淺析軟土層中盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制技術(shù)

許毓昌

摘 要：天津市地形自西北向東南逐漸降低，本工程場地為海積—沖積濱海平原，區(qū)間施工范圍內(nèi)主要以軟土層等為主，地層自穩(wěn)性相對較差，因此在軟土層中盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制是盾構(gòu)施工的一大難點。本文通過實例，闡述了在軟土地層中，通過優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)及二次注漿等措施，確保盾構(gòu)姿態(tài)穩(wěn)定、可控。

關(guān)鍵詞：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟土層;盾構(gòu)機掘進速度;同步注漿漿液;盾構(gòu)機姿態(tài)控制

1 工程概況

天津地鐵11號線一期工程某區(qū)間為全地下盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間管片襯砌采用形式為通用楔形環(huán)襯砌，管片內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 200 mm，厚度350 mm，環(huán)寬1 500 mm，楔形量為30.3 mm（雙面楔形）。區(qū)間單線長1 374.231 m，最小平面曲線半徑800 m，縱坡為“V”字坡，最大縱坡26‰;區(qū)間埋深約10.01 m～21.25 m，盾構(gòu)隧道所穿越地層主要以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂等軟土層為主。盾構(gòu)在軟土層掘進過程中由于周邊土體約束力小，極易造成姿態(tài)糾偏困難。區(qū)間主要穿越地層巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標詳見表1。

2 軟土層掘進姿態(tài)難以控制原因分析

區(qū)間線路頂部不均勻分布⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地層工程性質(zhì)相對較差，尤其是覆土較淺段存在0.5 m～1.5 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，盾構(gòu)掘進過程中，在刀盤切削后對松軟地層有一定的擾動，軟土層無法提供充足的反力，導(dǎo)致盾體整體位移量大、盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制，極易造成盾尾姿態(tài)上臺或者左右擺動的情況。在盾構(gòu)掘進過程中，可能影響盾構(gòu)掘進姿態(tài)難以控制的主要因素如下：

2.1 軟土層土體收縮

根據(jù)區(qū)間巖土工程勘察報告，區(qū)間隧道洞身主要以⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥4粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土及⑨1粉質(zhì)黏土為主，含水量介于16.0%～32.9%，呈流塑—可塑狀態(tài)，其中⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土位于區(qū)間上部呈流塑狀，承載力特征值為80 kPa。本區(qū)間盾構(gòu)機掘進過程中，經(jīng)刀盤轉(zhuǎn)動后地層具有一定的流動性和滲透性，尤其是流塑狀的⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層最為明顯。由于區(qū)間軟土地層具有含水率高、孔隙比大、強度低等特點，盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整過程中，盾體通過時對地層有一定的擠壓，導(dǎo)致軟土層土體收縮，使得盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制。

2.2 盾構(gòu)機掘進速度控制

盾構(gòu)掘進由操作司機在盾構(gòu)操作室內(nèi)進行，由技術(shù)人員經(jīng)計算初設(shè)正面土壓力值。土壓力值根據(jù)隧道埋深、土層性質(zhì)和地面超載計算，實際設(shè)定值根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果適時調(diào)整。操作司機根據(jù)設(shè)定的正面土壓力自動控制掘進速度或出土速度。當掘進姿態(tài)難以控制時，掘進速度過快，對軟土層造成的擾動加大，地層無法為盾體提供足夠的約束力，導(dǎo)致盾體整體位移、掘進姿態(tài)難以調(diào)整。

2.3 同步注漿參數(shù)控制

盾構(gòu)同步注漿裝置由注漿泵、清洗泵、同步注漿罐、注漿管路、閥件等組成，安裝在第一節(jié)臺車上。當盾構(gòu)掘進時，注漿泵將同步注漿罐中的漿液泵出，通過四條獨立的輸漿管道，通到盾尾殼體內(nèi)的4根同步注漿管，對管片外表面的環(huán)行空隙中進行同步注漿，及時填充管片與刀盤開挖直徑間的間隙。軟土地層中，同步注漿漿液初凝時間過長，導(dǎo)致脫出盾尾管片與土體未能及時得到有效的支護，成型管片整體穩(wěn)定性差，在姿態(tài)調(diào)整期間，管片難以提供穩(wěn)定的反力導(dǎo)致糾偏困難。

2.4 推進油缸區(qū)壓控制

盾構(gòu)機推進油缸結(jié)合管片分塊角度，合理對推進油缸進行4個分區(qū)設(shè)置，通過16組推進油缸區(qū)壓差進行盾構(gòu)姿態(tài)的控制。結(jié)合本區(qū)間施工經(jīng)驗，軟土地層中通過較大的區(qū)壓差難以實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，當推進油缸區(qū)壓差超過90 bar～100 bar，盾構(gòu)推進油缸作用在管片上的分力越大，盾構(gòu)切口姿態(tài)與設(shè)計軸線偏差值在縮小的過程中，鉸接與盾尾由于軟土層中土體反力較小，導(dǎo)致鉸接及盾尾姿態(tài)變化較大，難以有效的進行糾偏。

