1、大直径泥水平衡盾构穿越湘江漫滩粉细砂地层塌陷原因分析摘要:本文依托长沙市南湖路湘江隧道工程，分析了工程前期北线隧道开挖时地表发生塌陷的原因，并基于此为后续南线隧道开挖提出了相关的施工控制措施。 关键字：盾构隧道塌陷粉细砂地层掘进参数 中图分类号：U455 文献标识码： A 1 工程概况 长沙市南湖路湘江隧道工程（以下简称南湖路隧道）位于橘子洲大桥与猴子石大桥之间，南距猴子石大桥约 3.0Km，北距橘子洲大桥约3.4Km，江中段位于橘子洲头以南 100m。隧道西起阜埠河路和潇湘大道交叉口并与潇湘大道互通，下穿湘江、湘江大道后与南湖路相接。如图 2-1所示。 图 1-1 南湖路湘江隧道工程位置示意
2、图 根据地质详细勘察报告1，河西漫滩地层状况与工程特性见表 1-1： 2 地层条件因素 2.1 粉细砂地层 南湖路地质详勘资料揭示，隧道西岸北线 NK0435NK0600、南线 SK0684SK0900 为上软下硬地层，隧道洞身下半部分为中风化、强风化砾岩，上半部分为细砂层和粉质粘土层，且地下水充沛，与湘江河水联系密切。粉细砂地层是一种典型的力学不稳定地层，地层反应灵敏，若出现在开挖面，容易产生坍塌，同时粉细砂和卵石地层透水性较强，粉细砂极可能沿卵石层孔隙随地下水流失。因此，盾构在粉细砂地层中施工将存在很大的施工风险，容易发生涌砂、涌水及地表塌陷、地表沉降失控等事故2。 2.2 异常地质状况
3、据南湖路隧道物探报告可知，北线 NK0+537NK0+607 区段，地质异常级别较高、规模较大，反映局部岩体破碎裂隙发育且富水，或由强度更差的泥质粉砂岩引起。因此地质条件可能是导致地表塌陷的一个重要因素。地质异常位置分布及性质见表 2-1。 表 1-1 河西漫滩地层状况与工程特性 表 2-1 南湖路隧道北线地质异常位置分布及性质表（部分） 据南湖路隧道物探成果异常分布图（如图 2-2 所示） ，地表塌陷位置紧邻地质异常区 N1，洞身岩体极可能位于裂隙密集带或断层破碎带。破碎带区域的岩体较为破碎，富含水且自稳能力差，盾构掘进的过程中，刀盘面板受到的推力不均匀，扭矩因此而不平衡，导致开挖面容易发生
4、局部失稳，进而诱发地表塌陷。因此异常地质状况也是导致地表塌陷的一个重要因素。 图 2-2 南湖路隧道物探成果异常分布图 3 掘进模式 泥水平衡盾构工法技术先进、施工效率高、可靠稳定，适合在地质条件复杂，覆土浅、富含地下水，以及对地面的沉降要求高的地区中3。通常会有几种模式：最常用的是泥水平衡模式；其次是气垫模式，是较为特殊的一种掘进模式。武汉的过江隧道、成都的地铁隧道等均采用气垫模式掘进4。 3.1 掘进模式讨论 （1）泥水模式 泥水模式是一种泥水平衡盾构特有的掘进模式，盾构通过泥水加压与泥膜作用来稳定开挖面。此模式具有较强的稳定岩石的功能，但是开挖面支撑压力不能通过在进浆管线的泥水直接控制，
5、影响了盾构控制开挖面岩石稳定性的精度5。 图 3-1 为泥膜形成及所用机理示意图。 （a）泥膜形成 (b)泥膜稳定开挖面机理 图 3-1 泥膜形成及作用机理示意图 （2）气垫模式 气垫模式是指通过调整泥水仓旁边的气压仓内空气压力，从而来间接地调整泥水仓内的泥水压力与泥水高度，进而平衡了开挖面水土压力。相对于传统的泥水模式，能更好的的控制压力精度，保证开挖面稳定。图 3-2 为两种模式对比示意图。 (a)泥水模式（b）气垫模式 图 3-2 两种掘进模式示意图 （3）非典型气垫模式 非典型气垫模式与传统气垫模式不同，其泥水舱下部分为泥浆，上半部分为压缩空气。采用该种气垫模式掘进，盾构机掘进的推力和
