泥巖地層小曲線盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏及防止管片上浮控制技術(shù)

李 鵬

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

廣西南寧地區(qū)主要以泥巖類地層和圓礫地層為主，在泥巖地層中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，小曲線段糾偏困難，容易超限。管片普遍上浮，且上浮量較大，造成隧道出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏多采用調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和增加單側(cè)千斤頂?shù)却胧?，管片上浮控制多采用調(diào)整同步注漿配合比等措施[1]，未能根本解決問(wèn)題。文章以南寧地鐵3號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)施工為實(shí)例，介紹了盾構(gòu)機(jī)在泥巖地層施工中遇到的姿態(tài)調(diào)整和管片上浮問(wèn)題及其解決措施，為今后類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

南寧地鐵3號(hào)線大雞村站～興桂路站區(qū)間隧道左線和右線均選用中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，先后從大雞村站始發(fā)，到興桂路站接收，局部側(cè)穿紅日山湖小區(qū)。左線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 093 m，右線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 062 m。平面最小曲線半徑為450 m；線路最大縱坡23.6‰，最小縱坡2‰。

1.2 區(qū)間地質(zhì)

區(qū)間隧道埋深約19.6～40.5 m，洞身主要穿越地層為⑦1-3層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度1.1～3.4 MPa，呈灰色、青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，成巖程度較深，呈半巖半土狀，手捏有滑膩感，微膨脹性，自穩(wěn)性強(qiáng)，沿線地下水貧乏，主要為上層滯水、微承水。圖1為大雞村站～興桂路站區(qū)間縱面地質(zhì)示意圖，圖2為⑦1-3泥巖芯樣圖。

圖1 區(qū)間縱面地質(zhì)狀況 圖2 泥巖芯樣

2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

2.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化規(guī)律

右線盾構(gòu)掘進(jìn)至201～254環(huán)時(shí)，進(jìn)入了R450 m圓曲線段，盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)呈“波浪線”變化，盾構(gòu)尾點(diǎn)水平姿態(tài)出現(xiàn)“甩尾”，并跟隨前點(diǎn)變化，尾點(diǎn)水平姿態(tài)從201環(huán)+18 mm變化到227環(huán)-66 mm，再變化到248環(huán)+20 mm，變化一個(gè)循環(huán)約50環(huán)(環(huán)寬1.5 m)，如圖3所示。通過(guò)圖中數(shù)據(jù)，可看出在泥巖地層中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏緩慢，難以糾偏。

圖3 水平姿態(tài)曲線

掘進(jìn)201～254環(huán)時(shí)，盾構(gòu)豎向姿態(tài)整體處于上升趨勢(shì)，過(guò)程中嘗試將姿態(tài)往下壓，下壓過(guò)程中尾點(diǎn)往上“甩尾”，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)出現(xiàn)上漂，下壓調(diào)整困難。管片姿態(tài)隨之而上，出現(xiàn)較大上浮，上浮量約30～80 mm，到249環(huán)上升到最高點(diǎn)+89 mm，見(jiàn)圖4。

圖4 豎向姿態(tài)曲線

2.2 姿態(tài)糾偏困難原因分析

2.2.1 地質(zhì)條件限制

地質(zhì)為全斷面泥巖，較密實(shí)且具有一定的強(qiáng)度，具有一定的微膨脹性，不利于小曲線姿態(tài)控制。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)：盾構(gòu)機(jī)往任何方向糾偏，即使掘進(jìn)油缸分區(qū)壓力差超過(guò)200 bar(1 bar=0.1 MPa)，糾偏依然困難。

2.2.2 刀具配置不合理

盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖刀具配置不合理，沒(méi)有配置盾構(gòu)機(jī)超挖刀、刀盤開(kāi)挖面直徑偏小、刀盤開(kāi)口率過(guò)小導(dǎo)致刀盤容易結(jié)泥餅等因素，不利于小曲線盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎。

2.2.3 盾尾間隙變化

管片選型不合理，盾尾間隙變化忽大忽小，盾構(gòu)機(jī)與管片軸線產(chǎn)生較大夾角，產(chǎn)生橫向分力不利于掘進(jìn)油缸受力而使盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整困難；盾尾殼與管片之間相互擠壓易出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量問(wèn)題。

2.2.4 掘進(jìn)

