石磊 譚嘯峰 歐繼峰

摘 要：土壓盾構掘進施工過程中，地表發(fā)生較大面積的沉降超限事故，在對沉降前盾構機掘進和操作情況進行了仔細分析后，本文結合沉降處的工程水文地質條件和盾構機掘進參數(shù)，深入分析了地面產(chǎn)生較大沉降的原因，并提出了處理措施。

關鍵詞：復合地層；盾構掘進；沉降事故分析

1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間隧道采用土壓盾構法施工，隧道下穿廣州珠江水產(chǎn)研究所。據(jù)地質詳勘資料，該處地基為古河道回填而成，隧道埋深8.2～17.2m，當盾構通過時，隧道頂部覆土為①人工填土、②-1淤泥，主要穿越的地層為⑦強風化泥質粉砂巖、⑧中風化泥質粉砂巖、⑨微風化泥質粉砂巖層，少部分穿越②-1淤泥、②-2淤泥質土、②-3蠔殼片中粗砂、③-2中粗砂，多次穿過砂層、淤泥及中微風化砂巖層的混合地層。

2 事故說明

左線盾構機掘進至542環(huán)前，挖掘面為全斷面紅層，采用土壓平衡模式掘進，土倉壓力為0.15MPa。當推進油缸行程至1.1m時，渣樣中出現(xiàn)②-3蠔殼中粗砂、②-2淤泥質粉細砂、②-1B淤泥質土，采用土壓平衡模式繼續(xù)掘進，土倉壓力提高至0.25MPa，嚴格控制出土量。

盾構掘進第544環(huán)推進油缸行程至1.5m時，螺旋輸送機液壓閘門被硬石卡住無法完全關閉，從閘門開口處涌出2m3渣土。此時機頭上方魚塘出現(xiàn)冒氣泡現(xiàn)象，影響范圍直徑約為2m。

盾構掘進545環(huán)，泡沫管路經(jīng)常堵塞難以疏通，掘進各參數(shù)突增，渣溫升高，推進速度減慢，出土量增多達到6.5斗，出渣時有大量石塊卡住螺旋輸送機液壓閘門，造成閘門不能完全關閉，出土無法有效控制，此時地面魚塘出現(xiàn)冒氣泡、水柱等現(xiàn)象，影響范圍直徑約15m。

盾構掘進至565環(huán)時，隧道上方道路突然出現(xiàn)大面積沉降，最大沉降量達到283mm，沉降范圍為直徑約15m。

3 事故原因分析

3.1 地質預判失誤

由于地面魚塘密布，且其內(nèi)養(yǎng)殖為珍貴的科研魚苗，地質鉆機無法在隧道上方的魚塘內(nèi)鉆孔，地勘孔間距較大，導致其與實際地層出入較大。在地質條件不準確的前提下，很難提前調整盾構掘進參數(shù)以防止地面沉降，而只能從地面沉降情況被動反映目前掘進參數(shù)的準確性再進行調整。地層預判失效，在中、微風化紅層中強行建壓，影響泥餅的發(fā)育。

3.2 掘進時遇到孤石，突發(fā)噴涌

第544環(huán)，隧道內(nèi)部分⑦全風化泥巖，部分蠔殼中粗砂層，渣樣分析此時含砂量達到了40%，其中夾雜大量孤石，盾構掘進時出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。螺旋輸送機液壓閘門被硬石卡住無法完全關閉（閘門開度11%），從閘門開口瞬間涌出2m3渣土，土壓力下降后迅速上升。采取反轉螺旋輸送機，將渣土強行反壓回土倉，控制住噴涌后立即組織人員敲打石塊，此時仍有部分渣土不停的從閘門涌出，0.5h后閘門才得完全關閉。隨后恢復掘進，將本環(huán)掘完，渣土中已存在少量石塊，此時地面魚塘開始出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象，影響范圍為直徑2m。在之后幾十環(huán)掘進過程中，都有出現(xiàn)閘門被孤石卡住的現(xiàn)象，造成土倉壓力難以控制。

3.3 土倉內(nèi)結泥餅，掘進速度慢，對土體超挖

第545環(huán)，渣土主要為紅層巖塊，含砂量逐漸增多，盾構已進入上軟下硬段，掘進參數(shù)異常，推力、扭矩、渣溫同時上升，掘進速度降低，出渣時出現(xiàn)大塊粉狀土團聚塊，土塊溫度內(nèi)高外低。根據(jù)種種參數(shù)及出渣情況觀察，判斷盾構機土倉內(nèi)已結泥餅，造成盾構機平均推進速度只能達到10mm/min，該環(huán)掘進用時共6h。盡管盾構機推進速度非常緩慢，但是盾構機刀盤仍然處于轉動狀態(tài)，而且千斤頂推力一直持續(xù)在1500kN，扭矩也居高不下（3000kN·m以上）。但由于上部為軟弱地層，無法減壓進入土倉清除泥餅造成了惡性循環(huán)。

