成都地區(qū)泥巖盾構(gòu)掘進(jìn)常見問題及處置方法

俞豐平 （中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

成都地鐵在骨干線路日趨完善后，市區(qū)加密線路開始修建，隨之線路埋深也進(jìn)一步加深，盾構(gòu)施工地層由富水砂卵石地層向泥巖地層轉(zhuǎn)換，泥巖地層盾構(gòu)施工雖擺脫了滯后沉降、卵石卡刀盤、沉倉等砂卵石地層常見問題，但隨之也帶來新的問題，例如刀盤結(jié)泥餅、管片上浮、盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)異常等問題。

1 泥巖地層的特性

成都地區(qū)分布的軟巖為白堊系中統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖。泥巖具有如下4個(gè)特性。

1.1 軟巖，遇水軟化

通過查詢資料，強(qiáng)風(fēng)化泥巖抗壓強(qiáng)度為1.28MPa，軟化系數(shù)為0.18；中等風(fēng)化泥巖的飽和抗壓強(qiáng)度為3.49MPa，軟化系數(shù)為0.21；微風(fēng)化泥巖的飽和抗壓強(qiáng)度平均值為8.31MPa，軟化系數(shù)為0.31。由此可見，無論強(qiáng)風(fēng)化泥巖還是微風(fēng)化泥巖均屬于極軟巖和軟化巖石。

1.2 微膨脹性

根據(jù)地勘報(bào)告顯示，泥巖為弱膨脹巖，室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，泥巖的自由膨脹率18%，膨脹力39.2kPa。

1.3 基巖裂隙水

富含基巖裂隙水，水量主要受裂隙發(fā)育程度、連通性及裂隙充填特征等因素的控制，水量一般不大，局部地段水量豐富。

1.4 粘土質(zhì)礦物

泥巖的主要礦物成分為粘土質(zhì)礦物。

2 刀盤結(jié)泥餅

2.1 主要現(xiàn)象

盾構(gòu)在推進(jìn)過程中，出現(xiàn)慢速、低扭矩、大推力，渣溫高，在正常加水的情況下，出現(xiàn)噴涌，出渣不連續(xù)，渣樣呈磨碎狀。

2.2 典型案例：

成都地鐵7號線某區(qū)間在掘進(jìn)第325環(huán)開始，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中出現(xiàn)持續(xù)噴涌現(xiàn)象，噴涌現(xiàn)象較為嚴(yán)重，噴涌壓力較大掘進(jìn)速度在5～20mm之間波動(dòng)頻繁。盾構(gòu)掘進(jìn)推力大，達(dá)到1800t左右；掘進(jìn)速度慢，不到2cm/min;扭矩低,平均只有2500kN·m。開倉后發(fā)現(xiàn)刀盤中心區(qū)已結(jié)泥餅，周邊開口部分結(jié)餅。

2.3 原因分析

泥餅的形成主要受礦物顆粒間的粘結(jié)力、壓力、溫度等的影響，在泥巖地層盾構(gòu)施工時(shí)，刀盤將土體切削成大小不一的碎塊和碎屑，在遇水軟化崩解后，渣土中細(xì)顆粒增加，依靠表面吸附力吸附于刀盤表面和土倉壁上，特別在中心部位，開口小，線速度低，更易形成泥餅。

2.4 解決方法與預(yù)防措施

①對已出現(xiàn)輕微結(jié)餅的，可采取分散性泡沫進(jìn)行渣土改良，同時(shí)加大用水量，適當(dāng)降低倉位，促使渣土快進(jìn)快出。

如情況仍未好轉(zhuǎn)，在推進(jìn)過程中，在膨潤土箱中加入水：分散劑=10∶1的混合液注入土倉，減少渣土的粘聚力。

情況持續(xù)惡化的情況下采用純分散劑或者剝離劑泡倉。

②在結(jié)餅嚴(yán)重的情況下，直接開倉進(jìn)行處理。

2.5 預(yù)防措施

①在粘性顆粒較多的泥巖地層原液比例2%～3%、膨脹率10～12倍、流量300L/min左右。

②通過刀盤前方加入大量水，改良渣土的流動(dòng)性，一般流量選擇中心8～12m3/h，周邊4～6m3/h。同時(shí)利用土倉壁上的刀盤加水，對倉內(nèi)的渣土進(jìn)行沖刷。刀盤前方的加水量和土倉內(nèi)加水量控制在2∶1左右的比例。

③適當(dāng)提高刀盤轉(zhuǎn)速至1.7～1.8轉(zhuǎn)，控制掘進(jìn)過程中貫入度，由于18寸滾刀高度為187.7mm，焊接撕裂刀的高度為150mm，刀高差37.7mm，因此貫入度控制在40cm以內(nèi)。

3 管片上浮

3.1 主要現(xiàn)象

成型管片在脫離盾尾，脫離臺(tái)車后發(fā)生上浮現(xiàn)象，上浮量超過3cm以上，部分可達(dá)8～10cm。

3.2 典型案例

成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間5d內(nèi)4次測量成型管片垂直姿態(tài)，最高上浮115mm。

