邢春华
通州建总集团有限公司
摘要：盾构在富水砂层掘进碰到液化土层，盾构姿态较难控制、隧道轴线偏差增大，管片拼装易出现较大错台，管片间易出现渗漏和裂缝，土仓出土口和盾尾易出现涌水涌砂，地面容易出现较大沉降等现象。本文介绍了土压平衡式盾构机在液化土层的施工经验，希望对类似工程施工能起到一定借鉴作用。
关键词：盾构施工，液化土层，施工技术
盾构机在富水砂层掘进最怕遇到中度以上的液化土层，会导致盾构姿态变得难以掌控、刀盘前土压保不住，出土口易出现涌水涌砂，管片拼装错台较大、边角易碎裂，同步注浆量大、成型隧道不稳定，管片出盾尾后上浮、管片剑易渗漏，在盾构切口前30环、盾尾后20环范围内地面累积沉降较大等不良现象。上述问题，均较难解决，单纯从某方面入手，效果都不理想。
一、工程概况
南通临江靠海陆地形成较晚，主要由泥砂淤积而成，地下水位较高，系典型富水粉细砂层。盾构机穿行线路土层主要为粉细砂，孔隙比大、含水量高、流动性强、自稳性能差，砂层受到扰动后易产生液化现象，甚至形成流砂。
南通市城市轨道交通1号线一期工程为地下线路，全长39.2km，设28座车站。车站采用明挖顺筑法施工，区间采用盾构法施工。区间隧道掘进线路部分标段存在液化土层，给施工带来较大难度。
二、盾构机在液化土层中施工所面临的问题
2.1 盾构姿态难以控制
液化土层因土层较软弱、呈流塑状，掘进过程对土层扰动会使周边土体液化；在盾构停止掘进时因液化土层流塑性较大土仓内土压很快泄压，使盾构机姿态难以控制，前方地面出现沉降，如果多次“闷推”保压将加剧土体液化，使盾构机刀盘出现较大下沉。
另外，因盾尾成型隧道在软弱液化土层中处于不稳定状态，使得盾构机千斤顶回踩时因隧道不稳定，导致盾构机上下、左右姿态调整较难实现，纠偏出现滞后性。
2.2 管片拼装易出现较大错台、碎裂、渗漏现象
盾构在软弱液化土层中掘进，管片拼装质量较难控制。主要原因如下：
（1）盾构姿态的不稳定，容易导致出盾尾后管片间因推力的错位，而发生挤压，导致管片边角碎裂。
（2）成型隧道在软弱液化土层中因浮力较大，上部土体压力不足而会在出盾尾后出现上浮，导致管片间、环与环间容易出现较大错台及渗漏水现象。
（3）盾尾后成型隧道的不稳定，如果管片在拼装时圆度不足，管片外侧易出现开口现象，遇水膨胀条不能很好地压紧，在盾构推力及上浮力作用下隧道的摆尾现象，加剧了环向管片间、纵向环间的管片间的错台、边角裂缝以及渗漏水现象的发生。
2.3 地面沉降量偏大
盾构在软弱液化土层掘进，地面日沉降量和累积性沉降量偏大，对周边建筑物和管线易造成破坏。主要原因如下：
（1）因为在软弱液化土层中，盾构机的掘进及拼装管片时土仓的反复，使得盾构机前方土体反复蠕动，加剧了土体液化，使前方土体承载力下降，促使盾构刀盘前30环地面出现较大的累积性沉降。
（2）在软弱液化土层中掘进，盾构机出土量不易控制。流塑状土层加上土体液化，使得盾构易出含水量高的流塑状砂土，出的水土量变大，出土口甚至会出现喷涌现象，导致盾构机前方水土体流失过大，导致刀盘前30环地面出现较大的累积性沉降。
（3）在盾构开行线影响范围内，部分建（构）筑物、管线基础安全系数不高，抗不均匀沉降变形能力不足。
2.4 同步注浆量大，效果不明显
在软弱液化土层进行同步注浆，因土层软弱呈流塑状，浆液极易流失，未能有效填充到盾尾和管片外的空隙中去，甚至会窜到刀盘切口部位，并进入土仓。因此每环管片同步注浆量较一般砂土层中要多注30-50%的浆量，但对盾尾后面的地面沉降控制效果不理想。