糾偏過(guò)程中，掘進(jìn)油壓較大，油壓值達(dá)到300 bar以上，但盾構(gòu)油壓過(guò)大姿態(tài)依然無(wú)法糾偏或者不明顯。油壓過(guò)高可能導(dǎo)致液壓油管爆裂，也可能導(dǎo)致掘進(jìn)油缸內(nèi)泄損壞，不利于糾偏，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)油缸檢查和維修。

2.2.5 掘進(jìn)模式不合理

掘進(jìn)模式和掘進(jìn)參數(shù)不合理，如采用實(shí)土壓模式掘進(jìn)，倉(cāng)內(nèi)出現(xiàn)結(jié)泥餅等現(xiàn)象，倉(cāng)內(nèi)阻力較大，需抵消更大的推力，從而加重了掘進(jìn)油缸的負(fù)荷，有效作用力減小，不利于糾偏。

2.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制措施

2.3.1 調(diào)整刀具配置

刀盤采用復(fù)合式刀盤結(jié)構(gòu)形式，開(kāi)口率36%，刀具配置滾刀、刮刀、撕裂刀組合方式，邊緣配置滾刀和焊接撕裂刀、邊緣刮刀，正面和中心配置刮刀和撕裂刀。刀盤面板上布置有4個(gè)泡沫注入孔，2個(gè)膨潤(rùn)土注入口，可輔助注入添加劑，有效改良渣土。復(fù)合刀盤如圖5所示。

圖5 復(fù)合刀盤

盾構(gòu)機(jī)刀盤需配置軟土切削式超挖刀，最大擴(kuò)挖深度40 mm，且可通過(guò)程序控制在不同角度范圍設(shè)置自動(dòng)伸出和收回，可在一定角度范圍進(jìn)行擴(kuò)挖，設(shè)定擴(kuò)挖半徑，達(dá)到定向定量擴(kuò)挖效果。擴(kuò)挖后可減少盾體外周與土體間的摩擦力，同時(shí)讓盾體在開(kāi)挖洞內(nèi)有一定的空隙擺動(dòng)，從而有利于盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎和糾偏。

2.3.2 控制盾尾間隙

加強(qiáng)管片合理選型，管片跟隨盾構(gòu)機(jī)變化，糾偏過(guò)程中將盾尾間隙調(diào)整均勻，每環(huán)對(duì)盾尾間隙進(jìn)行實(shí)量，這樣可減小油缸產(chǎn)生的橫向分力、減少管片錯(cuò)臺(tái)等，使盾構(gòu)機(jī)有間隙余量進(jìn)行糾偏。

2.3.3 變更掘進(jìn)模式

用氣壓模式替代實(shí)土壓模式掘進(jìn)，降低總推力，一般推力控制在12 000～15 000 kN，可產(chǎn)生較大的有效掘進(jìn)油壓差，同時(shí)避免倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅、降低刀盤扭矩、減少管片破損，更利于姿態(tài)糾偏和質(zhì)量控制。

2.3.4 控制土倉(cāng)壓力

由于土壓過(guò)高，甚至為滿倉(cāng)實(shí)土壓掘進(jìn)，掘進(jìn)油壓差值雖然很大，但是上部和下部或者左部和右部實(shí)現(xiàn)到姿態(tài)糾偏上的有效油壓差太小，因大部分推力用來(lái)抵消盾體外周的摩擦阻力和土倉(cāng)壓力產(chǎn)生的反作用力，所以，降低盾體外周摩擦阻力和適當(dāng)降低土倉(cāng)壓力是有效控制姿態(tài)的間接措施。

2.3.5 調(diào)整鉸接油缸

盾構(gòu)機(jī)采用被動(dòng)鉸接式油缸，在糾偏中應(yīng)經(jīng)常性進(jìn)行收緊和放松調(diào)整鉸接油缸，讓其自適應(yīng)糾偏線型的變化，及時(shí)調(diào)整順應(yīng)線型變化。如果盾構(gòu)機(jī)為主動(dòng)式鉸接，應(yīng)根據(jù)曲線線型將主動(dòng)鉸接角度調(diào)整為與曲線線型一致并保持。

2.3.6 控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)

