復合式土壓平衡盾構機通過軟弱地層施工技術

喬鳳龍

(中國中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

復合式土壓平衡盾構機通過軟弱地層施工技術

喬鳳龍

(中國中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

南京地鐵一號線南延線(南—岔)盾構區(qū)間工程，線路呈S形曲線，地層多為粉質黏土。本文介紹了盾構機通過軟弱地層時地面建(構)筑物的沉降控制、距離小半徑施工時盾構姿態(tài)控制、減少長距離小半徑隧道中電瓶車車輪磨損控制、上軟下硬地層盾構的推進控制、盾構刀具磨損的控制措施、以及盾構機通過全斷面硬塑狀粉質黏土時的盾構參數，解決了富水砂巖地層盾構機的推進、盾構機通過中間風井和大坡度貫通進站等技術問題。

盾構機 軟弱地層 參數控制

1 工程概況

南京地鐵一號線南延線(南—岔)盾構區(qū)間工程，線路呈S形曲線，曲線半徑分別為350 m和400 m，區(qū)間左線長度為2 027.348 m，右線長度為2 077.260 m，線間距在13.2～37.4 m之間。線路縱坡設計為V型坡，最大坡度為25.325‰，最小坡度為2‰。區(qū)間最大埋深約22.8 m，最小埋深約8.4 m。工程包括2座聯(lián)絡通道和一個由事故機房和泵房合建的中間風井。

從K6+270—K7+626，隧道穿越J3x-2中風化泥質粉砂巖，僅局部拱頂位于J3x-1強風化泥質粉砂巖中;從K7+626—K7+825，隧道底板從中風化基巖向強風化基巖過度，其拱頂漸漸由強風化基巖向③－3－1b1－2粉質黏土過渡;從 K7+825 至岔路口站，隧道底板大都位于③－3－1b1－2粉質黏土中，僅在靠近岔路口站一端局部為②－3b2－3粉質黏土，隧道拱頂由②－3b2－3粉質黏土過渡到③－3－1b1－2粉質黏土，靠近岔路口站一段拱頂位于②－2b4淤泥質粉質黏土中，地下水主要為孔隙潛水。

擬建區(qū)間地面上為大片新砌建的廠房、倉庫、駕校、工業(yè)園廠區(qū)、住宅民居及商鋪。地形稍有起伏，總體中部稍高，場地吳淞高程9.3～16.7 m。管線有地下主水管兩條，埋深1～2 m左右。區(qū)間穿越地層上部為粉質黏土，下部為泥質粉砂巖，屬于典型上軟下硬復合地層，埋深漸漸變大，但是涉及到的民房數量較多，故該兩段建筑物屬于重點保護段。

本區(qū)間隧道克服由于條件不具備盾構機始發(fā)推遲、始發(fā)改站、地質條件復雜、地面建筑物較多、南京南站站盾構吊出場地狹小等諸多不利因素，比業(yè)主節(jié)點工期提前7 d完成隧道移交任務，取得“安全文明施工第一、隧道管片拼裝質量第一、地面沉降控制第一”的好評。本區(qū)間隧道沒有產生超出規(guī)范的錯臺，隧道滲漏及破損極少，地面建筑物沉降均控制在規(guī)范范圍內。創(chuàng)出了多項南京地鐵施工生產記錄，僅用8 d完成盾構機上接收架到拆除的全部工作和20 d內完成2 060 m隧道管線拆除、隧道清理、管片嵌縫和洞門施工等附屬工程。本區(qū)間盾構隧道工程作業(yè)時間見表1。

表1 盾構始發(fā)及貫通時間

本區(qū)間隧道采用盾構法施工，兩臺盾構機從岔路口站左、右線吊裝井下井始發(fā)，經過中間風井，進入南京南站站貫通后吊出。

盾構掘進所使用的盾構機為德國海瑞克生產的復合式土壓平衡盾構機(S432、S433)，盾構掘進時通過千斤頂向刀盤施加推力，在推進過程中刀盤旋轉，刀具切削和刮挖巖層和土層，渣土進入土倉內通過螺旋輸送機和皮帶輸送機送入渣土車，運抵地面，從而完成隧道掘進。掘進方式采用敞開式、半敞開式、土壓平衡式三種。掘進過程中通過注漿系統(tǒng)及時進行管片背后同步注漿和二次注漿。