三、盾构在液化土层中所施工对应解决措施
盾构机在软弱液化土层中穿行，应以确保安全、确保成型隧道施工质量为目标。如何控制好盾构姿态、管片拼装质量、地面建构筑物沉降、成型隧道轴线偏差和变形、隧道内管片间的渗漏变得尤为重要，因为富水砂层中的软弱液化土层的不良特性，决定了盾构机在液化土层中的施工变得尤其困难。
3.1 如何控制调整好盾构掘进姿态
盾构机在软弱液化土层中穿行施工，因为自身重量和惯性较大容易发生“蛇行”、“磕头”、下沉等现象。从盾构机受力角度进行分析，如何解决好盾构机刀盘前的土压力与土仓压力间的关系，如何解决盾构机姿态调整的滞后性带来的影响，如何稳住盾尾成型隧道“摆尾”蠕动现象，如何解决盾构推行过程中浮力过大带来的影响，以及盾构机左右两侧土质不均匀所带来的影响。具体措施如下：
（1）逐步加大盾构机土仓内的压力。在推进过程中，每推进一环土仓压力增加0.01Mpa,将土仓压力增加至比计算压力大0.03~0.04Mpa，掘进速度控制在30~45mm/min，盾构停机拼装管片时土仓保压值设置不宜过大，避免反复保压加剧土体液化。
（2）根据盾构姿态在软弱液化土层中调整的滞后性，将盾构姿态偏差控制值由±30mm，调整为±15mm，用趋势控制法提前对盾构姿态及时进行微调，力争将盾构姿态控制在±10mm以内，以减小盾尾千斤顶分力带来的影响。
（3）同步注浆时，上两孔注浆量应大于下两孔的注浆量；后推进线路靠近已完工隧道一侧，盾构下部注浆孔应少注浆，甚至不注浆，防止盾尾后管片上浮量过大影响盾构姿态。
（4）提高同步注浆质量，增加浆液粘稠性，在配合比中增加膨润土、消石灰和水泥的使用量，提高浆液的填充性和隔水性。
（5）对出盾尾的管片及时二次注浆打环箍，以稳固、控制成型隧道的上浮和摆动。环管片出盾尾后，对盾尾后第4环、第5环时方可用双液浆打环箍，浆液为水泥浆+水玻璃浆液。
（6）每隔8环连续打两道环箍，根据盾构机重心位置、盾构主机重量与浮力差，找出盾构施工平衡姿态，控制好盾构机首尾垂直偏差，使盾构机掘进轴线处于稳定、可控状态。
3.2 如何控制调整好隧道轴线偏差
在软弱液化土层中施工，成型隧道因上部土压力小于浮力而会在管片出盾尾后易出现上浮和摆尾现象，隧道轴线控制容易出现轴线控制也应根据该软弱液化土层相关施工参数来进行相应调整，具体措施如下：
（1）控制好盾构姿态。掘进过程中，控制好盾构机首尾垂直偏差，使之处于一个平衡状态，并利用趋势控制法提前对盾构姿态进行微调，避免盾构机在软弱液化土层中因惯性较大，调整出现滞后性，导致盾构开行线偏离隧道设计轴线过大。
（2）提高同步注浆施工质量。调配好浆液质量，适当加大膨润土、消石灰及水泥用量，以增强浆液的可填充性和粘聚性，防止浆液在软弱土层中流失，但水泥量不宜超过55kg/m3，防止注浆泵受堵。同步注浆压力宜在设计基础上根据盾尾后侧地面沉降量情况适当微调。
（3）合理设定地面沉降控制值。盾构机前30环位置，应严格控制地面沉降量，日沉降量应控制在-3~﹢2mm之间，累计沉降值应控制在-20~﹢10mm之间，以既有微隆起又有微沉降为佳；盾构机除穿越建构筑物、管线外应严格控制盾尾后侧地面沉降量，控制值应小于日变量3mm，累计变量20mm。
