合肥轨道交通2号线规划走向基本与长江路全线一致, 沿长江西路、长江中路、长江东路敷设。该线路起自长宁大道站, 经长江西路、长江中路、长江东路, 止于大众路站。线路全长27.76km, 全部为地下线。

合肥轨道交通2号线大东门站—东一环站区间 (以下简称大东区间) 范围内上覆人工填土, 第四系全新统南淝河组黏土、粉细砂、泥质砂岩中等风化层, 粉细砂层有地震液化现象, 围岩稳定性总体较差, 地下水总体较发育, 盾构掘进条件较差。在盾构掘进过程中, 区间YSK31+510.32—YSK31+768段存在喷涌现象。

东门站—东一环站区间隧道主要穿越的地层为 (2) ₆粉细砂、 (5) ₁全风化泥岩、 (5) ₂强风化泥岩、 (5) ₃中等风化泥岩、 (6) ₁全风化泥质砂岩、 (6) ₂强风化泥质砂岩、 (6) ₃中等风化泥质砂岩。

在区间YSK31+510.32—YSK31+768段洞身上部为饱和状粉细砂, 中部为全风化泥质砂岩, 底部为中等风化泥质砂岩, 且粉细砂层富水。盾构富水砂层中掘进存在喷涌的风险, 这是由于如果掘进参数控制不佳, 会有大量水进入土仓, 而砂土不具备保水性, 在土仓内发生水、渣离析;螺旋机排土时, 泥水在水压力作用下从螺旋机喷涌而出。

发生喷涌之后的渣土和水由于不能及时排出, 将大量流入隧道底部, 而且由于螺旋机排土不畅, 掘进速度会明显降低, 土压难以控制, 往往忽高忽低, 将进一步扰动前方土体, 形成恶性循环, 大大影响施工效率, 甚至造成塌方^[1,2]。

盾构在穿越粉细砂地层时采取适当减小盾构机的总推力, 同时减小盾构机的推进速度, 保持土压平衡模式, 平稳、缓速掘进^[3,4]。大东区间左线隧道前100环 (里程桩号YSK32+574.410—YSK32+424.41) 盾构掘进的土仓压力、千斤顶总推力及刀盘扭矩如图1~图3所示。

通过图表数据分析, 总推力控制在9 000~11 000 k N, 掘进速度控制在30~60 mm/min, 刀盘扭矩控制在3 000~4 000k N·m, 现场盾构额定扭矩为5 700 k N·m, 施工实际扭矩为额定扭矩的52%~70%, 以上参数控制在合理的参数范围之内较为合理。最后根据前100环盾构掘进参数采集及地面沉降分析, 进行总结及分析适合本区间较为合理的掘进参数如表1所示。

采用FLAC^{3 D}有限差分软件对盾构下穿热力管线进行数值模拟。计算模型如图4所示, 隧道与地下管道位置关系如图5所示。

为消除模型边界效应的影响, 左右及底部边界距离隧道均大于3倍洞径18m, 计算时取土体水平边界长度63m, 竖向边界长度36m, 纵向边界长度30 m。不考虑地下水渗流与土体开挖造成的应力状态改变之间的相互影响, 采用静力分析模式进行计算。计算时地基土、管片和注浆层用实体单元模拟, 地层土采用莫尔-库伦弹塑性模型 (MohrCoulomb) , 管片和注浆层采用各向同性弹性模型 (Elastic, Isotropic) 。管线选用结构单元中的shell板单元模拟。

图6显示了左线掘进过程中管线最大沉降值, 最大隆起值和差异沉降值的变化规律。选择距离隧道最近, 受隧道影响最大的管线上的x=15.5点作为整个盾构开挖过程中的位移监测点, 位移变化如图7所示。

图6中随着左线隧道掘进, 管线整体呈现向下沉的趋势, 最大沉降值逐渐增大, 最大隆起值逐渐减小, 差异沉降值变化不大。管线最大隆起值6.71 mm, 最大沉降值5.32 mm, 最大差异沉降值9.02 mm, 在控制范围内。左线盾构开挖任意一环时最大沉降值均发生在临近盾构隧道的管线中部, 距离隧道越近, 隧道开挖引起的地层下沉现象越明显, 最大隆起值均发生在远离盾构隧道的管线两边。

