【摘要】：目前很多地区盾构施工穿越砂卵石地层诱发的滞后地表塌陷问题成为关注焦点，而导致地表滞后塌陷现象的根本原因是地层损失和土拱效应，因此研究导致盾构施工地层损失的原因意义重大。本文根据施工地带砂卵石地层盾构施工实际情况，总结出了在砂卵石地层中盾构施工引起地层损失的主要影响因素（地层特性、和施工辅助措施）；并针对不同地层损失，提出了相应的施工对策。
【关键词】：砂卵石地层；地层损失；影响因素；施工对策
中图分类号： TU74 文献标识码： A
前言
盾构穿越砂卵石地层引发的滞后地表塌陷问题是目前施工地区盾构施工的关注焦点，主要表现在盾构施工过后，会形成突发滞后地表塌陷，地面塌陷范围较大，塌坑体积从几方到几十方不等，严重影响人民生活的安全稳定，造成一定的社会不良影响，诱发滞后地表塌陷现象根本原因是过大的地层损失，因此本文着重研究影响砂卵石层盾构施工的地层损失原因及施工对策。
一、砂卵石地层特性对地层损失的影响
盾构在粘土地层和砂土地层中施工，地层损失后会同时引起地面变形，滞后效应不明显。而在砂卵石地层中盾构施工引起的地层损失有三个显著特点：首先砂卵石地层盾构施工后土体成拱效应明显，土体内部会形成空洞；其次由于砂卵石地层特性，地层损失量较大；另外，地层损失引起的变形有滞后效应和突发效应。
1、土体成拱作用对地层损失的影响
砂卵石地层在未被扰动的情况下，颗粒之间接触较紧密，颗粒之间的咬合力较大，在一定范围内能表现出一定的自稳能力。砂卵石地层盾构掘进过程中，开挖面前方土体受盾构掘进扰动后，土体基本可分为强烈扰动区域、过度区域和未被扰动区域。在强烈扰动的区域，土体颗粒接触力明显降低，颗粒流动现象明显，该区域能够形成一定范围的空洞；过渡区和未被扰动的区域由于颗粒移动和应力调整，能够形成具有一定承载能力的土拱，土拱可暂时承受上部地层的土压力而不发生垮塌。
2、砂卵石地层力学特性对地层损失的影响
砂卵石地层主要由颗粒粒径较大的卵石组成，主要依靠颗粒之间的点对点进行接触和传力，颗粒之间填充着细小的颗粒和水分，因此颗粒之间存在着一定的粘聚力和毛细力。颗粒之间的毛细力和粘聚力很容易受外界因素干扰而发生较大的变化，在极端的状况下变成完全的松散体，产生颗粒流动现象，因此这种土层在受力上很不稳定，是力学不稳定的土层。这种土层极容易受外界施工干扰而发生较大力学性能改变，当盾构机刀盘旋转切削时，刀盘与卵石层接触压力不等，刀头震动切削，引起周围砂卵石地层产生强烈的扰动和变形，颗粒之间产生松动变形，开挖面周围的砂卵石土层力学性能迅速下降，因此开挖面容易整体失稳或局部失稳，开挖面失稳引起盾构超出土是必然的结果。
3、砂卵石中大粒径卵石对地层损失的影响
由于砂卵石地层卵石粒径分布不均匀，密实度、颗粒粒径和含量在地层中分布的差异性和随机性非常明显。土层里随机分布很多大颗粒漂石，个别处粒径达到60 cm 以上，而且强度很高，普遍抗强度在100 MPa 左右。在盾构掘进过程中，大颗粒漂石不能顺利进入土舱，由于强度和硬度都很高，也不会被轻易地挤碎，因而随着盾构掘进始终位于开挖面前方。由于这种现象的存在，需要加大推力才能使盾构推进，但盾构掘进速度缓慢，同时加大了盾构对周围土层的扰动，开挖面的支撑力主要由大颗粒粒径承受，其他部位容易坍塌，因而通常这种情况很容易产生超挖。
4、砂卵石注浆浆液易流失加大了地层损失
砂卵石地层的孔隙率大，地层的渗透系数较大，由于同步注浆通常为单液浆，单液浆的固结时间长，通常能达到十几小时以上，因而由于渗透和重力作用，同步浆液容易向地层渗透，导致同步注浆的浆液流失，降低了补偿地层损失措施的效果，从而也进一步加大了地层损失量。
二、施工措施对地层损失的影响分析
1、砂卵石地层气压保压困难
砂卵石地层由于稳定性差，因此通常必须采用气压法辅助施工。在砂层或砂卵石地层中必须在开挖面形成一定厚度的泥膜才能保证气压对开挖面的压力作用，当单个卵石颗粒脱离土体暴露在空气中时，空气压力的大小对它已经没有任何的作用；而砂卵石地层的透气能力强、地层较松散，颗粒受扰动后很容易从土体脱离而暴露在空气中，因而开挖面保持气体压力困难。