成型隧道上浮现象，一般为隧道顶覆土厚度不大上部土压偏少，盾构机穿越层为流塑性较大、透水性差的软弱层，致使施工时隧道的浮力大于上部土压力。因此，如在道路下、周边影响范围内无建构筑物及管线的路段，盾尾后侧地面沉降控制值宜适当放大，日变量控制在5mm以内，累计变量不变仍未30mm。
（4）控制好盾构土的含水量和出土量。在软弱土层中施工，盾构机土仓压力应比计算值大0.04MPa左右，增大部分的土仓压力应逐环缓慢增加，每环递加0.01MPa，以保持前方土体稳定和压缩土仓内土体的含水量。避免出土过多和超挖现象，使出盾尾后的隧道管片上浮量加大。
（5）将管片环向螺栓在拼装时一次性打紧，确保每环管片的圆度和稳定性。纵向螺栓在出盾尾前通过两次复拧务必拧紧，保证环与环间的可靠、稳固连接。连接管片的螺栓杆，应使用粗螺杆，已约束管片间的变形，增强隧道的整体性，约束管片间的变形和上浮量。
（6）将盾构掘进轴线适当调低，低于设计轴线30mm左右，以抵消管片上浮引起的隧道轴线偏差。
（7）富水砂层盾构施工应严格控制出土量，出土量宜为控制在理论值的。调整好土压、推力、避免出土过多和超挖现象，使出盾尾后的隧道管片上浮量加大。
（8）对出盾尾管片，每隔4环打一道环箍，二次注浆浆液为水泥—水玻璃双液浆，注浆量加上相邻两环按三环计算。
3.3 如何防止管片出现边角碎裂、错台、渗漏
盾构在软弱液化土层中施工，因推力过大、传力衬垫粘贴不合理、成型隧道不稳定、盾构姿态不易控制、管片防水施工质量控制不到位等因素导致拼装的管片容易出边角碎裂、错台偏大、渗漏等质量通病现象。经开展QC活动和实践，采取以下措施可有效避免上述质量通病。
（1）针对盾构施工姿态不易控制，应采用趋势控制法提前对盾构推进姿态进行纠偏，提高盾构姿态控制精度，使盾构机掘进姿态与管片拼装姿态均处于平衡受力状态，避免急纠、猛纠现象，推力和推力差过大。
（2）根据上环管片的盾尾间隙和超前量，合理选好管片拼装点位，确保盾尾间隙在允许范围内，环与环间拼装轴线尽量与隧道设计轴线一致，管片间过渡平顺，螺杆能顺利穿入。
（3）管片遇水膨胀止水条、止水带应粘贴牢固，避免起拱、脱落、偏位现象发生，确保管片拼装时，管片与管片间、环与环间止水条、止水带能紧密挤压在一起。如图2-1所示：
图2-1：管片传力垫及防水条粘贴图
（4）管片间的传力衬垫的作用主要有两个：一是防止拼装管片时管片间的碰撞、挤压使管片边角出现破坏和裂缝；二是作为管片内侧衬垫，抵消管片外侧遇水膨胀止水条、止水带挤压后的凸起量，确保环内管片拼装的圆度，防止隧道纵缝外侧开口过大、内侧挤压破坏。因此，传力衬垫宜采用宽衬垫，厚度宜与遇水膨胀止水条、止水带挤压后的凸起量大体一致，以充分发挥遇水膨胀止水条、止水带的防水效果和环管片拼装圆度。
（5）拼装环内管片应使管片接缝平顺，错台控制在2mm以内，环管片在拼装时应将螺栓拧紧，环管片拼装完毕务必一次性复拧到位，以确保每环管片拼装圆度和整体性，减少管片间因错位、开口而导致的渗漏。
（6）环与环间管片拼装应平顺、圆度一致，管片环缝遇水膨胀止水条、止水带能重合、紧密挤压在一起，宽传力衬垫厚度满足均匀受力条件。
（7）在同步注浆浆液配合比基础上，适当增加消石灰、膨润土含量，使浆液的粘聚性和填充性增强，并对隧道渗水部位具备自我修复功能。
（8）通过对出盾尾的管片，每隔4环打一道环箍的方式来增强隧道的自稳性能，降低盾尾后侧成型隧道的摆动，引起的渗漏现象。
3.4 地面沉降量控制措施
