盾构掘进中地面塌陷加固技术摘要：盾构掘进过程中，由于不良地质、机械故障等因素引起掌子面的不稳定而坍塌，进而引起地面塌陷，导致影响工程的正常进展。分析广州地铁某盾构区间在海边出现的地表塌陷原因，介绍采取的加固技术措施，为盾构施工积累经验教训。关键词：盾构掘进；地面塌陷；原因分析；加固措施 盾构施工已经广泛用于地铁工程建设中，但同时在施工中也发生过各种各样的施工事故或故障。总结事故或故障的经验教训，对今后类似工程施工的预防和应对，对降低盾构工程的风险，保证盾构工程安全顺利的实施，有借鉴指导意义。1工程概况1.1工程范围 广州轨道交通4号线大学城专线仑大盾构区间，北起仑头后底岗盾构始发井始发，经仑头村穿越仑头海至官洲岛，到达官洲站，通过官洲站再次始发后经官洲村、官洲河，至大学城吊出井，总长为2826.5m，其中盾构法区间隧道为2301.3m。1.2施工情况 2005年2月12日22时右线盾构机掘进至YDK17+225时(第686环)，螺旋输送机出口闸门出现突水、喷涌现象，大量淤泥喷出，稀粥状的淤泥全部从出土口流下，少量风化岩块被输送至渣斗车。海面发生冒泡现象，大量泡沫溢出海面上，同时海岸堤坝和水闸相继发生下沉变形与开裂。2 塌陷原因分析2.1地质方面 从该区间的地质纵断面来看,隧道结构处于强风化混合岩、中等风化混合岩、微风化混合岩地层中，离结构顶部0.7m是淤泥层（图1）。而在工程地质补充勘察报告更显示是淤泥层、中等风化混合岩、微风化混合岩地层，淤泥层已经侵入隧道结构内，这是典型的上软下硬地层，不利于盾构掘进。
2.2盾构掘进方面 盾构以土压平衡模式进行掘进，盾构掘进过程中的前一次换刀是在576环，至685环已掘进了110环，而且所掘进的地层均为强风化混合岩、中等风化混合岩、微风化混合岩地层，这种地层对刀具的磨损影响较大，掘进了110环，刀具应该磨损已经比较严重了。盾构机此时掘进速度为1～4mm/min，推力19500～23000kN，扭矩3400～4000kN·ｍ，渣土温度55℃。由此可以判断盾构机无法正常切削岩石掘进，刀具磨损严重。由于盾构无法正常切削硬岩掘进，刀盘、刀具就几乎是在原地磨压岩面，淤泥质土源源不断地进入土仓，螺旋输送机输出的只能是淤泥质土，所以螺旋输送机闸门出现严重的突水、喷涌现象，大量淤泥喷出，稀粥状的淤泥全部从出土口流下。2.3海面方面 当时海面上出现大量的气泡，同时白色的油脂泡沫源源不断地溢出，并迅速布满周边。从船上用竹竿往下插，冒泡处地表比周围低1m左右。退潮后发现该处塌陷成一个深凹。根据地质详勘资料，此段地层从上至下依次为淤泥层、淤泥质粉细砂层、中粗砂层、强风化混合岩、中等风化混合岩，盾构穿越地层为淤泥层、强风化混合岩、中等风化混合岩。发生地面沉陷后，盾构机土仓内充满土体，部分为淤泥质土，其上中粗砂地层发生下陷，造成盾构上方地层与地表连通，所以出现冒泡和泡沫溢出的现象。 从上述３个方面分析可以看出，在此段地层由于盾构机刀具磨损严重，无法正常掘进，导致淤泥质土源源不断进入土仓，同时土仓所建立的压力，击穿中粗砂，致使地层与地面连通。由于盾构机刀具已经严重磨损，无法对前部的中风化及微风化岩进行掘进，同时地层与地面已经连通，无法使土仓压力保持稳定，无法进行带气压作业。因此需要进行地层加固来稳定掌子面进行换刀作业。3加固方案的实施 由于塌陷是在海蔓滩(亦是水闸进出口)，所以最初的加固方案是，在加固之前先行筑岛。官洲岛是个四面环水的岛屿，周边无道路、无材料，只能通过运沙船，进行吹沙筑岛。在水闸的上下游，分别用编织袋堆码宽度2m的挡土墙，高于涨潮水位1m，利用吹砂机向中间输送砂子。完成筑岛后，在盾构机刀盘前0.8m钻1排φ1200mm、C30素混凝土桩，共13根，桩底至中风化岩面，桩间止水采用旋喷水泥浆。素混凝土桩前进端采用3排φ600mm旋喷桩，桩底至中风化岩面。素混凝土桩后退端采用5排φ600mm和2排φ300mm旋喷桩，桩底至盾构机。加固方案见图2。