3 盾構(gòu)姿態(tài)控制措施

3.1 軟土層土體收縮

（1）軟土層掘進中，適當降低刀盤轉(zhuǎn)速，提高貫入度，減小盾構(gòu)機刀盤對軟土層土體的擾動。

（2）每環(huán)姿態(tài)調(diào)整過程中，采用“勤糾，緩糾”的原則，減小盾體對軟土層土體的二次擠壓。

（3）及時對脫出盾尾后3環(huán)采用雙液漿進行壓漿，填充土體由于盾體及同步注漿壓力導(dǎo)致的收縮量，有效、快速提高管片與土體間的穩(wěn)定性。

（4）本區(qū)間隧底處于微承壓水層中，根據(jù)隧道內(nèi)管片成型姿態(tài)及時進行注漿，控制成型管片上浮量不超過20 mm，保證隧道成型的穩(wěn)定及管片質(zhì)量的良好性。

（5）通過盾構(gòu)機臺車長度計算，每掘進35環(huán)后需進行一次測量搬站，提前對全站儀安裝區(qū)域3環(huán)管片采用雙液漿進行注漿，對管片與外界土體間的間隙進行加固，確保盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

3.2 盾構(gòu)機掘進速度

（1）適當降低盾構(gòu)機掘進速度，本區(qū)間存在黏土夾層，可根據(jù)出渣情況適當在泡沫原液內(nèi)加入分散劑對渣土進行改良，保持螺旋機出渣的連續(xù)性。根據(jù)本工程經(jīng)驗，保持在25 mm/min～30 mm/min的掘進速度，盾構(gòu)姿態(tài)較為穩(wěn)定。

（2）保持每環(huán)管片盾構(gòu)機連續(xù)、勻速掘進，減少掘進過程中停機時間，避免軟土層中由于掘進期間多次停機，導(dǎo)致盾構(gòu)機姿態(tài)波動較大。

3.3 同步注漿參數(shù)控制

（1）同步注漿漿液質(zhì)量直接影響成型隧道管片與土體之間的間隙填充效果以及管片在土體中的穩(wěn)定性能，結(jié)合軟土地層擴散系數(shù)大及天津地鐵等類似的施工經(jīng)驗，經(jīng)過多次配比調(diào)整，通過提高水泥及砂的摻量，有效縮短漿液初凝時間及漿液稠度的控制，經(jīng)過試驗，最終采取水泥：水：砂：粉煤灰：膨潤土為300 kg ：387 kg ：250 kg ：300 kg ：150 kg的配比進行施工，漿液初凝時間由原來的6 h縮短至4.5 h，漿液稠度達到10 cm，具有良好的泵送性能，滿足軟土地層盾構(gòu)機掘進期間對同步注漿漿液質(zhì)量的設(shè)計、規(guī)范要求。

（2）區(qū)間采用開挖直徑6 470 mm盾構(gòu)機進行掘進，綜合始發(fā)前100環(huán)同步注漿量，該軟土地層土體擴大系數(shù)為1.61 m3～1.74 m3。不同地層可根據(jù)注漿壓力進行調(diào)整，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過同步注漿壓力及同步注漿量進行雙控，本區(qū)間實際注漿量在6.5 m3～7.0 m3。

（3）軟土地層中需控制好同步注漿壓力及速度，在保證注漿量的前提下，同步注漿需做到與盾構(gòu)機掘進速度相匹配，通過4路注漿管進行均勻、連續(xù)注漿，在微承壓水層中，注漿壓力可適當提高0.1 bar～0.2 bar，保證整環(huán)管片壁厚漿液填充飽滿、均勻。

3.4 推進油缸區(qū)壓控制

（1）合理設(shè)置盾構(gòu)推進油缸區(qū)壓，根據(jù)本區(qū)間盾構(gòu)在軟土地層中掘進施工經(jīng)驗，嚴格控制水平及垂直方向推進油缸區(qū)壓差超過90 bar。

（2）調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)期間，配合主動鉸接進行緩糾。根據(jù)線路設(shè)計參數(shù)，對鉸接行程差進行計算，通過鉸接油缸區(qū)壓保持盾構(gòu)機切口姿態(tài)與設(shè)計線路的一致，穩(wěn)住鉸接和盾尾姿態(tài)，待盾構(gòu)機往設(shè)計線路靠近的趨勢增大后，再適當通過區(qū)壓進行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，減小由于推進油缸區(qū)壓差過大導(dǎo)致盾體整體位移、姿態(tài)惡化的情況發(fā)生。

4 結(jié)束語

軟土地層盾構(gòu)掘進施工過程中姿態(tài)難以控制受多種因素影響，通過本區(qū)間不斷優(yōu)化掘進參數(shù)的情況下，及時對脫出盾尾后3環(huán)管片采用雙液漿進行補強、控制好盾構(gòu)掘進速度、提高同步注漿初凝時間、對推進油缸區(qū)壓及主動鉸接的合理運用，最大程度減少姿態(tài)調(diào)整期間對軟土地層的擾動，減少盾構(gòu)機在軟土地層中由于“甩尾”姿態(tài)難以控制的現(xiàn)象發(fā)生，保證盾構(gòu)機在軟土層掘進過程中能夠有效糾偏，確保盾構(gòu)機姿態(tài)穩(wěn)定、可控。