2 工程實施難點及應對措施

2.1 地面建(構)筑物的沉降控制

該段隧道埋深約7.4 m，地下水位穩(wěn)定埋深1.6～2.0 m，盾構施工時易導致原地層強度降低，引起穿越面變形失穩(wěn)。在盾構掘進中，選擇正確掘進模式及掘進參數是控制沉降的關鍵。為了控制地表沉降，在施工中主要采用了以下措施：①根據不同的地層及建筑物狀況設定相應的掘進參數。②避免盾構糾偏、控制盾構機姿態(tài)，盾構在曲線推進、糾偏、抬頭或磕頭推進過程中，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓，從而會引起附加變形。③盾構推進過建筑物期間，適當調整砂漿配合比，以加快其凝固時間;掘進過程確保砂漿注入量不小于3.5 m3環(huán)，開挖面與管片之間的間隙能及時得到填充;嚴格控制砂漿的注入速度，砂漿注入過程要均勻、連續(xù)，與掘進同步進行。④掘進過程中，注意發(fā)泡劑及水的合理使用，加強對刀具的潤滑，保證掘進順利，同時泡沫中的水有冷卻刀盤作用，能有效阻止泥餅的形成。⑤根據同步注漿情況及地面監(jiān)測數據，適時進行二次補漿。

2.2 地面監(jiān)測及建筑物監(jiān)測

1)盾構機掘進過程中，地面應安排人員對房屋進行觀察，建立地面與隧道內聯(lián)絡渠道，一旦發(fā)現異常情況(如地面漏泡沫漏漿、房屋產生開裂等)立即通知隧道內盾構機司機停止掘進，并向項目值班領導報告情況，以便采取下一步處理措施。

2)結合地面測量的反饋信息，由項目總工分析判斷后對掘進參數、壓漿量、補漿部位、漿液的凝固時間和注漿壓力進行適時的調整，控制地表沉降。

2.3 長距離小半徑區(qū)間轉彎參數控制

該盾構區(qū)間線路呈S形曲線，具有轉彎半徑小距離長等特點，具體線路參數見表2。

表2 線路轉彎參數

2.3.1 盾構姿態(tài)的控制

盾構推進時仔細考慮盾構開挖參數，合理使用各組千斤頂的推力，盡可能保證盾構機推進軸線符合隧道設計軸線。盾構糾偏時應提前計劃好糾偏路線，使盾構機沿平滑、緩和的曲線前進，避免過猛糾正盾構姿態(tài)和盾構機的蛇行;在盾構推進中，根據統(tǒng)計以拼裝管片的位移經驗值，將盾構機推進軸線盡可能偏向隧道圓心附近15～30 mm，使成型的隧道盡可能地接近設計軸線;控制導向系統(tǒng)偏差;及時人工復測修改全站儀后視棱鏡的坐標。

2.3.2 管片選型

由于線路轉彎，盾構機左右兩側的推進油缸分別沿著不同半徑的弧線前進，由于弧長(其實是弧的割線，近似認為是弧長)的差異，推進油缸的行程會各不相同。為了保證盾構機正常推進，必須通過管片來調整這個行程差。

①盾尾間隙均衡原則：管片選型最理想的是使管片安裝后，盾尾間隙達到均衡，使盾構機在掘進下一環(huán)后盾尾間隙仍然在合理范圍內。②推進油缸伸縮均衡原則：管片選型時在考慮盾尾間隙均衡同時，還應考慮掘進千斤頂伸縮差值，并明確當前行程差和推進結束后行程差變化，根據推進油缸伸縮差值對后安裝管片的影響，應盡量減小推進油缸伸縮差值。③管片轉向與盾構機趨勢一致原則：管片選型時應注意考慮盾構機的趨勢，管片選型應與盾構機趨向一致，才能減少推進時引起管片錯臺。