最初的加固方案确定后，在施工钻孔桩过程中，成孔进尺相当缓慢，从钻出的渣样看是花岗岩片石。经调查，原有堤坝基础施工时有回填片石（是花岗岩片石），并且堤坝基础为钢筋混凝土结构。这样，钻孔桩和旋喷桩的施工都极其困难和相当缓慢。因此，必须对原有加固方案进行修改，以适应工期的需要。考虑到该处无法运输混凝土，要灌注混凝土只能通过用船从海上运输，并且泵车也得用船运来，并在船上进行灌注混凝土，由于海水的涨退潮关系，混凝土的输送管道需100多米长，在海面上难以架设。因此，加固方案修改为利用旋喷桩＋斜打袖阀管至盾构机顶部然后进行压注水泥浆，改善淤泥层范围内的土质，增强强度。加固宽度为3m，刀盘前进端1m，刀盘后退端2m。在隧道右侧以旋喷桩加固，刀盘后面加固深度到达盾构机外壳，刀盘前面加固深度到隧道中线。由于刀盘处左侧位于水闸底板，在侧面利用袖阀管注浆加固。修改加固方案见图3。
修改后的加固方案，共完成旋喷桩47根，旋喷压力达23MPa，其中左后方完成19根，右后方完成28根，水泥用量为79t；完成袖阀管64根，袖阀管注浆压力为1MPa，其中东侧完成30根，西侧完成34根，水泥用量为92t，水玻璃用量为10t。旋喷桩及袖阀管施工时均加入了一定量的速凝剂，达到缩短凝固时间的效果。 2005年2月28日加固施工完成，3月3日下午对加固体进行了部分抽芯检查。共抽芯2个孔，抽芯深度为地面以下17～22m，部分抽芯照片如图4。从抽芯取样情况来看，从17m即有浆液扩散，加固体内浆液扩散较均匀，19m以下深度取样较连续，在21.5～22m范围有全风化混合岩地层出现。抽芯程段状，不连续，其原因可能是加固不均匀所致，不适合进行敞开土仓换刀作业。经研究分析，认为加固过程中注进了220t水泥，掌子面应该有一定的稳定性，因此，决定土仓带压换刀作业。带压换刀作业从3月13日开始，到4月6日换刀作业完成，共用25天时间，更换单刃滚刀28把，双刃滚刀4把。换刀作业完成后恢复掘进，盾构机运转正常。4结束语 本次盾构机施工过程中出现的地面塌陷问题，经过采取科学合理的加固技术措施，地面塌陷得到了控制，这对今后的工作有很好的技术借鉴作用，可总结如下几方面经验。 (1)根据刀具配置情况，收集刀具在各种地层的磨损程度，同时根据本项目的盾构机在相同的地质条件下掘进的磨损情况，来判断刀具对地层的适应性，并分析判断在掘进多长距离时，需要开仓检查刀具。本次地面塌陷就是忽视了掘进距离与刀具磨损情况的分析，在强风化混合岩、中等风化混合岩、微风化混合岩地层地层中掘进110环，而未检查换刀。导致盾构机遇到不良地层时就无法正常掘进。 (2)施工过程中要注意检查、记录土仓温度及排出渣土的温度，当渣土温度比正常情况偏高时，要注意检查刀具。本次施工过程渣土的温度明显很高，人在隧道内行走感觉比平时热很多，所出的渣土都冒热气，但这些情况没能引起各方的警惕，耽误了及时开仓的时机。 (3) 勤检查、勤换刀应作为盾构施工管理的常理。本次地面坍塌，其中一个原因就是当初分析前方有仑头海断层，估计会喷涌严重，不利于开仓检查，所以没有对刀具进行检查，错过了换刀机会，以致遇到上软下硬地层时就无法掘进了。 (4) 盾构施工要特别注意分析整个项目的地质情况，对不良地层要充分分析其对施工所可能产生的影响，并采取有针对性的处理措施，而不能有侥幸的心理。 (5) 采用斜打袖阀管加固是本方案最成功的地方，解决了钻孔桩难以成孔、进尺缓慢的困难，极大地缩短了加固时间。袖阀管加固可以推广应用到其他需要加固的工程中。
