀未能充分发挥作用，对较大粒径的卵石有部分破碎作用，而对稍小粒径的土体作用不是很明显，反而滚刀基本上属于侧面磨损失效（只是保护了刀盘受损）；其实对于大多数较小粒径的土体而言无须破碎，可直接进仓，但开口率受限，致使砂卵石在前方加剧磨损刀盘。

3）、由于卵石土中存在胶结物，对于刀盘中心流动性较小的部位容易产生泥饼（砂饼）现象，并粘结限制该处滚刀的转动而偏磨，以及造成前方土体无法入仓。

4、地表塌陷分析

海瑞克盾构机在成都卵石地层施工中显示了一定的不适应性，其中在成都地铁1号线的建设过程中，地面塌陷尤其是重大危险源，几个施工标段都不同程度发生。地表塌陷的根源在于地层的土体损失，其原因按照发生的阶段和内容可以分为：1）、渣土失去流动性，掘进困难，2）、刀具及刀盘本体磨损，掘进困难引发塌陷，3）、3-4粉细沙层掘进困难，多出土引发塌陷，4）、进洞区域降水致土层损失，扰动后引发塌陷，5）、换刀时旋转刀盘引起地层坍塌。

土体损失的地层在盾构机通过后受到扰动，卵石骨架无法承受其上部土体的重量，卵石之间的空隙被上部掉落的颗粒填充，这样的失稳落下填充的过程不断向地面发展，形成坍孔。这个过程与空洞大小和水位有关。如果遇到地下水位高或下大雨，坍孔发展非常迅速。

4.1渣土失去流动性，掘进困难引发塌陷

在卵石地层中掘进，土体改良是重要的技术措施，土体改良到位，渣土的流动性才能得到保证。盾构机工法的三大核心功能支护、切削和排渣，缺一不可，其中排渣是否顺畅是刀具布置、刀盘开口、螺旋机设计、土仓容积、刀盘驱动方式及扭矩等多种因素综合作用的最终反映。

海瑞克的设计理念、成都卵石地层的独特性，导致成都盾构掘进中很容易发生渣良不到位、渣土失去流动性的问题，引发刀盘扭矩高、掘进困难的状况。处理这种状况通常的做法是：1）、注入改良材料，重新建立渣土的流动性，2）、土仓出土，减少刀盘负载，重新旋转刀盘。这其中土仓出土带来的问题是，仓内土体损失后，需要在掘进过程中补充，这会造成掘进前方土体的损失。

渣土失去流动性、掘进困难时，连续的推进速度缓慢，浆液注入困难，注入量偏低，扰动带上断续分布的小空洞不断向上方发展，最后会合，发展到地面，形成坍坑。这个过程持续的时间比较长，可能是十天、二十天、一个月，甚至长达一年之久。

4.2刀具及刀盘本体磨损，掘进困难引发塌陷

卵石地层施工中，由于刀具及刀盘与卵石土体不断发生碰撞和摩擦，其磨损在所难免。随着刀具的磨损量达到一定程度，其切削效率会显著下降。一旦刀盘失去切削的功能，将会发生掘进困难的情况，此时，更换刀具是必然的选择。如果地面状况等条件限制，没有合适的换刀地点，则继续掘进会导致出土量的增大，继而引发地面塌陷。

4.3盾构在粉细沙层掘进困难，多出土引发塌陷

盾构在粉细沙层中掘进中，存在推力大、扭矩大、进尺小、易结泥饼、出渣量不易控制、姿态偏差过大、地表沉降控制相当困难等问题，每次开仓仓内温度很高。造成多次开仓，地面坍方严重，甚至导致部分管线受损。

4.4进出洞区域降水致土层损失，扰动后引发塌陷

成都地铁1号线进出洞部位围护结构通常都是人工挖孔桩，由盾构刀盘直接切削围护桩（盾构通过段内挖孔桩采用玻璃纤维筋），完成盾构的进出洞施工。

进出洞过程中极易引发坍塌，其原因是：

一、在于盾构在进洞过程中，不能快速推进，土体从桩间孔隙进入土舱，造成地面的坍塌。如下图所示。

二、车站施工长期降水，将周边卵石土中的胶结物淘空，使得大块卵石堆积，造成盾构掘进困难。盾构机通过后，卵石骨架受到扰动，无法支撑土体重量，导致塌方。

4.5换刀时旋转刀盘引起地层坍塌

刀具磨损后须及时换刀，由于滚刀安装位置等局限，为降低劳动强度、保证人员安全、加快换刀进度，刀具的更换只能在指定的角度和位置进行。因此，为了实现全盘刀具的更换，必须重复数次旋转刀盘至指定角度和位置。由于盾构机刀盘边缘部位开口朝上，所以，砂卵石地层即使在降水（或气压换刀）的条件下，刀盘搅动时也会发生自稳性差、拱顶部塌落等问题。刀盘旋转后人员进仓时又必须出土，如此往复，刀盘前方地层的塌方不断发展，最终引发地表塌陷。

5.地面塌陷的防控和治理措施

从减少地层损失的角度看，为了最大程度降低地面塌陷发生的几率，应从以下几方面加以防控：

降低设备故障率，减少盾构停机

掘进出土量和压浆量的监控和匹配

通过推进参数变化，对刀具磨损程度进行预测分析，及时换刀

根据地面环境，合理选择换刀地点

通过渣土变化，掌握地层变化，调整出土量

盾构及通过后，地层损失导致的地层塌落，其不断发展需要一定的时间，在此过程中，可以采取洞内打管注浆、地面跟踪注浆等方式对地层损失进行治理。其中，洞内打管注浆的一般流程如下：

1、对出土量和注浆量进行对比统计，分析可能存在孔洞的位置。

2、结合地质雷达扫描反映的地层松散情况，确定打孔位置。

3、确定孔洞可能存在位置后，采用隧道打孔注浆予以充填，防止空洞继续发展。工艺流程图如下：

4、采区地质雷达探测、剪切波速测定等定性定量方式，对注浆效果进行检测、评价。

参考文献：

[1] 李希元；闫静雅；孙艳萍；；盾构隧道施工工程事故的原因与对策[J]；地下空间与工程学报；2005年06期

[2] 朱伟，秦建设，卢廷浩；砂土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究[J]；岩土工程学报；2005年08期

[3]张成满；罗富荣；；地铁工程建设中的环境安全风险技术管理体系[J]；都市快轨交通；2007年02期