硬塑粉質(zhì)粘土地層中的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

舒 璐/SHU Lu

（中鐵隧道集團(tuán)專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471000）

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)在城市地鐵隧道建設(shè)中的應(yīng)用范圍越來越廣。而且隨著施工范圍擴(kuò)大，所遇到地層的復(fù)雜程度不斷增加。本文通過無錫地鐵1號(hào)線江海路站至無錫火車站盾構(gòu)區(qū)間前期施工情況，總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)在無錫典型地質(zhì)條件下，遇到硬塑粉質(zhì)粘土地層的掘進(jìn)技術(shù)，為類似地層的施工提供參考。

1 工程和地質(zhì)概況

1.1 工程概況

本工程位于無錫市北塘區(qū)、崇安區(qū)，線路大致呈“S”形南北走向，沿線地面多為廠區(qū)、民房建筑，多次下穿河流、橋梁、樓房樁基、錫滬西路、地下通道等建（構(gòu)）筑物。隧道沿線地面以下管線密布、錯(cuò)綜復(fù)雜，有雨水管線、污水管線、上水管線、燃?xì)夤芫€、電信管線、電力管線等多種管線，埋置深度深淺不一。區(qū)間左線1 308.878m、區(qū)間右線1 296.115m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為350m，隧道縱坡呈“V”型，最大縱坡為24.4‰，最小縱坡為4.0‰。

盾構(gòu)隧道采用裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑6 200mm，內(nèi)徑5 500mm，厚350mm，環(huán)寬1.2m，為“3+2+1”型（3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊），拼裝時(shí)采用錯(cuò)縫拼裝、彎曲螺栓連接。

本工程采用1臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)，開挖直徑為6 390mm，面板式刀盤，刀盤驅(qū)動(dòng)功率660k W，額定扭矩5 400k Nm。

1.2 地質(zhì)概況

隧道斷面穿越土層大部分為粉質(zhì)粘土、粘土層，部分?jǐn)嗝嫔喜课挥诜弁翃A粉質(zhì)粘土層(圖1)。其中(6)1-1粉質(zhì)粘土層：暗綠～灰黃色，可塑(局部硬塑)，含鐵錳結(jié)核。切面有光澤，干強(qiáng)度及韌性高，無搖震反應(yīng)。地層特性為：含水率26.59%，天然密度1.98g/cm3，孔隙比0.75，滲透系數(shù)3.09E-06cm/s,承載力160k Pa。(6)1粘土層：灰黃色，硬塑(局部可塑)，含鐵錳結(jié)核。切面有光澤，干強(qiáng)度及韌性高，無搖震反應(yīng)。地層特性為：含水率24.57%，天然密度1.99g/cm3，孔隙比0.71，滲透系數(shù)3.61E-06cm/s,承載力200k Pa。上述2種地層沿線均有分布，約占區(qū)間地層分布的78%。

圖1 區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖

2 土壓平衡盾構(gòu)在(6)1和(6)1-1粘土中掘進(jìn)

2.1 施工前對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造

在盾構(gòu)始發(fā)前，對(duì)區(qū)間地質(zhì)情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)(6)1粘土(圖2)和(6)1-1粘土具有硬度高，粘性大，可滲透性差等特點(diǎn)，針對(duì)這些特性，對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行了以下改造。

圖2 (6)1粘土

1）增加一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，刀盤驅(qū)動(dòng)功率由原來的550k W增加至660k W。刀盤額定扭矩由原來的4 600k Nm增加至5 400k Nm，以便設(shè)備能夠滿足粘土地層帶來的扭矩負(fù)荷。

2）將刀盤上的主動(dòng)攪拌棒由原來的4根增加至5根，土倉內(nèi)被動(dòng)攪拌棒由原來的4跟增加至8根，被動(dòng)攪拌棒主要增加在主軸承附近。通過攪拌棒的增加，減少刀盤背面結(jié)泥餅的概率和加大對(duì)土倉內(nèi)渣土的攪拌。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工

2.2.1 掘進(jìn)參數(shù)

刀盤轉(zhuǎn)速rpm 1.1～1.15

刀盤扭矩k Nm 3 500～4 500

掘進(jìn)速度mm/m in 15～25

螺旋輸送機(jī)壓力bar 100～150

泡沫劑比例% 3～5

注漿壓力bar 3.5～4.5

注漿量m33.3～3.5

2.2.2 曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)

