淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)選型及掘進技術(shù)研究

喬治

（中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054）

近年來，全國地鐵建設(shè)如火如荼，杭州市也加快了地鐵規(guī)劃和建設(shè)步伐，根據(jù)杭州市第三批地鐵建設(shè)規(guī)劃，從2018年下半年起，杭州地鐵三號線、六號線、七號線、八號線、九號線、十號線等線路全面進入施工期，確保2022 年亞運會召開之前，杭州市將形成13 條軌道交通線，514km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，全力打造地鐵交通服務(wù)網(wǎng)。筆者單位在杭州片區(qū)第三批地鐵建設(shè)規(guī)劃中共需投入34 臺盾構(gòu)機，本文以杭州地鐵十號線3 標(biāo)為例，總結(jié)淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)機掘進存在的問題，對如何做好盾構(gòu)設(shè)備選型及掘進過程管控進行了探索。

1 工程概況

杭州地鐵十號線3 標(biāo)隱～莫盾構(gòu)區(qū)間左線全長971m，采用一臺土壓平衡盾構(gòu)機施工，從隱秀路站始發(fā)，莫干山站接收。盾構(gòu)區(qū)間穿越的地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土。本項目淤泥質(zhì)軟土比較軟弱，靈敏度強，承載力較小，容易出現(xiàn)局部破壞或滑動。在荷載作用下產(chǎn)生土體結(jié)構(gòu)破壞、不均勻沉降、較大的側(cè)向變形等問題，且沉降與變形持續(xù)的時間長，強度恢復(fù)時間也較長。

2 淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)機掘進出現(xiàn)的問題分析

通過對杭州地區(qū)淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)施工情況總結(jié)分析，存在以下問題：

（1）盾構(gòu)機主機上浮。投入施工的盾構(gòu)機主機重量偏輕（總重量約278T），重心位置選擇不合理, 在淤泥質(zhì)軟土地層掘進中地層抗力小，盾構(gòu)機自重及上部抗力的總和小于所受的浮力，導(dǎo)致在掘進過程中姿態(tài)上浮。

（2）盾構(gòu)機姿態(tài)控制難。盾構(gòu)機在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進，由于該地層束縛力弱，普遍總推力在1000T 以下，調(diào)整姿態(tài)時難以形成有效的推力差，盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制難度大。

（3）管片上浮。盾構(gòu)機在掘進過程中，脫出盾尾的幾環(huán)管片，由于同步注漿的漿液還沒有完全凝固，在淤泥質(zhì)軟土地層中的上浮力大于管片自身重量及覆土荷載時，管片會產(chǎn)生上浮。

（4）管片破損。杭州片區(qū)管片普遍設(shè)計為帶凹凸榫槽設(shè)計，這種管片對盾構(gòu)推進參數(shù)控制及拼裝質(zhì)量要求非常高，盾尾間隙過小、盾尾失圓、管片浮動、管片拼裝質(zhì)量等出現(xiàn)問題，都會出現(xiàn)管片錯臺、破損、破裂。部分項目管片出現(xiàn)連續(xù)破損

開裂、同一環(huán)多處破損現(xiàn)象，成型隧道質(zhì)量受到了影響。

（5）地面沉降量大。因地層的自穩(wěn)性相對較差，尤其是盾尾空隙沉降和長期延續(xù)沉降，這兩個階段地層沉降及變形難以得到有效的控制。通過測量監(jiān)測數(shù)據(jù)，部分項目盾構(gòu)區(qū)間最大沉降量達50mm。

3 淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)選型優(yōu)化

經(jīng)過對杭州地鐵十號線3 標(biāo)地質(zhì)情況分析，針對存在的問題，在進行盾構(gòu)的選型時，結(jié)合其他淤泥質(zhì)軟土地層項目盾構(gòu)成功的施工經(jīng)驗，對盾構(gòu)主機的重量分布、注漿系統(tǒng)設(shè)置、盾尾間隙、螺旋輸送機系統(tǒng)進行了針對性設(shè)計，確保盾構(gòu)設(shè)備充分滿足對淤泥質(zhì)軟土地層的適應(yīng)性。

3.1 合理確定盾構(gòu)自重及重心位置

該項目選用的盾構(gòu)機，將機體重量選定、重心的分布進行了優(yōu)化，最終盾構(gòu)機主機重量323 噸，主機重心與刀盤面板的距離3.8 米。較該區(qū)域原使用盾構(gòu)機，盾構(gòu)主機重量增加45 噸，增加的重量克服地層的浮力，避免盾構(gòu)機掘進過程中的上??；重心位置由3.46 米后移至3.8 米，有利于避免盾構(gòu)機栽頭，穩(wěn)定盾尾。