2.3.3 電瓶車車輪磨損的控制

2.3.4 聯(lián)絡通道盾構姿態(tài)及管片拼裝

按照設計要求，聯(lián)絡通道兩環(huán)鋼管片為標準管片、前后兩環(huán)加強環(huán)也為標準環(huán)管片，在350 m小曲線半徑隧道中要連續(xù)用6環(huán)標準環(huán)。經推算在360 m的小半徑盾構施工中，每推一環(huán)(1.2 m)千斤頂左右行程差和盾尾間隙變化約20.9 mm和4.3 mm，這給盾構姿態(tài)和隧道質量控制帶來極大困難。應采取措施調整：①在盾構機頭到達第一環(huán)加強環(huán)前，調整盾尾間隙和千斤頂左右行程差，使其在可控范圍內產生一定反方向的差值，以抵消未來產生的盾尾間隙變化和千斤頂行程差;②盾構機姿態(tài)在到達第一環(huán)加強環(huán)前，使其沿隧道中心線向轉彎方向偏差40～60 mm，在盾構機通過聯(lián)絡通道這六環(huán)直線環(huán)時逐步向隧道中心線調整，在此區(qū)間保證中線偏差在規(guī)范范圍內的前提下，人為設置一段近似直線段，以降低盾尾間隙變化和千斤頂行程差;③生產轉彎的加強環(huán)，在盾構機通過第二個聯(lián)絡通道前，設計生產4環(huán)轉彎加強環(huán)，使盾構機通過聯(lián)絡通道時可以根據需要選擇管片，及時調節(jié)盾尾間隙變化和千斤頂行程差，保證盾構推進和成型隧道質量。

2.4 通過全斷面硬塑狀粉質黏土層參數控制

盾構機在該類地層施工時，由于黏性土本身具有內摩擦角小、黏性大、流動性困難等特點。從開挖面上切削下來的黏土通過刀槽、刀盤開口進入土倉后，在土倉內壓力作用下容易被壓實固結，由于刀盤中心區(qū)開口率小、線速度低且主軸承及其支撐(牛腿)的存在使該處的土體攪拌困難，土體首先粘附在刀盤上將刀盤、主軸承及其支撐附近充滿填實，并堵死刀盤主軸承及其支撐附近的刀盤開口，使刀盤中心正面開挖下來的土體不能通過刀盤開口進入土倉，最終在刀盤和土倉內形成強度較高的泥餅。對盾構機通過該類地層時采取的措施有：

1)改良渣土。有針對性地向土倉和刀盤適量加注高質量的泡沫或膨潤土或兩種混合液，以改善土體的粘附性和流動性。

2)盾構推進參數的設定。在上述地層施工時，土壓力合理設定，并根據地面情況、施工監(jiān)測情況等盡量降低。適當降低推進速度、刀盤轉速盡量提高，充分攪拌土倉內渣土，提高出土效率、降低泥餅形成的機率。

3)控制循環(huán)水溫度。嚴格控制土倉溫度，土倉溫度與刀盤的冷卻程度有很大關系。循環(huán)水是刀盤冷卻的介質，當推進時間較長、土倉內的溫度上升較快時極易造成黏土固結堵塞出土口甚至形成泥餅，必要時在循環(huán)池內加入冰塊降低循環(huán)水溫度。

4)快速勻速施工。避免土倉飽滿時長期停機。

5)土壓力和取排土量雙重控制土倉內渣土壓力。

6)及時開倉、清倉。如果條件允許，開倉無疑是最為直接有效的預防泥餅形成的措施。

三是建立健全預算監(jiān)督機制，在預算執(zhí)行的全過程跟蹤監(jiān)控，當預算計劃與實際預算執(zhí)行出現偏差時，應認真分析問題的癥結所在，并及時采取解決措施，提高財政預算資金的安全性與使用效益。