盾構(gòu)由江海路站進(jìn)行始發(fā)，盾構(gòu)在始發(fā)階段就處于半徑350m的曲線上，盾構(gòu)在小半徑曲線上始發(fā)和接收對(duì)于盾構(gòu)與設(shè)計(jì)軸線的擬合控制、盾構(gòu)的姿態(tài)控制、防止超欠挖控制、防止洞門漏水、防止始發(fā)基座和反力架位移變形都提出了很高的技術(shù)要求。采用曲線割線始發(fā)技術(shù)，控制盾構(gòu)軸線偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)的直線始發(fā)線路掘進(jìn)，來規(guī)避盾構(gòu)在小半徑曲線上的各種施工風(fēng)險(xiǎn)；曲線段盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)操作控制方式是把液壓推進(jìn)油缸進(jìn)行分區(qū)操作，使盾構(gòu)按照預(yù)期的方向進(jìn)行調(diào)向，另外盾構(gòu)本身配置的鉸接形式更利于盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，在曲線段推進(jìn)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：①在始發(fā)階段，將盾構(gòu)姿態(tài)按照要求安裝在始發(fā)基座上，姿態(tài)符合割線始發(fā)要求；②根據(jù)每環(huán)管片的盾尾間隙、推進(jìn)油缸行程差、鉸接油缸位移情況以及當(dāng)前盾構(gòu)姿態(tài)與隧道軸線的關(guān)系等來確定合適的管片的型號(hào)，選擇盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)的推力分布；③為防止管片外斜，必須保證背襯同步注漿的效果，使盾構(gòu)千斤頂?shù)钠耐屏τ行У匕l(fā)揮作用。確保曲線推進(jìn)效果，較少管片的損壞和變形；④密切注意盾尾以及盾體鉸接位置是否出現(xiàn)泄漏，發(fā)現(xiàn)泄漏情況及時(shí)加注油脂；⑤加強(qiáng)工序銜接，避免長時(shí)間的停機(jī)。

2.2.3 姿態(tài)調(diào)整與糾偏

由于各種原因，盾構(gòu)推進(jìn)方向可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線并超過管理警戒值；在穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，因地層提供的滾動(dòng)阻力小，可能會(huì)產(chǎn)生盾體滾動(dòng)偏差；在線路變坡段或急彎段掘進(jìn)，有可能產(chǎn)生較大的偏差。因此應(yīng)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)、糾正偏差。

1）姿態(tài)調(diào)整 分區(qū)操作推進(jìn)油缸來調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，糾正偏差，將盾構(gòu)的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍內(nèi)。

2）滾動(dòng)糾偏 允許滾動(dòng)偏差≤1.5°，當(dāng)超過1.5°時(shí)，盾構(gòu)報(bào)警，提示操縱者必須切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

3）豎直方向糾偏 控制盾構(gòu)方向的主要因素是千斤頂?shù)膯蝹?cè)推力，當(dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)下俯時(shí)，可加大下側(cè)千斤頂?shù)耐屏?，?dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)上仰時(shí)，可加大上側(cè)千斤頂?shù)耐屏磉M(jìn)行糾偏。

4）水平方向糾偏 與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時(shí)應(yīng)加大左側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力，右偏時(shí)則應(yīng)加大右側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力。

5）方向控制時(shí)注意措施 ①合理控制區(qū)域油壓。盾構(gòu)的軸線控制是盾構(gòu)施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，盾構(gòu)依靠千斤頂?shù)耐屏ο蚯巴七M(jìn)。為便于軸線控制，將千斤頂設(shè)置分成不同區(qū)域，推進(jìn)時(shí)通過調(diào)整各區(qū)域油壓，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線方向推進(jìn)。在切口平衡壓力正確設(shè)定的前提下，嚴(yán)格控制各區(qū)域油壓，同時(shí)控制千斤頂?shù)男谐?，合理糾偏，做到勤糾，減小單次糾偏量。②正面平衡壓力控制。由于地質(zhì)條件、地面附加載荷等諸多因素不同的制約，將導(dǎo)致刀盤前方土壓力有所差異，為此需及時(shí)調(diào)整和管理。③均衡施工。盾構(gòu)推進(jìn)應(yīng)盡可能做到連續(xù)性，減少不必要的停機(jī)，以防止盾構(gòu)下沉。④勤糾偏。修正及糾偏時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，控制糾偏過度，糾偏量控制在5mm/環(huán)之內(nèi)，如修正過程過急，蛇行反而更加明顯。在曲線推進(jìn)的情況下，應(yīng)使盾構(gòu)當(dāng)前所在位置點(diǎn)與遠(yuǎn)方點(diǎn)的連線同設(shè)計(jì)曲線相切。