在软弱液化土层进行盾构施工，地面沉降按盾构机为界，分为盾构刀盘前地面沉降和盾尾后地面沉降。盾构开行线影响范围内如果无建（构）筑物的在保证施工安全、成型隧道质量，允许地面沉降在可控监测范围内；如果盾构开行线影响范围内有建（构）筑物、管线等必须严格控制地面沉降，应尽可能向0沉降量靠近。
刀盘前地面沉降控制主要通过调整盾构土仓压力、减少出土量大小来控制地面沉降，特殊情况可以通过超前注浆管对刀盘前土体进行固结，以防止沉降量过大；盾尾后地面沉降主要通过同步注浆、二次注浆的方式进行控制，特殊情况可采取连续用水泥——水玻璃双液浆打环箍的方式进行沉降控制。
盾构机在穿越重要管线和建（构）筑物前，应提前调查、分析管线和建（构）筑物基础能否承受盾构开行不均匀沉降所带来的影响。正常情况下混凝土条形基础、筏板基础、复合桩基础能承受、平衡一定量不均匀沉降给建筑物所带来的影响；但砖基础的建（构）筑物因基础整体性差，对抗拉、抗剪、抗弯承受能力较低，难以通过自身基础结构来平衡不均匀沉降带来的影响，应由基础加固单位编制专项基础加固方案对基础进行补强和加固处理。
3.5 其他事项预防措施
在软弱液化土层中盾构施工，盾构机因土体软硬不均、千斤顶推力角度偏大、成型隧道自稳性差、注浆量及压力偏差过大、隧道外侧土体挤压力偏小等原因，均会对盾构施工产生一系列的不良影响。根据施工经验，在软弱液化土层中常见问题的预防处理措施如下：
（1）同步注浆浆液窜入土仓。可采用“多环缓慢间隔闷推加压法”，逐环减少出土量，使得周边土体紧紧裹住盾构机，同时采取降低注浆压力、间隔注浆法进行同步注浆，可有效防止浆液向前流窜。
（2）管片拼装期间土仓土压下降过快。通过逐环加大土仓压力，多环累积闷推法将盾构机前方土体挤压密实，以前方地面出现起伏式微隆起为控制标准，在盾构机掘进结束前向前“闷推”5~10cm，使土仓上部传感器压力大于推进压力0.03MPa，并在推进结束前适当加大注浆压力。当盾构机处于拼装状态时应避免反复加压，使盾构机处于自平衡状态，防止周边土体液化，导致盾构姿态改变和土压下降过快。
（3）盾构机出土过稀。可在推进过程中逐步加大土仓压力，使上部土压力比计算值大0.03~0.05MPa之间，具体大小根据现场出土状况进行调整；在出土过程中，土仓闸门应逐步打开且不宜过大，尽量保持连续、平衡出土状况。
（4）同步注浆量过大。为避免同步注浆量过大，首先应尽量减少盾构机出土量；其次需提高浆液质量，将细沙改为中细沙并适当增加水泥、消石灰、膨润土掺量；第三、同步注浆压力不宜过大。
（5）土仓出土出现涌水涌砂。为避免该情况发生，盾构应缓慢推进并逐步增大土仓压力，将水憋出土仓，并且出土时开口率不宜过大，应使出土保持连续性和均衡性。
（6）各注浆管注浆量及压力设置。在软弱液化土层，如果管片出现上浮应根据实际情况适当加大上部两孔注浆量和注浆压力；若后推的隧道，盾构上部两孔注浆量应大于下部两孔注浆量，靠近已完隧道一侧两孔注浆量应适当小于外侧两孔注浆量。注浆量和注浆压力应根据地面沉降和上部建筑沉降量控制值进行控制。
四、结束语
总之，盾构机在软弱、呈流塑状态的液化土层中施工管片拼装出现较大错台、边角裂缝、渗漏、地面沉降过大、成型隧道轴线偏差大等质量通病比较难以根治，但只要我们只要抓好每一道工序质量、每一个施工细节、使用的材料机械符合设计及施工要求，营造一个和谐、奋进的施工团队，采取恰当的措施和方法施工是攻克质量通病，确保施工质量的重要要因素。