张翼殷华斌
中交一公局桥隧工程有限公司
摘要：城市的发展，社会的进步，环境的改善，生活水平的提高，这是人们对美好生活的一种向往。而决定这些指标增长的关键又是经济，创造性劳动是社会经济增长的动力，其决定性力量归根又为人。下文根据郑州地铁5号线5标农业东路站-心怡路站盾构区间下穿熊耳河的实际施工情况进行分析与总结。
关键词：全断面细砂层穿越熊耳河
1、工程概况
1.1农业东路站-心怡路站盾构区间
本区间地貌单元为黄河冲洪积平原，隧道结构主要位于细砂层中。区间长度为1215m。线路最大坡度26.78‰，隧道线路拱顶埋深15.7m～23.3m。（其中下穿熊耳河段隧道拱顶埋深为14.7m-15.9m，区间为双向斜角穿越，穿越河段长度左线228m，右线231m，待穿越熊耳河最深水位为3.9m）。盾构机在该区间穿越熊耳河后还要穿越郑河小区1#楼建筑物并截断其桩基础水泥搅拌桩2.6m-3.7m，该建筑物为2000年所建还建安置房。其中左线区间侵入隧道范围内水泥搅拌桩为224根，右线为114根，数量之大，为全国之最，该风险被定为一级风险源。完成郑河小区穿越后推进60m盾构机进入在建的爱东居商业楼盘，该楼盘基础为桩径400mm，间距800mm的CFG桩，其中左线侵入126根，右线侵入198根。桩身强度均为40MPa以上。最后到达接收井完成接收。
2、前期工作准备
2.1盾构机的选配型
因农业路站为地下三层车站，隧道位于高承压水的细砂层地带，盾构机在始发后需克服在大埋深，高承压水的恶劣条件下直接穿越细砂层带这个难关。通过对这些因素考虑并结合图纸的详细了解，以及对相邻标段的实际施工踏勘，据此所悉，细砂层中推进对盾构机配置要求非常高，首先它的推力要比在粘土、粉土等复合地层中高（粘土层一般为10000KN-18000KN左右），其次扭矩也比粘土层中高，甚至高2-3倍（粘土层一般为1500KN•m-2700KN•m左右）。至于到底高几倍其一取决于这个地层情况（比如是粘土、粉土、粉砂、细砂还是粉细砂，是全断面还是半断面夹层等）。其二取决于盾构机的配置（低配、中配、高配，软土刀盘、复合刀盘，电驱驱动还是液压驱动等）。最后取决于盾构机改良系统对土体改良效果的好坏（比如泡沫剂、膨润土、高分子聚合物改良等）。
综合这些因素加之该区间完成熊耳河穿越后还需穿越郑河小区及爱东居两处极密集桩基群，为了避免选型、配置不合理，出现小马拉大车的现象，最终考虑后选用铁建重工DZ188#液驱，外租大冶有色S02#电驱这2台刀盘为面板加条幅式的高配盾构机。
2.2土体改良措施
盾构机在施工过程中能否保证正常开挖与土仓压力的平衡是取决于开挖下来的土能否在土仓形成一种类似牙膏流塑性状态。砂性地层中尤其是全断面砂层，土的粘性细颗粒含量较少，土体的含水量大，透水性强，渗透系数大，在高承压水以及盾构机推力作用下掌子面与刀盘接触面范围造浆困难，砂子会变得越来越密实，刀盘前方土体犹如一块钢板，也是常说的‘钢板砂’‘铁板砂’。为了有效避免这些问题，针对不同地层应采取相应的方法进行土体改良。例如：粘土层中土的粘性颗粒含量多，排出的土比较粘稠比较干硬，若改良不当刀盘切削下来的土无法分散，多为大块大块状，极易造成螺旋出土口堵塞。另外在推进过程中刀盘与土体掌子面不断的接触、摩擦，推力、扭矩等各项参数偏大，刀盘温度也偏高，此时为了降低这些施工参数，盲目选用膨润土去改良不仅起不到改良作用还会加大施工难度。膨润土本身提取于粘土中，自身粘性非常高。在推进困难，出土不畅，刀盘温度偏高的情况下注入膨润土，那么膨润土会留存在刀盘跟掌子面以及土仓间，使得待开挖的粘土受膨润土浸泡后变得更粘。这样在油缸推力，刀盘不断转动，渣土不断挤压，会出现类似‘烧砖’现象，导致刀盘开口处粘土烧结，整个刀盘糊住结泥饼。所以正确的改良方法很重要。然而目前国内比较常用的土体改良方法多为：高压加水、膨润土、泡沫剂、分散剥除剂、水溶性高分子等改良方法。