2、盾构开挖面上部土体泥膜形成困难
砂卵石地层由于稳定性差，因此通常必须采用气压法辅助施工。气压法辅助施工时，在砂层或砂卵石地层中必须在开挖面形成一定厚度的泥膜才能保证气压对开挖面的支撑作用。当单个卵石颗粒脱离土体暴露在空气中时，空气压力的大小对它已经没有任何的作用，因此泥膜是保证气压工法效果的必要条件。在盾构掘进过程中，需要向土层内注入一定数量的膨润土、水和泡沫，从而使其在开挖面形成泥膜。
但同样由于重力作用，泥水向下流淌，泥膜的形成部位主要集中在开挖面的中下部，在开挖面上部形成泥膜的可能性相对较小。而盾构通常无法实现满舱掘进，土舱上部经常处于无土状态，因而不能形成开挖面上部泥膜也是导致气压法作用不大和开挖面上部空洞的另一个主要原因。通过上述分析， 土舱充盈土率低和开挖面上部不能形成泥膜的两个因素联合作用加大了开挖面失稳的可能性。
3、地层松散，进出洞门时保持压力困难
盾构进出洞时，首先是盾构端头井附近在施工时已经被扰动；其次，盾构端头井内的土体被挖除，因而减小了开挖土体的支撑作用，降低了纵向土拱作用；再次，盾构进出洞时，土舱容易漏气，因而气压保证很困难。综合这三个因素，盾构进出洞时超出土现象突出。
4、盾构土舱内的土体和易性较差
在目前砂卵石地层中，盾构的主要施工设备采用土压平衡系盾构施工，为了保持土舱内土体比较好的流动性，经常需要向土舱内注入水、膨润土和泡沫剂，增加土体的流动性，从而保证土体顺利排出。由于砂卵石颗粒粒径较大， 因而砂卵石的流动性经常得不到保证，有时由于土舱内的大粒径卵石过多地累积到土舱底部而导致排土不畅，甚至不能排土也是造成超出土的主要原因。 5、注浆压力不合理，注浆量不足
构施工中普遍采用同步注浆及二次注浆方法来减小地层损失，控制地面沉降。在注浆时，应选择合理的注浆压力，当注浆压力大于地层劈裂压力时，浆液可浸入地层、扰动地层，从而加大地面沉降；而过小的注浆压力则不能保证所有空隙被填满。考虑到浆液固结时会有一定量的水份析出并渗入到周围土层，则实际充填浆液的体积会小于实际注浆量，故在注浆时其实际注浆量应大于盾尾建筑空隙体积。当注浆压力不合理或注浆量较小时，会导致地层损失加大。
6、其他原因
在盾构暂停推进时，盾构推进千斤顶漏油而引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。压浆不及时、压浆量不足、压浆压力偏小，这些原因都会使盾尾后周边土体失去平衡状态， 向盾尾空隙中移动，引起地层损失。
三、砂卵石地区地层损失的施工对策
1、卵石处理模式的研究
砂卵石地层盾构设计主要任务是如何降低刀具磨损和对大直径卵石的处理。对卵石处理模式存在两种意见，一种意见是对卵石以破碎为主，另一种意见是对卵石以疏导、通过和排出为主。以排出卵石为主的处理模式必然需要加大刀盘开口率和开口尺寸，因而建立土压平衡相对困难，容易造成出土量过大而引起地表沉降过大，这通常是不容许的。而以破碎为主的卵石处理模式，必然需要减小刀盘开口率和开口尺寸，因而刀具在破碎岩石过程中磨损严重，换刀距离短，开舱换刀风险大，经济上投入也大大增加。
目前，通过在实践中的总结，施工地区盾构施工对卵石地层的处理模式主要是以上提到的两种方法的折中做法。在盾构刀盘设计阶段，处理卵石的主要思路是排小卵石、碎大卵石的处理模式。在施工阶段，使盾构掘进处于一定的非满舱欠压状态，以减小刀具的磨损；同时保证一定的掘进速度，利用砂卵石地层土拱的时空效应，在超出土部分尚未坍塌前进行及时的注浆以弥补可能产生的较大的地层损失。在盾构施工过程中，对每一环的出土量进行称重和测量体积的双重控制，同时与理论出土量进行对比，发现出土量过大的地点及时采用二次跟踪注浆和地面注浆等多种形式弥补地层损失。
2、 刀盘、刀具及螺旋输送器的选型与配置
处理卵石的模式主要通过刀盘、刀具的布置形式和螺旋输送机选型来实现，一旦这些参数确定后，就决定了盾构对地层的适应性。
2.1 刀盘的选择