7)更換合適的軟土刀具。在盾構機始發(fā)前，根據該段地層情況，把刀盤上的部分滾刀換成羊角齒刀，增大刀盤的開口率。

2.5 通過上軟下硬地層盾構刀具磨損

在上軟下硬地層掘進過程中，硬地層造成掘進速度慢，但在較慢的掘進速度下，軟土則容易造成超挖，導致地面嚴重沉降。另外當盾構刀具在軟硬地層交界面轉動時，由于地層強度變化較大，刀刃或軸承受到巨大沖擊，造成刀具刀刃或軸承非正常損壞。主要采取了以下應對措施：

1)掘進過程中嚴格控制土壓，土倉壓力不得小于主動土壓，嚴格控制出土量，根據開挖距離(推進千斤頂行程)控制出土量，或反過來根據出土量控制開挖距離，保持開挖土量和排土量的平衡，密切關注渣土的物理性能，并根據地面監(jiān)測情況進行調整。

2)維護好泡沫系統(tǒng)，根據開挖情況合理摻加添加劑。掘進時及時向土倉內添加足量發(fā)泡劑、膨潤土等。

3)根據實際需要調節(jié)千斤頂推力、降低刀盤轉速，減小刀具在地層交界面碰撞強度，防止軟硬界面處刀具的崩裂及刀具軸承的損壞。

2.6 富水砂巖地層成型隧道飄移

由于開挖面地下水壓較高，開挖下來的渣土本身不具有止水性，高壓水穿越土倉、螺旋機，形成集中滲流帶動土體顆粒一起運動，在到達螺旋機出口的瞬間，由于出土口外部是無壓狀態(tài)，水帶動土顆粒極易發(fā)生噴涌。

2.6.1 噴涌的控制措施

1)改良渣土。盾構開挖時往土倉內注入發(fā)泡劑、膨潤土等添加劑改良土體的滲透性能，降低開挖土體的滲透系數。

2)采用合理的開挖模式及參數。在此地層推進時不宜采用欠土壓模式開挖，尤其是停機時保證一定土壓，降低地下水往土倉內的滲流速度。

3)合理操作螺旋機出土。合理控制螺旋機門的開度及螺旋機轉速。通過調節(jié)螺旋機轉速及出土口開度，保證噴出的泥渣正好被皮帶帶走而不流到隧道內。

4)保證實際注漿量。注漿盡可能封閉管片背后開挖面滲水及管片背后的水路。必要時及時進行補雙液漿封閉管片背后的水路。

2.6.2 管片飄移的控制措施

適當控制盾構開挖速度，降低總推力;在盾構推進中，根據統(tǒng)計的隧道管片位移經驗值，將盾構機推進軸線高程降至設計軸線下幾十毫米，可以抵消管片襯砌后期的上浮量，使成型的隧道中心軸線盡可能地接近設計軸線;管片背后放水、堵水控制管片上浮。由于管片上浮是周邊水包裹所致，對于穩(wěn)定的地層，可以減少管片周圍的水來減緩、抑制管片上浮。在脫出盾尾漿液初凝后的管片底部打開吊裝孔釋放管片周圍的水，在隧道后方管片周圍注雙液漿每隔10環(huán)做一道止水環(huán)隔離帶，抑制后方地下水的補給。

2.7 盾構機通過中間風井時的姿態(tài)控制

盾構機從機頭進入中間風井到通過再次始發(fā)僅有6 m距離，在此區(qū)間隧道設計線路從13‰下坡變?yōu)?3‰上坡。而在進入中間風井后盾構機只能沿著鋪設好的導軌前進無法進行姿態(tài)調整，為了保證盾構機再次始發(fā)時的姿態(tài)，盾構機進入風井前采取了以下措施：

1)在盾構機到達前50 m對中間風井附近所有測量控制點進行一次系統(tǒng)的控制測量復測和聯(lián)測，對所有控制點的坐標進行精密、準確地平差計算，并對激光經緯儀復檢和盾構機機頭位置人工測量。盾構貫通前30 m和10 m對TCA托架三維坐標進行人工復測，保證盾構導向系統(tǒng)顯示姿態(tài)的準確性。