6、扭矩出现能耗较小，盾构掘进速度较快，可有效减少刀盘结泥饼概率，但同时也衍生出一些新的技术问题，如在薄弱地层或不良地质条件下，气压透过开挖面破碎岩层到达上覆粉细砂地层，破坏了浅覆粉砂层的稳定，或气压通过开挖面后串击穿上覆浅埋地层导致地层破坏失稳，诱发地表塌陷。 3.2 掘进模式选择 北线河东始发试验段，因采用泥水模式掘进刀盘结泥饼现象严重，频繁的停机开仓清理刀盘既影响施工进度又存在安全隐患，如图 3-3 所示。因此，为避免刀盘结泥饼，项目部尝试停机注浆时将设定为泥水模式，而盾构掘进时，更换为非典型气垫模式。 （a） 刀箱被黏糊 (b) 刀具磨损 图 3-3 现场刀盘黏糊及道具磨损情况 盾构进入河
7、西漫滩区域，隧道穿越地层逐渐由强风化砾岩向卵石层、粉细砂层过渡。南湖路北线河西地表塌陷之前，采用非典型气垫模式掘进，此模式掘进速度较快，但泥水仓泥水量相对较少，膨润土泥浆在开挖面较难形成足以稳定可渗透开挖面的泥膜，地质条件差时开挖面易失稳。 盾构掘进至 600 环时，隧道上覆土地层以透水性较强的粉细砂为主，开挖面及前方区段紧邻破碎带，开挖面未能形成泥膜，粉细砂随掘削地层中的地下水涌入泥水舱，上覆粉细砂地层失稳，导致地表塌陷。因此在进入粉细砂地层区域未能及时更换泥水掘进模式可能成为地表塌陷的一个重要因素。 4 掘进参数 4.1 参数统计分析 由于粉细砂地层与其他地层状况区别较大。通过各地层实际掘
8、进参数对比，可得盾构由强风化砾岩地层进入粉细砂地层掘进参数的变化趋势。如表 4-1 所示。 表 4-1 粉细砂地层与相邻强风化砾岩地层掘进参数均值对比 由上表可知，实际施工过程中，粉细砂地层与其相邻强风化砾岩地层相比较，总推力、刀盘扭矩和泥浆循环流量差增大，掘进速度、泥水舱压力、刀盘转速、泥浆循环密度差减小。 在河西粉细砂地层段掘进时泥水仓压力设置偏低，可能导致前方开挖面水土压力大于维持掌子面稳定所需的支撑力，可能导致开挖面失稳及地表塌陷。 对隧道北线漫滩段 580630 环总推力、刀盘扭矩、掘进速度、泥水舱压力、进、排浆流量和密度等主要掘进参数进行统计，分析盾构在粉细砂地层掘进参数的变化规律
9、。分布曲线及分布直方图如图 4-24-11所示。 图 4-3 泥水仓压力分布曲线及直方图 图 4-4 气仓压力分布曲线及直方图 图 4-5 刀盘扭矩分布曲线及直方图 图 4-6 掘进速度分布曲线及直方图 图 4-9 排浆流量分布曲线及直方图 图 4-10 进浆密度分布曲线及直方图 隧道北线河西粉细砂地层掘进参数统计如表 4-1 所示： 表 4-1 河西粉细砂地层（580630 环）实际掘进参数统计 由上表可知，受不良地质条件影响，粉细砂地层掘进参数总体分布较离散，其中以总推力和刀盘扭矩标准差值最大。具体分析如下： 总推力和刀盘扭矩 总推力平均值 4195KN、标准差 783.980，58060
10、0 环总推力值主要在 30004100KN 之间波动，600 环后数值变大，603611 环总推力集中在 52006300KN 之间；刀盘扭矩平均值 4562，标准差 1174.7，600 环之前，刀盘扭矩持续增大，600 环之后刀盘扭矩在较大波动中呈降低趋势。总之，分析区段总推力和刀盘扭矩数据波动性很大。 泥水仓压力和气舱压力 泥水舱压力平均值 1.3bar，标准差 0.252，整体波动性不大，600 环之前（593600）设置较低，在 1.21.4bar 范围内波动，600 环之后（603609）泥水压迅速上升，由 602 环 1.4bar 突增至 1.9bar；气仓压力平均值 1.6ba