本文根据农-心区间盾构机下穿熊耳河为依托，针对全断面细砂层下盾构推进困难，施工参数偏大，盾尾、螺旋出土口易喷涌等现象，对所做出的几种不同改良措施对比后所悉如下。
2.2.1常规泡沫剂加水改良方法
在前期推进过程中选用常规的泡沫剂以及刀盘、土仓加水的方法进行土体改良推进。此阶段推进时盾构机扭矩3900KN•m-5800KN•m，推力17000KN-26000KN。推进速度14mm/min-26mm/min。同时伴随各种施工参数不稳定波动幅度偏大等现象。依靠泡沫剂和刀盘加水更多的只是起到了润滑刀盘，降低刀盘温度和一小部分扭矩。如停止注入，扭矩会立马升高造成刀盘及推进泵系统跳停。如果连续注入又会导致出渣较稀，皮带带泥困难易滑落，造成盾尾积泥现象严重。更甚为螺旋出土口喷涌。
2.2.2膨润土加泡沫改良方法
（钙基膨润土）：首先采用钙基膨润土经过膨润土池24h膨化后运入隧道，通过盾构机加泥系统注入掌子面及土仓，同时注入泡沫剂加以辅助改良。后来发现改良效果不明显，盾构机扭矩、推力等整体参数还是很高。且因注入膨润土原因，螺旋机排出渣土较之前更稀，螺旋出土口发生喷涌现象次数更多。
（纳基膨润土）：后改用质量更好，粘性颗粒更多的纳基膨润土，按照钙基膨润土的膨化标准再次膨化，其膨化后的膨润土如果冻、豆腐脑状为最佳。改用纳基膨润土加泡沫剂后盾构机扭矩比之前使用钙基膨润土要小500KN•m-800KN•m、推力小1800KN-3000KN、推进速度快了5mm/min-12mm/min。整体施工参数相比之前效果明显，但是出土较稀皮带带泥、掉泥、螺旋出土口喷涌现象依然没有得到根本改善。
（改良型纳基膨润土）：河流段埋深大，水压大，螺旋喷涌，盾尾突涌的频率会更高。为了防止这种现象，再次对注入不同改良材料后的渣土进行对比分析，通过渣土粘稠度发现，出渣普遍较稀，特别加入泡沫、水、钙基膨润土后渣土粘稠度更低，偏稀汤状严重。为了减缓渣土稀汤状最好的办法就是加大土的粘性颗粒，增加渣土的粘稠度，使得渣土有个完整性而不至于那么分散。经过多次对螺旋出土口渣土塌落度测量后不断调整膨润土拌置比例，按照纳基膨润土：水=1：7的质量配比进行充分膨化以后再次改良，可以有效减少螺旋出土口喷涌现象（此时渣土塌落度在130mm-150mm）。若按该比例改良后渣土的流动性还是较大，可以按照60kg/m3配比往膨化好的纳基膨润土中惨入钙基膨润土以再次增加土仓内渣土的粘稠度，保证渣土和易性满足螺旋机抽排土要求。
通过不断的改良试验后，结合现场实际推进情况，我们总结出泡沫剂+水+改良型纳基膨润土的这种办法为最适合该区间全断面细砂层的改良方案。同时为了提高拌置膨润土的效率，采用一种新型的专门用于拌置膨润土和泥浆的剪切泵。剪切泵最大的好处在功效快，1h可以拌置80m3的膨润土量，且不需要长时间膨化，拌置出来后立马投入使用。（剪切泵机对加入的膨润土和水不断剪切，同时进水管可以放到剪切好的膨润土池中抽回来在乳化，这样来回剪切乳化，使得拌置的膨润土效果非常好）。
3、模拟试验段