2)盾構機到達中間風井前調正盾構姿態(tài)，使其逐漸抬到0以上、盾構機中心軸線比設計軸線高60～70 mm，這樣既保證了設計軸線在規(guī)范允許范圍內，又保證了盾構機通過風井，再次始發(fā)時的盾構姿態(tài)。

2.8 盾構機大坡度貫通進站

接收段隧道設計坡度為23‰，而車站預留地板的設計坡度為0，盾構機盾體總長約8 m，如果沿著設計線路推進，這就造成從刀盤進入車站到中盾進入車站，盾構機機頭要抬升100多毫米，為了保證管片拼裝質量及盾構機順利吊出，采取了以下措施：①車站接收底板接收盾構機區(qū)域鋪設沿盾構推進方向為13‰的上坡，減小地板與盾構機坡度差;②盾構機進入接收站前約30 m，使盾構機軸線高于隧道設計軸線約80 mm，此時再慢慢降低盾構機趨向，使盾構機保證豎直軸線偏差為0的情況下，進入接收站時其軸線坡度降到13‰左右。

3 盾構施工質量控制經驗與不足

3.1 施工經驗總結

1)項目人員的配置

本項目部共配置管理人員30名，對比相同條件且同是使用兩臺海瑞克盾構機的項目部減少管理人員21名。從施工過程看，項目部采用技術咨詢、勞務、附屬工程分包，減少了諸如值班經理、地面工程師、質檢員、附屬工程管理人員等人員的配置，而項目在進度、質量、安全文明施工方面仍取得了可喜成績并受到各界好評。實踐證明這種方式是合理可行的，在精簡崗位設置、提高項目管理水平方面積累了寶貴的經驗。

2)盾構刀具的使用

在盾構始發(fā)時，根據地層實際情況，把部分滾刀更換為羊角刮刀，通過推進實踐證明這種配置是正確的，該配置在軟土及上軟下硬地層推進了近700 m，為盾構機通過全斷面硬塑狀粉質黏土時減少泥餅形成、預防滾刀偏磨、提高盾構推進效率方面取得了寶貴的施工經驗。

3)盾構掘進方面

針對不同地層、線路狀況、地面建筑物狀況等在盾構推進前制定了詳細的技術方案，對盾構推進的參數以指令的形式詳細交底。通過采取這一系列措施，盾構機順利穿越密集建筑物區(qū)間，地面沉降控制完全在允許范圍之內，保證了地面建筑物的安全，盾構機順利通過不良地層;小半徑曲線推進時避免了管片破損、錯臺等小半徑曲線盾構施工的質量通病。

3.2 施工中尚需改進的工作

1)測量方面

本工程測量控制方面總的控制還是好的，隧道軸線偏差在允許范圍之內、盾構貫通誤差較小。在曲線處為了保證導向系統(tǒng)正常工作不得不頻繁移站，且全站儀離盾尾較近。測量誤差偏大的原因未能查明。

2)后配套設備問題

盾構施工不但依靠較高的管理水平、較先進的盾構機設備，后配套系統(tǒng)對盾構施工的影響不容忽視，后配套機械設備的狀況直接決定掘進的速度。

4 結語

本工程從工程初期、始發(fā)掘進到最后貫通，隧道施工質量和地面建筑物沉降控制良好，施工采取的措施得當。但盾構施工中在小半徑、較軟粉砂巖地層掘進中導向系統(tǒng)移站、盾構機姿態(tài)、人工復測頻率設定等問題在今后的研究中應該重點予以關注。

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［3］陳饋，洪開榮，吳學松．盾構施工技術［M］．北京：人民交通出版社，2009．

［4］張鳳祥，傅德明，楊國祥．盾構隧道施工手冊［M］．北京：人民交通出版社，2005．

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U445.43

A

1003-1995(2012)06-0066-04

2012-03-10;

2012-03-20

喬鳳龍(1963— )，男，山西朔州人，高級工程師。

(責任審編 王 紅)