3.3 原因分析

盾構(gòu)開挖直徑為6304mm，盾尾直徑為6230mm，管片外徑為6000mm，因此開挖與管片間存在152mm的空隙。而泥巖地層又有一定的自穩(wěn)性，空隙未能被地層填充。拼裝完成的管片處于地下水和漿液的浸泡中。即使在同步注漿跟上的同時(shí)，初凝的6～8h內(nèi)，管片處于一個(gè)活動(dòng)狀態(tài)。

3.4 解決方法及預(yù)防措施

①控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，后點(diǎn)垂直姿態(tài)根據(jù)總結(jié)的管片上浮量，有意識(shí)的控制在負(fù)值，一般取-40～-20mm左右。

②脫出管片后3～5環(huán)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，二次注漿采用雙液漿，注漿點(diǎn)位為上部，錯(cuò)開封頂塊，注漿方量一般控制在0.3～0.5m3。

③做好螺栓復(fù)緊工作，3次或多次復(fù)緊。

④調(diào)整同步漿液凝結(jié)時(shí)間，采用高密度、良好充填性，體積收縮率低，保證漿液不分層、不離析。優(yōu)先選擇上部注漿管路進(jìn)行注漿。

⑤對于長下坡的隧道，間隔15環(huán)～20環(huán)全環(huán)注漿，形成環(huán)箍，切斷后方可水源補(bǔ)給。

⑥采用定位隼或者槽鋼拉結(jié)的方式，讓管片形成整體，增加自重。

4 長時(shí)間停機(jī)后姿態(tài)控制困難

4.1 主要現(xiàn)象

長時(shí)間停機(jī)后盾構(gòu)恢復(fù)推進(jìn)，推進(jìn)油缸正常壓差條件下，盾構(gòu)姿態(tài)不受控制，調(diào)整分區(qū)油壓后仍然不受控。推力增加，特別是鉸接壓力上漲較快。

4.2 典型案例

成都地鐵7號線某區(qū)間，由于春節(jié)停機(jī)放假，盾構(gòu)機(jī)于2015年2月5日掘進(jìn)至326環(huán)停機(jī)，停機(jī)時(shí)水平姿態(tài)前點(diǎn)+9，后點(diǎn)+2，趨勢+1。2015年2月25日恢復(fù)掘進(jìn)（停機(jī)20d），恢復(fù)掘進(jìn)后盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)一直向曲線外側(cè)發(fā)展，每環(huán)變化速率約7～10mm/環(huán)，掘進(jìn)至335環(huán)，水平姿態(tài)變化為前點(diǎn)-46，后點(diǎn)-8，趨勢-8mm/m。在采用增加左右千斤頂油壓差的措施情況下盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)繼續(xù)向曲線外側(cè)發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)仍無法控制。

4.3 原因分析

造成姿態(tài)控制困難的主要原因?yàn)殚_挖后圍巖松弛，另外泥巖的微膨脹性導(dǎo)致盾體受到束縛，同步注漿漿液在長時(shí)間停機(jī)后凝固，與盾構(gòu)機(jī)殼體形成一體，從而開挖輪廓無法滿足盾體通過的要求。

4.4 解決方法

①優(yōu)化管片選型，使隧道軸線、盾構(gòu)機(jī)軸線、管片軸線三線一致，必要時(shí)選用1.2m管片，加快調(diào)整速率。

②加大上下油壓差，在特殊情況下，可拔除電磁閥或增加輔助油缸，進(jìn)一步加大油壓差。

③做好盾構(gòu)潤滑工作，可通過中盾徑向孔注入膨潤土或油脂，減少盾尾與地層的摩擦阻力。

④開倉增加超挖刀，用撕裂刀替換最外側(cè)的滾刀，一般替換兩把，擴(kuò)挖半徑較之前增加約5cm。

4.5 預(yù)防措施

①對停機(jī)地點(diǎn)應(yīng)提前進(jìn)行籌劃，停機(jī)前3環(huán)，同步注漿液調(diào)整為惰性漿或者膨潤土，避免盾尾包裹。

②在停機(jī)期間，應(yīng)適當(dāng)向前掘進(jìn)，可選擇1d向前掘進(jìn)20cm～40cm，避免長時(shí)間圍巖松弛和膨脹力將盾體裹住。

③在停機(jī)時(shí)，通過中盾徑向孔注入膨潤土，潤滑盾體。

④在停機(jī)后恢復(fù)推進(jìn)階段，應(yīng)高度關(guān)注姿態(tài)的變化，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

上述為泥巖地層常見的主要問題及處置方式，盾構(gòu)推進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，很多問題的出現(xiàn)是有諸多征兆的，在推進(jìn)過程中，我們更應(yīng)該關(guān)注細(xì)節(jié)和參數(shù)的變化，從變化中尋找規(guī)律，從規(guī)律中尋找解決辦法。