图7中开挖右线隧道时, 监测点先产生隆起变形, 最大隆起值5.5mm, 然后隆起变形逐渐减小。开挖左线隧道时, 监测点产生沉降变形, 且沉降变形逐渐增大, 隧道开挖完成后达到沉降最大值4.02 mm。最大隆起变形和沉降变形均在控制范围内。

大东区间隧道线路内, 其中有可能受隧道影响的管线有YSK31+650—YSK31+850处管径600 mm、埋深2.55~3.28 m污水管;YSK32+530—YSK32+550处管径4 m×2.1 m, 埋深3.6 m污水管涵。沉降对管线影响较大, 需加强监测。为此, 大东区间盾构施工过程中, 对地表沉降和上覆地层中的管线沉降进行了监测^[5], 如图8, 9所示, 选取黏土层与粉细砂层道路、管线沉降监测资料, 通过数据进行对比分析。

由图8, 9可见, 在盾构穿越粉细砂层过程中, 路面及管线沉降量较黏土层更加明显, 变化量较大, 不易控制, 工程风险显著增加, 这就要求在施工过程中盾构同步注浆要及时、足量;并根据现场监测数据, 及时进行反馈分析, 需要时进行二次注浆, 直到周边沉降值趋于平稳且在允许值范围内。

最后, 将数值计算结果与监测数据进行对比分析, 从图7, 9可以看出, 在盾构掘进过程中, 管线的变形规律相似。在盾构机到达测点前, 测点先产生隆起变形, 然后隆起变形逐渐减小, 在盾构机经过测点时, 测点产生沉降变形, 且沉降变形迅速增大, 在隧道开挖完成后, 测点的沉降变形逐渐趋于稳定。

在盾构穿越粉细地层中, 采用了多项技术措施, 降低施工风险, 防止喷涌发生。

盾构制造时螺旋输送机设计为中轴式, 并配备保压泵装置。掘进中采用土压平衡^[6,7]模式掘进, 尽量避免间歇性掘进。

掘进中加入高浓度泥浆或泡沫, 改善土体的和易性, 使土体中的颗粒和泥浆成为一整体。

为防止粉细砂地层掘进中可能发生的喷涌, 采用了渣土改良^[8]技术。利用高分子聚合物的高吸水性及黏合性, 通过搅拌形成黏稠的液体, 吸取自由水同时黏合离析的土砂, 提高渣土的保水性及螺旋机的土塞效应, 达到控制喷涌的目的。

为此, 进行了渣土改良试验。高分子聚合物的改良效果如图10所示, 图10a为未添加高分子聚合物的水砂混合物, 图10b为添加聚合物后的水砂混合物, 高分子聚合物明显增加了水砂的黏合状况。在实际操作中根据喷涌的实际情况选择合理的配合比, 其搅拌时间以2~3min为宜。

基于以上盾构施工的不利因素, 利用高分子聚合物的高吸水性及黏合性, 通过搅拌形成黏稠的液体, 可吸取自由水同时黏合离析的土砂, 提高渣土的保水性及提高螺旋机的土塞效应, 达到控制喷涌的目的。

此外, 盾构推进要求“连续、快速、稳定”, 施工工程中尽量避免停机时间过长, 保持施工的连续性。如需长时间停机, 可向土仓里注入适量膨润土, 土仓压力设定为外界水压力, 保持土仓内外压力平衡。螺旋机再次排土前, 转动刀盘把土仓内的水、土充分搅拌, 使其有良好的密水性, 避免喷涌^[9]。

1) 在合肥轨道交通2号线大东区间穿越粉细砂地层中, 采用配备保压泵装置的盾构机和中轴式螺旋输送机;以土压平衡模式掘进, 避免间歇性掘进;进行渣土改良, 加入高浓度泥浆或泡沫, 改善土体的和易性。避免了可能的喷涌风险, 安全通过饱水粉细砂层区段。

2) 合肥地铁盾构穿越粉细砂地层的盾构掘进总推力总体上较黏土层要小, 但是波动较大, 需根据工况, 保证土压平衡设定合理数值;盾构掘进刀盘扭矩会明显减小, 在施工过程中可适当增加转速加大土仓泥土扰动, 改善其和易性。

3) 合肥地铁在盾构穿越粉细砂层过程中, 路面及管线沉降量较黏土层更加明显, 需在施工过程中及时、足量地进行盾构同步注浆;并根据现场监测数据反馈分析, 根据需要进行二次注浆。