刀盘按结构形式可分为面板式、辐条式和辐板式三种，主要区别是开口率和刀具的配置不同。辐条式盾构刀盘开口率较大，开挖土体容易进入土舱，优点是刀具磨损低，换刀距离长；其缺点是大粒径卵石进入土舱后，易堆积在土舱底部，螺旋输送机通常不能将其顺利排出，容易造成刀盘扭矩增高甚至卡死，大粒径卵石进入螺旋输送机时容易造成轴承卡断。另外，工作面土压较难控制，易造成地表沉降过大。面板式刀盘优点是能够安装滚刀，可以实现对大粒径卵石的破碎，开口率可以调节，土压相对容易控制；缺点是开口率设置不当、开口尺寸偏小和开口布置不合理时，刀具磨损较严重。
这几种刀盘形式在砂卵石地层中都有应用，通过前面分析，出于对开挖面稳定性和地表沉降控制的考虑，目前对卵石的处理模式主要是排小卵石、碎大卵石，因而目前普遍被接受和认同的是面板式刀盘。
2.2 刀盘的开口率、开口尺寸和开口布置
（1）刀盘开口率和开口尺寸设置
对于容易坍塌的围岩，开口率的设置要慎重。开口率要和盾构掘进能力相匹配，能够保证切屑面的碴土顺利进入土舱，并不会造成土舱内的压力大幅度下降。
刀盘开口尺寸限制了进入土舱内最大卵石粒径。进入土舱卵石粒径过大，土舱内碴土流动性能差，容易形成土舱闭塞；限制进入土舱粒径过小，将导致刀盘磨损速度加快。因此选择合理的开口尺寸对盾构掘进速度、刀具磨损有重大意义。根据对砂卵石地层的分析及以往工程经验，通常盾构刀盘开口率在35%左右能够保证较好的掘进状态；为了避免土舱闭塞和螺旋输送机卡死等现象，刀盘开口尺寸设置可通过最大粒径为300 mm 的卵石为宜。
（2）开口布置
刀盘在旋转过程中，中心部位的线速度较低、离心力较小，若中心部位无开口或开口率较小，容易导致中间部分的碴土不能快速进入土舱，刀具和面板磨损严重，并且容易形成泥饼。因此刀盘开口位置宜尽量靠近刀盘中心，并应适当加大中心部位的开口率。
2.3 刀具的配置
2.4 螺旋输送机的选择
进入土舱的卵石粒径要与螺旋输送机相匹配，大粒径进入土舱后，若螺旋输送机不能将其顺利排出，易在土舱底部大量堆积，造成刀盘扭矩增高甚至卡死。另外，若大粒径卵石进入螺旋输送机，容易形成螺旋输送机被卡死和轴承被卡断等事故，因此刀盘的开口尺寸还应与螺旋输送机能排出的最大卵石粒径相匹配。根据目前的实践情况，普遍采用直径800～1 000 mm 的轴式螺旋输送机。
3、施工过程的主要对策
目前施工地区砂卵石地层盾构施工中，为了减少和预防过大的地层损失，采取的主要对策包括超前地面注浆、洞内二次注浆、地面跟踪注浆、盾构刀盘前方超前注浆等，在进出洞阶段主要使用大管棚和旋喷桩等加固措施。超前地面注浆主要在前方有软弱地层或穿越建（构）筑物的情况，当出土量异常的时候采取洞内二次注浆和地面跟踪注浆联合处理。当遇到漂石土和软弱地层的时候，通常通过盾构刀盘前方超前注浆管进行注浆，以达到稳固地层的作用。
4、不同超出土量等级的施工对策
针对不同的盾构埋深和地层损失量对地表沉降影响的严重性，结合施工地区的盾构实践情况采取对策。当地层损失小于6m3 时，可采用同步注浆方式来补充地层损失；当地层损失小于15 m3时，可采用洞内二次注浆方式和地面同步注浆的方式来补充地层损失；当盾构埋深较深时，可单独采用洞内二次注浆的方式。当地层损失超出15m3 时，通常地层内部的空洞较大，空洞能够反映到地面并形成显著的地面塌陷，因此必须进行抢险。施工措施上必须同时使用洞内二次注浆和地面同步注浆的方式来补充地层损失，地面注浆应同时使用单液浆和双液浆进行加固。采用双液浆的主要目的是快速填充空洞；单液浆的渗透性好，能够最大限度地填充空洞，因此需要同时采用这两种注浆方式来弥补地层损失。
四、结语
本文在研究施工砂卵石地层盾构施工实际情况的基础上，总结了砂卵石地区的地层损失主要影响因素，并结合施工地区盾构施工的实际情况，根据不同地层损失情况提出相应的施工对策。盾构施工困难，但及时总结盾构施工的经验和教训，经过探索通过合理的方式和措施对盾构施工的超挖范围进行注浆回填，同时对盾构通过的特殊地段进行及时处理，可以有效控制地表沉降，降低盾构施工风险。