为选取最合适的盾构参数在下穿熊耳河期间，不对河道、河堤造成影响，提前设置120m的缓冲试验段，其中90m试验段用于几组不同盾构施工参数在该范围模拟过河段推进。30m准备段为最终确定的一组盾构参数按照正式下穿河流段要求进行推进，同时亦可对出现的其它情况进行局部调整。
3.1试验段
为准确计算过河段土仓正面压力，参照前期1.0bar-1.1bar土压参数推进时的地表监测数据，结合过河段的隧道埋深、水位高差，严格按照水土分算进行土压力计算，
其中γ｀——土的浮重度，KN/m3；
Z——土层埋深，m；
k——土的静止侧压力系数；
γ0——水的重度，10KN/m3；
Z0——水位深，m；
最后我们拟采用1.2bar、1.3bar、1.4bar这3组上部土仓压力比计算出的1.17bar高0.1bar、0.2bar进行90m试验段推进。
3.2试验推进
在土压1.2bar推进时相比之前的1.1bar。盾构机整体参数相对稳定没有太大变化。地表监测数据多为单日沉降2mm-4mm。累计沉降5mm-9mm左右。
在土压1.3bar推进时速度由之前的32mm/min-40mm/min降至22mm/min-33mm/min，相应推力增大1800KN-3000KN，扭矩增大800KN•m-1000KN•m盾构机负荷较之前明显增加。地表沉降为单次0-3mm。累计沉降3mm-5mm左右。
在1.4bar土压推进时，推进速度降至13mm/min-22mm/min，扭矩明显增大到4700KN•m-6000KN•m。推力增大到25000KN-29000KN。该组土压下盾构机使用功率达到整机80%-90%。而此时地表无沉降，或者累计沉降不到1mm，且伴随局部微微隆起2mm-3mm。在这个土压下沉降虽得到稳定控制，但因之前修筑河堤河坝回填土太厚碾压不密实，以及土仓压力过高，造成一部分注入面板土仓的膨润土、泡沫串至地面。同理在下穿河流时也会造成河道污染。
3.3盾体润滑
高土压推进时因刀盘前方掌子面至土仓压力大，增加了盾构机的推进负荷，使得推进困难，同时推力通过油缸传递至提供支撑的管片上，造成管片出现崩角破损引起漏浆漏砂现象。为减小盾体与土体间的摩擦阻力，通过盾构机中前盾上的径向注浆口孔注入膨润土，泡沫剂等润滑材料，每次注入0.5m3-1.5m3为宜。这样盾体与土体间多出一道泥膜，起到润滑、减少接触面积，可以在土压一定情况下降低一部分推力。
3.4同步注浆
正常情况下同步注浆压力多在2.5bar-5.0bar，因该区段为隧道纵曲线下坡段而靠河又近地层中水压更高，3bar-4.0bar的注浆压力顶不住壁后水压，在内外压力差别过大情况下，同步浆液通过盾尾注浆管返回盾尾，且在返回过程中壁后至浆管间形成一个通道不但返浆，连带返砂，造成同步注浆管处突涌。
针对浆管返浆情况而不断调整同步浆液配比，设专人对拌置的浆液稠度进行跟踪检测，在调整浆液稠度为11cm-12.5cm时通过加大同步注浆压力，可以有效缓解浆液和砂子回流现象（同步注浆压力在河流段下面达到0.5MPa-0.7MPa）。
3.5二次注浆、止水环
为有效减少壁后水压给同步注浆和正常推进带来困难，每隔5环用二次注浆机注入双液浆形成止水环箍，止水环箍如同一道坝，用以阻挡环箍以后的水流。环箍以内用单液浆填充。这样既减少壁后水压，切断水流通道，减少注浆困难，浆液回流、盾尾突涌等现象。又起到因同步注浆量不够或者砂层浆液缺失快造成地表沉降的一种保证措施。需注意二次注浆一定得在盾尾至少7环以后注入，避免因距离太近，出现浆液糊住盾尾，导致盾构机出现脱困现象。