圖1 原盾構(gòu)機主機重心位置示意圖

圖2 本項目使用盾構(gòu)重心位置示意圖

3.2 增加注漿管路

原盾構(gòu)機在盾尾外部殼體上設(shè)置4 處注漿管路，注漿殼高出盾尾12 公分，進出洞及通過加固區(qū)時容易發(fā)生“卡盾”的情況。本臺盾構(gòu)機采用在盾尾內(nèi)置注漿管的方式，避免掘進出現(xiàn)盾體被卡，同時注漿管路數(shù)量由4 根增加至10 根（4用6 備），防止管路堵塞后影響注漿效果。

3.3 盾尾間隙優(yōu)化

管片拼裝處盾尾間隙由原來的30mm，增加至45 ～50mm，避免盾構(gòu)機姿態(tài)不佳造成盾尾間隙過小，盾尾擠壓管片引起管片開裂破損，同時，確保在管片上浮時候還有足夠的拼裝間隙。

3.4 螺旋輸送機優(yōu)化設(shè)計

盾構(gòu)機增加軸向移動可伸縮功能，螺旋機可伸縮1000mm，當(dāng)發(fā)生突泥涌水時，可將螺旋機縮回，并將螺旋機最前端與土倉內(nèi)的倉門關(guān)閉，保證掘進安全。

4 淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)掘進控制要點

4.1 控制盾構(gòu)掘進姿態(tài)

（1）盾構(gòu)機在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進，盾構(gòu)機對推力反應(yīng)很敏感，推力差是控制盾構(gòu)機姿態(tài)的基本方法。通過調(diào)節(jié)四組推進油缸的推力，形成合理的推力差，使盾構(gòu)機形成沿著軸線方向的趨勢，掘進姿態(tài)與設(shè)計軸線基本擬合。

（2）盾構(gòu)機在淤泥質(zhì)軟土地層中的姿態(tài)糾偏，通常采取“少量糾偏、多次糾偏”的方式，將盾構(gòu)機姿態(tài)變化范圍控制在5mm/環(huán)，切忌糾偏過大或強行糾偏，造成盾尾刷過度磨損，以及管片開裂、錯臺。

（3）當(dāng)盾構(gòu)機姿態(tài)與軸線偏差超過50mm 時，靠推力差無法有效調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，可結(jié)合偏差大小，通過調(diào)節(jié)主動鉸接油缸伸縮量，輔以管片合理選型，調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)使之符合設(shè)計線路。

（4）通過對實測管片姿態(tài)的分析，指導(dǎo)盾構(gòu)機掘進姿態(tài)的調(diào)整。盾構(gòu)機姿態(tài)的理想位置，還要結(jié)合成型管片的姿態(tài)變化情況確定，杭州片區(qū)管片拼裝完成到基本穩(wěn)定后，通常會出現(xiàn)一定的上浮量。以本區(qū)間某段成型管片實測姿態(tài)測量數(shù)據(jù)為例，實測姿態(tài)較盾構(gòu)機測量導(dǎo)向系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)偏差值為+25 ～+39mm，因此在后續(xù)掘進中將盾構(gòu)機姿態(tài)控制在設(shè)計中線正下方2 ～3cm，抵消管片上浮量。

4.2 合理選擇掘進參數(shù)

（1）控制掘進速度。將推進速度控制在20 ～40mm/min為宜，確保管片脫出盾尾的間隙能夠及時得到注漿量的填充，避免漿液注入不及時，或漿液被水稀釋而影響漿液的性能。

（2）均衡施加推力。盾構(gòu)機完成上一循環(huán)掘進及管片拼裝，下一循環(huán)掘進開始時，首先，要確保推進油缸撐靴緊貼管片，緩慢、均勻地對管片施加軸向壓力，總推力小于1000T，避免推力過大或不均衡造成管片破損。

（3）合理選擇土倉壓力。盾構(gòu)機在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進，土倉壓力選擇不合理會造成開挖面失穩(wěn)及地表沉降。在掘進中我們經(jīng)過反復(fù)觀察及試驗，土倉壓力控制在0.15MPa～0.20MPa 時，地層的沉降量較小且地層穩(wěn)定受控。同時，嚴(yán)格控制出土量，經(jīng)計算每環(huán)理論出土量實方39m3，虛方約50m3，大于此方量需要對地面加密測量及分析，確定是否存在超挖或發(fā)生較大地表沉降。

4.3 優(yōu)化注漿參數(shù)

（1）嚴(yán)格控制同步注漿質(zhì)量。漿液選用惰性漿液（附配合比），具有比重大、填充性、抗離析性、流動性好的特點，及時填充盾尾間隙，塌落度控制在12 ～16cm，泌水率＜5%。通過合理的注漿配比及注漿過程管控，有效控制地表沉降，減少對地層擾動，減小注漿過程對管片造成的上浮。

