軟弱地層盾構(gòu)姿態(tài)失穩(wěn)與處理措施研究

李加金

摘要 成都軌道交通盾構(gòu)施工中，受砂卵石層、泥巖等軟弱巖層影響，易出現(xiàn)上浮問(wèn)題，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難度增大。文章結(jié)合盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制問(wèn)題，深入研究了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)原因，并針對(duì)性提出了姿態(tài)失穩(wěn)糾偏控制措施。復(fù)雜地層中的盾構(gòu)施工應(yīng)遵循“勤糾、緩糾”糾偏措施，并嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定；針對(duì)地下水和注漿造成的姿態(tài)上浮問(wèn)題，可通過(guò)加強(qiáng)止水和優(yōu)化注漿處理。曲線(xiàn)段掘進(jìn)施工中，通過(guò)合理制定糾偏方案，有效解決了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 軌道交通；隧道盾構(gòu)；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)；盾構(gòu)機(jī)糾偏

中圖分類(lèi)號(hào) U455.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0082-03

0 引言

當(dāng)前，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，受掘進(jìn)復(fù)雜斷面地層變化影響，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制可能出現(xiàn)偏離，嚴(yán)重時(shí)可能造成隧道偏離設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，導(dǎo)致隧道管片錯(cuò)臺(tái)、局部破損和滲漏水等病害[1]，嚴(yán)重影響隧道工程施工質(zhì)量和使用壽命。相關(guān)研究表明，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏差主要原因?yàn)榈刭|(zhì)條件變化；在泥巖、圓礫地層盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難度大、易超限[2]，并造成刀具偏磨、姿態(tài)上升、糾偏困難等問(wèn)題，以及管片上浮問(wèn)題上浮量較大等問(wèn)題。該文結(jié)合成都軌道交通30號(hào)線(xiàn)一期工程，深入研究了軟弱地層盾構(gòu)姿態(tài)失穩(wěn)原因及處理措施，旨在為軌道交通工程盾構(gòu)施工提供有益參考。

1 工程概況

成都市軌道交通30號(hào)線(xiàn)一期工程全長(zhǎng)26.284 km，軌道交通路線(xiàn)自雙流機(jī)場(chǎng)2航站樓站延伸至洪家橋站。該工程總體呈西南東北走向，全程為地下線(xiàn)，共規(guī)劃設(shè)計(jì)23座車(chē)站，其中包括14座換乘站。最大站間距為1 792.486 m，最小間距為362.176 m，平均站距為922 m。

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，該工程劃分為3站3區(qū)間，3站為趙家山站（302.72 m×20.9 m×14.5 m）、錦逸站（原皇經(jīng)樓站）（145 m×20.3 m×31.38 m）、嬌子立交站（159 m×22.7 m×36.5 m）。區(qū)間隧道襯砌外徑6.0 m、內(nèi)徑5.4 m，管片寬幅1.5 m、厚度300 mm，由6片管片組成。施工區(qū)段內(nèi)全部為盾構(gòu)施工。

2 工程巖土水文條件研究

根據(jù)巖土勘察文件揭示，擬建工程沿線(xiàn)地表第四系堆積層廣泛分布，表層土多為第四系全新統(tǒng)人工填土，以雜填土為主；嬌子立交站及周?chē)鸀榈谒南等陆y(tǒng)沖積層，錦逸站區(qū)間及周?chē)鸀榈谒南瞪细陆y(tǒng)冰水沉積、沖積層。巖土層自上而下依次為：黏性土、砂類(lèi)土、卵石土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖。軌道交通盾構(gòu)主要穿越泥巖層，由于泥巖具有巖質(zhì)極軟、強(qiáng)度低、遇水軟化、失水崩解等特點(diǎn)[3]。軌道交通施工中受泥巖性質(zhì)影響，起始站基坑覆土層易沿泥巖滑動(dòng)，造成基坑失穩(wěn)崩塌；盾構(gòu)施工中泥巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖自穩(wěn)性差，易出現(xiàn)隧道拱頂失穩(wěn)、側(cè)壁開(kāi)裂、基底隆起變形等問(wèn)題。

根據(jù)水文勘測(cè)，待建場(chǎng)址范圍內(nèi)的地下水上層以賦存滯水的雜填土、砂石土、卵石土為主，地下以第4系孔隙水和基巖裂隙水為主。其中，第四系孔隙水賦存于場(chǎng)地第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)砂卵石土層中，受上層滯水和河湖下滲補(bǔ)給，是對(duì)車(chē)站基坑和淺埋隧道有較大影響的一種強(qiáng)透水層?；鶐r裂隙水主要在強(qiáng)風(fēng)化基巖中賦存，富水段局部存在，隧道盾構(gòu)施工穿越該層時(shí)，受地下水影響較大。因此，在隧道中施工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的裂隙水。

3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)及原因分析

3.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)