泥巖可壓縮性小，具有微膨脹性，盾體前中盾長(zhǎng)約5 m，泥巖中姿態(tài)糾偏是靠擺動(dòng)盾尾來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)變化，盾構(gòu)尾點(diǎn)變化比較明顯，應(yīng)以控制盾構(gòu)前點(diǎn)的變化為主，糾偏量一般控制在2 mm/環(huán)，做到勤糾緩糾。在糾偏過(guò)程中，使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)呈“階梯式”調(diào)整，不能一直往同一個(gè)方向調(diào)整而不注意“剎車”或是“剎車”太晚，導(dǎo)致姿態(tài)呈“波浪線”變化。

2.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制效果

通過(guò)采取上述姿態(tài)控制措施，盾構(gòu)機(jī)在泥巖地層掘進(jìn)時(shí)，姿態(tài)控制良好，在280～315環(huán)段，水平方向前點(diǎn)和尾點(diǎn)整體控制較平穩(wěn)，最大偏差值控制在27 mm以內(nèi)，波動(dòng)輻度較小；豎向前點(diǎn)和尾點(diǎn)整體控制較平穩(wěn)，前點(diǎn)與尾點(diǎn)的差值基本保持在35 mm左右，盾構(gòu)機(jī)保持“抬頭”趨勢(shì)掘進(jìn)；尾點(diǎn)主動(dòng)預(yù)壓低至-60 mm，以抵消管片上浮量。圖6為盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制效果曲線。

圖6 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制效果曲線圖

3 管片上浮控制

3.1 管片浮力計(jì)算

盾構(gòu)隧道是空心的筒體，在液體漿液未凝固時(shí)，產(chǎn)生對(duì)隧道管片上浮的作用力，如上浮作用力大于管片自重則管片上浮。以本區(qū)間隧道管片為例，管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，環(huán)寬1.5 m，計(jì)算如下：管片混凝土自重G=ρ×g×V=189 kN,浮力F=ρ水×g×v=415 kN，則G

另外，盾構(gòu)機(jī)的重量主要集中在盾構(gòu)前中盾，由于盾尾至臺(tái)車(約第1～12環(huán)管片)之間基本無(wú)荷載，管片脫出盾尾后失去了約束，同時(shí)受到同步漿液的上浮作用，出現(xiàn)較大的上浮。

3.2 管片上浮出現(xiàn)的問(wèn)題

管片脫出盾尾后，在距離盾尾不同距離時(shí)，管片持續(xù)上浮，到一定距離時(shí)上浮量達(dá)到最大值，如果控制不當(dāng)，則可能上浮太大造成隧道軸線超限，且出現(xiàn)大量管片錯(cuò)臺(tái)和破損等質(zhì)量問(wèn)題(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7 管片錯(cuò)臺(tái) 圖8 2點(diǎn)位管片破損

3.3 管片上浮變化規(guī)律

在泥巖地層中管片總體趨勢(shì)為上浮。從圖9管片實(shí)測(cè)上浮數(shù)據(jù)曲線可以看出：管片上浮最快是在脫出到盾尾第1環(huán)時(shí)，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)拼裝完成的管片有突變的過(guò)程，一般該突變引起上浮在20～30 mm；在脫出到盾尾第5環(huán)時(shí)，管片上浮量增加約10～20 mm；脫出盾尾到第10環(huán)時(shí)，管片上浮量增加約5～8 mm。隨著同步注漿漿液逐漸凝固穩(wěn)定，管片上浮數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，該階段時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般為2 d，在該時(shí)間段管片上浮量達(dá)到峰值，最終表現(xiàn)為整體上浮50 mm左右。

圖9 管片實(shí)測(cè)上浮數(shù)據(jù)曲線

3.4 管片上浮和破損原因分析

3.4.1 泥巖地層穩(wěn)定

泥巖地層較穩(wěn)定，開(kāi)挖后土體成拱不易塌土，管片比開(kāi)挖面小，土體對(duì)管片沒(méi)有約束力，存在上浮的空間。

3.4.2 漿液凝固時(shí)間長(zhǎng)

同步注漿漿液為惰性單液漿，初凝時(shí)間為8 h，同步注漿漿液凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，漿液浮力大于管片自重[2]，出現(xiàn)上浮，上浮后管片產(chǎn)生位移，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和破損。

3.4.3 二次注漿不及時(shí)

二次注漿不及時(shí)，管片上部漿液流失，未及時(shí)填充上部穩(wěn)定管片，導(dǎo)致管片上浮。

3.4.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定

盾構(gòu)姿態(tài)不穩(wěn)定，超限和糾偏過(guò)猛，單側(cè)油壓較大，管片受力不均導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)和破損。

