浅谈盾构机在砂层中掘进时的控制方法

【摘 要】盾构机在砂层中掘进时，由于砂层透水性较强，容易造成砂层流失，最终结果是造成较大的地面沉降，以至于地面沉陷。本文结合多年的盾构施工经验总结出盾构机在砂层中掘进时的施工方法和相应措施，与同行们一起共同探讨。

【关键词】盾构隧道；地面沉降塌陷；防止措施

前言：

盾构隧道在施工过程中对地表的控制直接影响到整个工程项目的成功与否，特别是在建筑物密集的老城区和大量交通要道，所以盾构机在砂层中掘进时地面的塌陷及沉降要控制在允许范围内，这样才能把工程成本和经济损失降到最低。因此，我们有必要对盾构机在砂层中的掘进技术进行讨论，并寻求更好的施工方法。

1 项目地理概况

惠城际轨道交通工程GZH-12标盾构期间起止里程为DK97+966~DK100+885，盾构隧道长度2919m，从云山西路站始发，穿越东江、建筑物密集的老城区和大量交通要道后到达盾构接收井拆解吊出。此区间有约500m砂层地段，地层从上到下依次为：素填土、粉质粘土、圆砾土、细砂、全风化含砾砂岩、强风化含砾砂岩、弱风化含砾砂岩。地下水主要为潜水，水位3-3.6m，由于此地层距离东江近，从地层构造上看，砂层中的水略具承压性。

2 盾构隧道地面沉降塌陷的防止措施

盾构机通过此类地层时，由于与砂层直接接触的土层较薄，易受力变形产生裂隙和裂缝，从而形成了与砂层中的水有直接的联系通道，进而也将成为该砂层流失的通道，其最终的结果是造成较大的地面沉降，以至于地面塌陷。为了防止盾构机通过此地层时发生沉降、塌陷。其具体措施如下：

2.1 做好盾构机的维修和保养。

通过砂层前对盾构机进行全面检查、维修和保养，确保盾构机的故障率降到最低能够快速的通过砂层地段。特别是注浆系统和盾尾刷的检查和更换，只有完好的注浆系统才能够及时并有效的填充管片背后空隙。由于砂层中的渗水性较强，如盾尾刷密封失效就无法防止砂土、泥水从盾尾间隙冒出，造成水土流失。

2.2 采用土压平衡模式推进。盾构机通过砂层地段时，由于砂土具有渗水性大，受到扰动容易塌陷等特点，需要采用土压平衡模式掘进，以确保密封土仓压力稳定开挖面，控制地表沉降，防止地层出现塌陷。盾构机在砂层中掘进时，控制土仓压力有两种方式，一种是通过气压来控制土仓内压力，一种是通过土压来控制土仓压力。

2.2.1 气压控制土仓压力的方法有两种：一是通过开启保压系统来稳定土仓内压力：二是在掘进时加大泡沫管气体的比例往土仓内加气压以达到一个平衡的气压状态。由于砂层地段的透水性较强，所以应尽量避免地层中的水渗到土仓内，引起流砂造成地表沉降超限和塌陷，同样也会造成螺旋机出土时喷涌。为了避免砂层中的水渗到土仓内可适当通过调节土仓气压抑制地下水渗入。

2.2.2 控制土仓土压力的方法主要有两种：一是在保持推进速度不变的情况下，调节螺旋机的转速或螺旋机闸门大小（螺旋机转速减小或闸门开度减小均能达到增大土仓压力的效果），控制出土量，建立和保持土仓压力；二是在保持螺旋机转速或螺旋机闸门大小不变的情况下，加大千斤顶的总推力，提高推进速度，增大土仓内的土压力。

2.3 尽量快速通过。

掘进速度的加快能够及早为管片背后注浆创造条件，有利于隧道稳定和控制地表沉降。在条件允许的情况下，应尽量提高掘进速度，避免刀盘转动对地层扰动时间过长而造成上部砂层液化和塌陷。

2.4 注意土体改良。 适当使用聚合物添加剂、膨润土来改良渣土，水土混合，以增加止水效果，避免流砂的发生。

2.5 加强注浆控制。

由于砂层的渗透性较好，实际注浆量应大于理论计算量，以保证注浆质量。必要时，应调整砂浆的配合比，增加水泥用量，缩短砂浆的初凝时间，加快管片周围土体的固结，避免地表沉降超限。为弥补同步注浆的不足，要及时对管片进行二次注浆，位置宜尽量靠近盾尾，为了避免注浆压力过大打穿盾尾，以盾尾倒数第4环第5环位置最佳。二次注浆采用双液浆，根据情况通过调节水玻璃的大小调整水泥浆的初凝时间，注浆压力应控制在3巴~5巴。最大不超过5巴，以免造成管片错台。必须保证管片背后空隙填充密实。

2.6 控制好盾构机姿态。在这种地层中掘进，盾构机容易上浮，为了防止上浮造成超限，掘进时宜把盾构机姿态往下压。

2.7 加强对出土量的控制。

及时掌握掌子开挖面的地质情况，通过皮带上出来的土观察地层变化，控制出土量在理论数据之内，防止超挖而造成地表沉降和塌陷。

2.8 加强监测工作，及时反馈监测信息。

加强该段的地表沉降和建筑物沉降的监测。根据地表沉降和建筑物沉降的监测数据，结合地质情况，及时调整土仓压力，千斤顶推力等掘进参数，做到信息化施工。

2.9 由于砂层地段的透水性强，所以尽量避免排水，以免引起地表沉降超限。当遇到地下水很大时，可加入适当压力的压缩空气，以排除密封土仓内的水。

3 结束语

以上各个要点的把握和操作得当，决定着盾构机在此地段的整个掘进过程达到一个最佳的平衡状态，并使盾构机能够快速稳当的经过此地层，把地面的沉降和塌陷降低到最小。

参考文献：

[1]莞惠城际轨道交通工程GZH-12标工程设计及地质勘察报告（内部资料）

[2]《复合地层中的盾构施工技术》

[3]岩土工程勘察设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社，1996

[4]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册.北京：中国铁道出版社，1996