11、r，标准差 0.457，580600 环数据主要集中在1.31.8bar 之间，600 环之后数据离散型大，波动范围 0.92.6bar。 掘进速度 掘进速度受到粉细砂地层复杂的地质条件影响，呈现较大离散型，波动范围 218，600 环之前掘进模式为气垫模式，掘进速度较快，集中在 915mm/min，600 环后掘进模式更改为泥水模式，掘进速度降低，主要在 3mm/min 之间波动。 4.2 地表沉降与掘进参数关系分析 整理 2012 年 9 月 11 日至 2012 年 9 月 29 日盾构掘进参数和 NK0+580隧道轴线测点地表沉降数据（见表 4-2） ，对各参数变化进行拟合，分析各主要
12、掘进参数对测点地表沉降的影响。 说明：切口与测点距离设定为切口到达测点之前为负值，切口通过测点后距离为正值。 表 4-2 掘进参数和测点地表沉降 （1）总推力与地表沉降 盾构千斤顶的推力大小与开挖面的土体隆起与沉降直接有关：如果千斤顶的推力设置过小，会导致开挖面产生失稳，从而引起地表沉降甚至塌陷。当正面土压力与开挖面的静止土压力差值控制在一定范围内时,地层的变形呈线弹性变化，开挖面维持在稳定状态。 如图 4-12 所示，测点地表沉降与总推力值总体上呈负相关性，切口与测点盾构切口与测点相距一倍洞径以外（12m） ，测点沉降随盾构推力增大而减小，盾构切口与测点相距一倍洞径以内（12m） ，测点沉降
13、随盾构推力减小而增大。 由此可知，盾构顶推力设置偏小，将引起较大地表沉降位移，甚至诱发刀盘前方土体失稳。 （2）泥水压力与地表沉降 由图 4-13 可知，切口与测点相距一倍洞径以外，泥水压力逐渐降低，但总推力较大，因此地表沉降值较小甚至有略微隆起的趋势；切口与测点相距一倍洞径以内，随着泥水压力的降低，地表沉降呈现增大趋势。由此可知，泥水压力设置偏低，将可能加剧开挖面前方地表沉降。 （3）刀盘扭矩与地表沉降 刀盘扭矩是盾构总推力、掘进速度、盾构刀盘转速等参数的综合反映。若刀盘的扭矩数值波动过大，则反映出与其相关的主要掘进参数值不稳定，尤其在粉细砂地层中盾构施工，掘进参数的较大波动不利于地层稳定。
14、 由图 4-14 可知，盾构切口到达监测断面之前，刀盘扭矩拟合曲线的反弯点位置，对应测点地表沉降值均较大。由此可知，刀盘扭矩的波动，对前方粉细砂地层的稳定产生不利影响。 综上所述，在盾构切口到达测点断面之前，地表沉降与总推力、泥水舱压力、刀盘扭矩等主要掘进参数密切相关。地表沉降随总推力、泥水压力的降低而呈增大趋势，刀盘扭矩波动亦对粉细砂地层地表沉降产生不利影响。 由 4.1 掘进参数统计可知，地表塌陷前（593600 环）总推力和泥水舱压力设置偏低，且开挖面岩体破碎，自稳性差，导致开挖面失稳，造成地表塌陷；600 环之后，总推力和泥水舱压力大幅度上调，以维持开挖面稳定，恢复正常掘进。综合上述分析，合理控制掘进参数及其浮动范围亦是控制地表沉降，避免地表塌陷的有效措施。 结束语 经分析，认为北线隧道在河西漫滩粉细砂地层掘进时发生了地表塌陷事故是在地层条件、掘进模式、掘进参数、孔隙水压的因素综合影响下发生。具体原因如下： 地层条件：地表塌陷处主要为粉细砂地层，地下水充沛且存在破碎带，该地层渗透系数大，透水性强，上层粉细砂极有可能随地下水流失，是一种典型的力学不稳定地层。 掘进模式：在塌陷发生之前，盾构的掘进采用气垫模式，其掘进速