3.4.5 盾尾間隙變化

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，管片選型不合理，導(dǎo)致盾尾間隙忽大忽小，盾尾與管片相互擠壓導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)和破損。

3.4.6 推力過(guò)大

在小曲線線型上，掘進(jìn)油缸對(duì)管片產(chǎn)生橫向分力，小曲線上糾偏時(shí)推力過(guò)大，導(dǎo)致管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和破損。

3.5 管片上浮控制措施

3.5.1 同步注漿

同步注漿是盾構(gòu)施工中不可缺少的步驟，漿液凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是導(dǎo)致上浮的主要因素。既要滿足盾構(gòu)施工要求，又要減小上浮力是泥巖地層施工中的難點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整同步注漿配合比，縮短初凝時(shí)間能有效減小管片上浮量[3]。調(diào)整后同步注漿初凝時(shí)間縮短至5 h，配合比水泥∶膨潤(rùn)土∶粉煤灰∶細(xì)砂∶水=150∶25∶400∶700∶400(kg)。

根據(jù)實(shí)際施工實(shí)踐，在自穩(wěn)性強(qiáng)的泥巖地層中，漿液不易滲透到周圍的土體中去，注漿擴(kuò)散系數(shù)一般取值為1.1～1.2。

3.5.2 二次注漿

分析管片上浮規(guī)律數(shù)據(jù)可看出，管片在脫出盾尾第1環(huán)到第15環(huán)時(shí)上浮較大，后期上浮量相對(duì)較小，二次注漿位置選擇在脫出盾尾第5至10環(huán)，并選擇在中上部開(kāi)孔注漿，采用水泥+水玻璃雙液漿速凝[1]，凝結(jié)時(shí)間約60 s，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整配比。一般注漿壓力不大于0.3 MPa，能有效把管片上部及時(shí)填充固結(jié)穩(wěn)定，減少管片后期移動(dòng)。因注漿位置距離盾尾較近，容易導(dǎo)致盾尾漏漿，同時(shí)要防止?jié){液沿盾體外周竄入土倉(cāng)，需在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)注漿。

3.5.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

掘進(jìn)過(guò)程中要穩(wěn)住盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，根據(jù)管片上浮量主動(dòng)壓低盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，提前做好預(yù)偏量來(lái)抵消上浮量，確保成型隧道軸線在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，一般豎向預(yù)偏量設(shè)為-60～-80 mm。根據(jù)本區(qū)間隧道平面曲線R450 m右轉(zhuǎn)彎，實(shí)測(cè)管片水平位移平均為-25 mm，因此，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)水平方向預(yù)偏量控制在+25 mm。

3.5.4 管片選型

加強(qiáng)管片選型和選點(diǎn)，跟隨盾構(gòu)機(jī)糾偏曲線變化，確保盾尾間隙均勻，盾尾間隙不宜小于40 mm。

3.5.5 管片螺栓復(fù)緊

管片拼裝嚴(yán)格執(zhí)行螺栓三次復(fù)緊，從而減小管片錯(cuò)臺(tái)和破損，以及防止管片橢變。拼裝時(shí)將螺栓打緊一次；每環(huán)掘進(jìn)300 mm行程且總推力達(dá)到正常值后，進(jìn)行第2次復(fù)緊；管片到達(dá)盾尾刷位置時(shí)，盾尾刷對(duì)管片有一定的約束力，此時(shí)進(jìn)行第3次復(fù)緊。

3.5.6 人工姿態(tài)測(cè)量復(fù)核

因管片后期產(chǎn)生位移，導(dǎo)致管片上安裝的測(cè)量吊籃坐標(biāo)發(fā)生變化，測(cè)量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)較大的偏差，因此，在泥巖地層中要加大人工測(cè)量復(fù)核的頻率，減小姿態(tài)誤差；并及時(shí)進(jìn)行管片姿態(tài)的測(cè)量，根據(jù)管片姿態(tài)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，確保管片軸線偏差在允許范圍內(nèi)。

4 成型隧道質(zhì)量

通過(guò)上述對(duì)問(wèn)題的分析研究和各方面的措施控制，達(dá)到了良好的效果，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制平穩(wěn)，不但提高了施工工效，而且隧道線型未超限，隧道質(zhì)量得到提高，管片錯(cuò)臺(tái)和破損明顯減少，質(zhì)量控制良好(如圖10所示)。

圖10 成型隧道