2.2.4 渣土改良

由于(6)1、(6)1-1粘土的特性，使得盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，必須做好渣土改良工作，才能更好地實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。針對(duì)(6)1、(6)1-1粘土渣土改良的主要手段是添加泡沫和水，泡沫的原液添加比例是3%～5%，，注入流量在400～500L/m in，但在掘進(jìn)過程中不能長時(shí)間的添加泡沫，長時(shí)間的添加泡沫可以有效地降低刀盤扭矩，當(dāng)會(huì)造成渣土在皮帶上打滑的現(xiàn)象出現(xiàn)，需要同時(shí)添加部分的水，通過膨潤土注入孔，水的添加量一般為2～3m3/h。

2.2.5 掘進(jìn)中遇到的問題及應(yīng)對(duì)措施

1）刀盤扭矩大 在施工過程中，由于(6)1、(6)1-1粘土硬度高，且粘性大，造成刀盤扭矩接近額定值5 400k Nm，此時(shí)的掘進(jìn)速度僅為20～25mm/m in，為降低刀盤負(fù)荷，采用以下措施進(jìn)行渣土改良，降低刀盤扭矩：往土倉內(nèi)添加適量的泡沫和水，可以將刀盤扭矩降低至4 000k Nm左右。

2）渣土在輸送帶上打滑 由于渣土硬度較高，在通過螺旋輸送機(jī)的過程中，不能輕易地將渣土排除，造成渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)嚴(yán)重?cái)D壓，渣土在螺旋輸送機(jī)出口處掉落時(shí)，呈大塊裝，且因在土倉內(nèi)添加的泡沫和水不能完全滲透到渣土中，僅能夠在渣土表面滲透，造成渣土表面濕滑，輸送帶本身在前端就處于上坡狀態(tài)，造成渣土在皮帶上打滑的現(xiàn)象。采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)：首先是在螺旋輸送機(jī)閘門下方焊接網(wǎng)格狀的鋼筋，間距約200mm，讓掉落的渣土強(qiáng)制行變小；其次調(diào)整泡沫和水的注入比例，以加水改良為主，泡沫改良為輔；最后將輸送帶前端位置進(jìn)行改造，向上抬高100mm，減小輸送帶的坡度。

3）螺旋輸送機(jī)堵塞 由于渣土的可滲透性不高，造成渣土改良效果不理想，導(dǎo)致渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)部不能被輕易地排出。螺機(jī)壓力和扭矩上升非常快，當(dāng)出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)堵塞情況時(shí)，首先通過對(duì)螺旋輸送機(jī)內(nèi)部添加泡沫和水，使內(nèi)部的渣土變軟，同時(shí)要注意觀察土倉的壓力變化，因?yàn)橛锌赡軙?huì)出添加的泡沫和水進(jìn)入土倉的現(xiàn)象。在將土逐漸泡軟的過程中，不間斷地進(jìn)行螺旋輸送機(jī)的伸縮和正反轉(zhuǎn)，直至將其疏通。為避免螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，要求盾構(gòu)操作手在掘進(jìn)過程中必須密切觀察螺旋輸送機(jī)的壓力變化，當(dāng)出現(xiàn)壓力上升加快時(shí)，可停止推進(jìn)，進(jìn)行疏通，至扭矩和壓力降低方可繼續(xù)推進(jìn)。

3 結(jié) 語

通過江錫區(qū)間前期的施工，得出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：①在(6)1、(6)1-1粘土中掘進(jìn)，合理的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置和良好的渣土改良狀態(tài)是施工順利進(jìn)行的有力保證；②在曲線段掘進(jìn)，必須合理地選擇管片類型，一方面要符合隧道設(shè)計(jì)軸線，另一方面要符合盾構(gòu)的姿態(tài)，避免管片與盾尾發(fā)生干擾；③在特殊地層下曲線段施工，盾構(gòu)存在超挖現(xiàn)象，為避免地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，必要選擇合理的同步注漿配比、注入壓力以及注入量。 O