3.6油脂、泡沫
泡沫剂、油脂消耗材料等因为配比、粘稠度、分散效果不同，实际使用的效果也不同。为保证泡沫的使用效果，首先需要注意检查泡沫发射器是否正常，以及泡沫剂本身的发泡效果。如果泡沫发射器故障或泡沫剂本身发泡效果不好，注进去的泡沫起不到发泡稳泡效果犹如肥皂水一样，无法使需改良的砂子悬浮起来。另外盾尾油脂在不同季节，粘稠度会不一样。稠度不够打进去的油脂无法起到密封作用。农-心区间在过河，穿越风险源等难度较大区段，为保证土体改良及盾尾密封效果达到最优，选用康达特泡沫剂和盾尾密封油脂。
4、施工监测
沉降大致分为盾构机过去前刀盘前方沉降、盾构机过去时盾体上方沉降、盾构机过去盾尾后方沉降、以及后期滞后沉降。为准确找出地面沉降发生在盾构机的哪个部位，提前对试验段及河堤进行5环一个断面的加密点布置。考虑河床布设监测点的难度及不破坏河床前期防渗处理的完整性，扩大到30环布设一个监测点。而后在盾构机穿越河流段过程中监测频率保证4h一次。以便随时调整盾构施工参数，确保盾构机安全顺利穿越河流段。
5、过河段意外情况及处理措施
通过试验段推进，综合对比后选取1.3bar-1.4bar土压进行下穿河流施工。盾构机下穿至河道三分之一长度时，河面不断冒出大股气泡，出现‘烧开水’现象。经排查为用于泡沫改良的气压所致。若停止或减小空气流量，河面恢复正常，但泡沫发泡效果大打折扣，改良效果受限。为解决这种两难情况，首先加装一台挤压泵，通过两台挤压泵加大膨润土的注入量从而替换减少需要气压才能发泡的泡沫量。其次在土压不变情况下，调整土仓内虚土压：实土压=3：7的比例进行推进。避免实压推进困难，以及因土仓没有过多空间而造成泡沫、空气、膨润土串至地层或河面。待最后完成推进前10cm再次将虚土压更换成实土压利于停机保压。
6、实际效果
通过穿河前的充分准备及各种试验对比、模拟推进，左线在完成穿河段后最大累计沉降为4.22mm。右线最大累计沉降为5.38mm。均满足图纸10mm沉降要求。
7、经验总结
a：砂层的自稳性较差，影响范围大。盾构法隧道在埋深小于3D（D为隧道洞径）时，影响范围多为隧道左右边线各1H距离（H为隧道底埋深）。通过该区间推进时1.5H之外树木与地表有明显震感，建议全断面砂层推进时监测范围扩大至1.5H-2.5H间。以保证施工的准确性。
b：砂层滞后沉降时间长，易出现反复沉降，复合地层多为3-5d可以稳定，而砂层需要5-7d。如穿河道，过建构筑物单纯依靠同步注浆、二次注浆不能保证稳定性，需多次进行跟踪注浆。
c：倘若在不考虑盾构机需穿越郑河小区、爱东居这2处桩基群，单从整个区间全断面细砂层而言，选择开口率大的条幅式软土刀盘，施工工效会更高。
d：电驱驱动盾构机对比液压驱动盾构机在砂层，河流段，桩基群等施工难度较大区域段而言，整机功率负荷大，施工工作效率低，自身脱困能力差，泡沫、油脂等消耗材料用量多。
e：设置的试验段尽量靠近待穿越区域段，这样试验段的覆土厚度，水头压力，地质情况等与穿越段最接近。所做的各种试验参数更准确。
f：砂层中同步浆液的流动性和损耗率较大，建议按照理论注入量的150%-200%注入量进行填充。
g：穿河期间建议使用惰性浆液，可以减少浆液堵管频率，捅管难度，以及疏通后引起的串浆串砂现象。
h：砂层及河流段推进时，因地层中水位高、流动性大，为防止后期出现管道上浮，建议高程姿态低于设计20mm-30mm推进。