下部硬巖不斷的被磨動但是進入土倉的較少（土樣分析的結果也是如此），而上部砂土則在刀盤的不斷攪拌下源源不斷的往艙內(nèi)涌入，滑動面不斷擴展，砂土內(nèi)的拱線上移，內(nèi)部掏空范圍不斷擴大，最終拱上土體在自重作用下塌陷，表現(xiàn)為地面魚塘底部沉降、冒頂，土體塌陷掩埋刀盤造成扭矩突增，刀盤扭矩在掘進時瞬間達到6000kN·m。

3.4 土倉壓力偏小，未精細化控制出土

盾構掘進過程中土倉壓力比理論計算的水土側壓力略小，而上覆淤泥層在土倉壓力不夠的情況下，在掘進過程中靠近土倉的淤泥被上部淤泥的土壓力擠壓進入土倉。同時，隧道斷面內(nèi)紅層、砂層、淤泥層等多種地層比例不斷變化，而每種地層的松散系數(shù)差異較大，造成出土量的大小也隨之變化，但在實際施工中對出土量沒有根據(jù)地層比例的變化不斷調整對出土總量的精細化管理和控制，造成出土量差值累計，形成大量土體超挖。

4 事故處理措施

針對已出現(xiàn)的沉降超限事故，采取了以下措施，以制止地表沉降擴大化，確保盾構機安全通過沉降超限區(qū)域。

（1）采用袖筏管注漿工藝加固沉降路面范圍內(nèi)10m厚軟弱地層，注漿孔最小間距為2m。通過注漿加固后，該段路面沒有出現(xiàn)進一步沉降，有效保護了周圍的建筑物。

（2）當出現(xiàn)液壓閘門出現(xiàn)被粗礫石卡住的現(xiàn)象時，及時采取以下措施：

①反轉螺旋輸送機，給渣土以反作用力，減少渣土涌出速度。

②停止刀盤旋轉，減少刀盤對土體的擾動，防止上部軟弱土層被擾動后松弛而塌陷，進入土倉后使土壓力上升造成螺旋機出口壓力增大。

③將螺旋機出土口液壓閘門迅速開合，利用螺旋機內(nèi)渣土壓力將卡住閘門的的粗礫石沖開至皮帶上，重復此動作至液壓閘門開度為0，證明粗礫石已被沖開。

④向螺旋輸送機里注入聚氨酯，注入該溶液后與渣土中水分反應，立即形成膠狀物體，大大降低了渣土的流動性，在螺旋輸送機內(nèi)部形成土塞效應，減少噴涌。

（3）確保掘進速度與出土速度相匹配，保持土壓力在計算土壓力±20kPa以內(nèi)，對于出渣總量進行精細化管控。

（4）加大注漿量，每一環(huán)管片背后的注漿量應≥6.5m3，確保地面沉降范圍不再向前擴展，增加輔助添加劑量，改善渣土的和易性，在增加泡沫量達不到效果時，可以考慮改用膨潤土泥漿或高分子聚合物。

（5）加強監(jiān)控測量，并及時根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)調整掘進參數(shù)，特別是出土量、土倉壓力，注漿量等參數(shù)。每天進行兩次土樣分析，進行土質鑒定。

（6）在掘進速度極其緩慢，刀盤推力、扭矩、渣溫持續(xù)增加的情況下，開倉清除泥餅并更換刀具；當?shù)孛娌痪邆浼庸虠l件時，可采用分散劑進行清洗刀盤，清除部分泥餅。

5 總 結

地質條件是盾構隧道施工中的基礎，當由于復雜地面環(huán)境而造成無法進行地質勘探工作時，給施工帶來了無形的風險，使施工處于被動狀態(tài)。

沉降只是隧道掘進中土體置換的表現(xiàn)形式之一。根據(jù)地質特點控制出土量可有效減少地面沉降或隆起現(xiàn)象。出土量的控制是被動的，其主要依靠推進速度控制以及土壓力控制來實現(xiàn)。當推進速度緩慢時，加大了對土體的擾動，使更多的土體被切削后進入土倉，造成出土量無法控制；當土壓力較小時，土體應力釋放、松弛而塌陷，進入壓力倉后造成出土量無法控制。但沉降出現(xiàn)后，二次補充注漿是減少盾構掘進后期沉降最常見同時也是最有效的手段之一。