表1 惰性漿液配合比

（2）適當(dāng)增加注漿量。注漿量的多少，將直接影響地表沉降變形的大小，是地表沉降控制的關(guān)鍵要素。理論注漿量計算如下：

式中，D 為刀盤開挖外徑；d 為管片外徑

根據(jù)本項目淤泥質(zhì)軟土盾構(gòu)掘進經(jīng)驗，注漿率為理論注漿量的1.5 倍，注漿壓力為0.15 ～0.3MPa 時，地表沉降可控制在10mm 以內(nèi)；當(dāng)注漿率小于理論注漿量的1.5 倍時，地表沉降量有顯著增加的趨勢。

因此，合理注漿量至少為：Q 注入量(m3)=2.74×1.5=4.1 m3，考慮到地層漿液的滲透系數(shù)，每環(huán)注漿量為4.5m3，以盾構(gòu)間隙填充飽滿，沒有漿液滲漏，地表監(jiān)測穩(wěn)定為宜。

（3）優(yōu)化注漿方式。注漿采取4 路單管單控，單獨計量方量，四路同時注入漿液，確保管片周圍注漿均勻行成包圍圈，避免單點或兩點注漿導(dǎo)致漿液不能形成環(huán)箍，影響注漿效果。

（4）及時采取二次補漿措施。本項目盾構(gòu)機下穿建筑物及地層敏感帶時，實施二次注漿，達到加強隧道襯砌加固的目的。二次注漿選用單液漿，采用注漿壓力和注漿量雙控原則，注漿位置以中上部為主，防止二次注漿造成管片上浮或錯臺。

4.4 嚴(yán)格進行管片選型和拼裝工作

每環(huán)盾構(gòu)掘進，安排專人測量盾尾間隙兩次，結(jié)合盾構(gòu)機掘進姿態(tài)及油缸行程差，進行管片選型。管片安裝到位后，使用扭矩扳手使螺栓初緊、復(fù)緊、終緊達到標(biāo)準(zhǔn)要求，及時伸出相應(yīng)位置的推進油缸頂緊管片，其頂推力應(yīng)大于穩(wěn)定管片所需力，然后，方可移開管片安裝機。

4.5 強化沉降監(jiān)測

（1）加密布設(shè)監(jiān)測點。沿盾構(gòu)區(qū)間中心線隧道方向布設(shè)測點，在盾構(gòu)始發(fā)、到達段30m 內(nèi)，加密布設(shè)測量監(jiān)測點，每5m 設(shè)一斷面；其他位置每10m 布設(shè)線路中線測點；每30m布設(shè)大斷面測點，每斷面左右線咬合布設(shè)5 ～9 個地表沉降監(jiān)測點，間距為3 ～8m，分別布設(shè)于線路中心線及距離隧道中心線3.3m、5m、9m 位置。

（2）保證沉降監(jiān)測頻率。地面沉降監(jiān)測頻率每12h/次，盾構(gòu)施工至建構(gòu)筑物段時加密監(jiān)測，每6 小時/次，觀察沉降速率及沉降值。按時將測量沉降情況向盾構(gòu)作業(yè)隊做交底，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時，必須進行警情報送，確保盾構(gòu)操作手能夠及時調(diào)整掘進參數(shù)。

（3）引入人工復(fù)測機制。在盾構(gòu)機測量導(dǎo)向系統(tǒng)測量盾構(gòu)機姿態(tài)的同時，每20 環(huán)由人工對管片姿態(tài)進行復(fù)測，與導(dǎo)向系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行對比，規(guī)避測量誤差。

5 盾構(gòu)掘進效果

杭州地鐵十號線3 標(biāo)隱～莫盾構(gòu)區(qū)間左線全長971 米，自2020 年1 月12 日始發(fā)，5 月25 日貫通，平均進度215 米/月，通過合理化管控，掘進姿態(tài)全面受控，管片錯臺、開裂現(xiàn)象得到了有效遏制，成型隧道質(zhì)量較杭州地鐵二號線得到了大幅提升。

6 結(jié)語

盾構(gòu)機在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進，盾構(gòu)機姿態(tài)控制難、管片開裂等問題較為常見，在杭州地鐵十號線3 標(biāo)隱～莫盾構(gòu)區(qū)間掘進過程中，我們按照“地層是基礎(chǔ)、設(shè)備是關(guān)鍵、人是根本”的盾構(gòu)施工管理理念，強化對地層的研究認知，優(yōu)化設(shè)備選型及配置，合理選擇控制掘進參數(shù)，嚴(yán)控注漿配合比及注漿量，規(guī)范管片選型及拼裝作業(yè)，加強測量沉降監(jiān)測管理，解決盾構(gòu)機姿態(tài)控制難、管片易開裂等淤泥質(zhì)軟土盾構(gòu)掘進常見問題，在確保盾構(gòu)安全、快速掘進的同時，也為今后在類似地層條件下的盾構(gòu)施工提供借鑒及經(jīng)驗。