工程盾構(gòu)施工中，施工單位采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在棬子樹(shù)站始發(fā)。施工單位在隧道開(kāi)挖后，嚴(yán)格按照“提前管理，嚴(yán)格注漿，短掘進(jìn)，強(qiáng)支護(hù)，快封閉，勤測(cè)量，嚴(yán)把每一根循環(huán)進(jìn)尺，確保前期支護(hù)及時(shí)到位，確保工序銜接”的原則進(jìn)行施工。盾構(gòu)隧道受力條件得到改善，隧道建設(shè)安全得到保障。然而，盾構(gòu)機(jī)在行駛至351環(huán)時(shí)，出現(xiàn)姿態(tài)異常上浮問(wèn)題，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)隨掘進(jìn)呈逆時(shí)針?lè)较驖L動(dòng)、呈“波浪線(xiàn)”水平姿態(tài)變化；由201環(huán)+18 mm變?yōu)?27環(huán)-66 mm，再變?yōu)?48環(huán)+20 mm，出現(xiàn)“甩尾”問(wèn)題，變動(dòng)周期約為50環(huán)。在現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)呈現(xiàn)上浮趨勢(shì)，施工單位嘗試下壓盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，在下壓過(guò)程中出現(xiàn)尾點(diǎn)“甩尾”的情況，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上浮、下壓難以調(diào)整，從而導(dǎo)致管片姿態(tài)上浮，浮量在30～80 mm，最大浮量出現(xiàn)在249環(huán)，最大點(diǎn)上浮+89 mm。盾構(gòu)機(jī)上浮、姿態(tài)調(diào)整困難直接影響盾構(gòu)隧道的調(diào)線(xiàn)調(diào)坡，并引發(fā)管片成形錯(cuò)臺(tái)、管片連接破損、隧道止水滲漏等問(wèn)題[4]，對(duì)盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

3.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)原因分析

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)的原因，主要包括地質(zhì)原因、地下水和漿液浮力、掘進(jìn)速度以及盾構(gòu)機(jī)逆向推力等原因，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)“上浮”的變化規(guī)律，結(jié)合工程地質(zhì)實(shí)際情況進(jìn)行分析。

3.2.1 地質(zhì)條件原因

該工程典型的盾構(gòu)隧道區(qū)間巖土為砂卵石和泥巖地層，巖層呈泥狀分布。由于砂卵石巖層巖質(zhì)自穩(wěn)性差，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工中，砂卵石地層受擾動(dòng)和自身重力作用影響，導(dǎo)致部分巖土層坍落，影響盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制。在進(jìn)行泥巖地質(zhì)施工時(shí)，風(fēng)化泥巖密實(shí)，有一定強(qiáng)度，略有膨脹性，但遇水易軟化，自穩(wěn)性較差，不利于控制小曲線(xiàn)姿態(tài)。因此，在泥巖地質(zhì)施工過(guò)程中，泥巖較難通過(guò)風(fēng)化處理而使泥巖變得光滑。在砂卵石、泥巖分布不均、圍巖變軟、盾構(gòu)姿態(tài)變化頻繁情況下，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難度增大且難以控制，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏難度增大，即使油缸分區(qū)壓力差≥200 bar（1 bar=0.1 MPa）時(shí)，盾構(gòu)機(jī)糾偏仍困難[5]。

3.2.2 地下水和漿液浮力

工程擬建場(chǎng)地的地下裂隙水含量豐富，第四系孔隙水和基巖裂隙水交互作用強(qiáng)。受地下水浮力和漿液浮力影響，盾構(gòu)機(jī)、管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

同時(shí)，地下水對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整產(chǎn)生不利影響。該工程采用小直徑盾構(gòu)機(jī)，局部富水區(qū)間上浮作用顯著，加之注漿漿液可能通過(guò)盾體與圍巖的間隙進(jìn)入土倉(cāng)，導(dǎo)致漿液不飽滿(mǎn)、浮力增大，進(jìn)而造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上浮、調(diào)整難度大。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，盾構(gòu)刀盤(pán)與管片之間存在建筑空間，管片完全脫出盾尾后需及時(shí)填充該空間，以達(dá)到約束管片位移的目的。該工程中，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑6.2 m、管片內(nèi)徑5.4 m、厚300 mm、寬1.5 m；按管片混凝土比重23 kN/m3、漿液密度1 825 g/m3、水密度1 000 kg/m3計(jì)算管片體積為42.39 m3，管片自重為196 kN；計(jì)算砂漿浮力為758.14 kN，地下水浮力為414.54 kN。由此可見(jiàn)，漿液浮力和地下水浮力大于管片自重，漿液和地下水浮力受盾尾（盾構(gòu)機(jī)自重350 t）約束；另一端受已固結(jié)水泥漿液約束不能上浮，而剛脫出盾尾的管片處于未固結(jié)漿液內(nèi)，可將盾尾管片視為兩端固定的“簡(jiǎn)支梁”，管片脫出盾尾后失去剛性約束并受軟弱圍巖影響，由此導(dǎo)致盾構(gòu)隧道施工中脫尾管片上浮問(wèn)題。

3.2.3 掘進(jìn)速度

盾構(gòu)施工中，當(dāng)掘進(jìn)速度進(jìn)尺過(guò)快，同步注漿與盾構(gòu)掘進(jìn)速度不匹配時(shí)，可能造成同步注漿量不足，漿液受重力作用影響流入盾構(gòu)機(jī)下部，不能有效填充盾構(gòu)頂部建筑間隙，造成漿液不能及時(shí)固結(jié)和固定管片，加劇了盾構(gòu)機(jī)上浮浮力和姿態(tài)調(diào)整難度，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上浮和管片上浮。

3.2.4 曲線(xiàn)段掘進(jìn)

在區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)期處于曲線(xiàn)段掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)油缸與隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)產(chǎn)生夾角，由“上軟下硬”地層提供偏轉(zhuǎn)附加扭矩，但受掌子面泥巖變軟、地層對(duì)刀盤(pán)提供扭矩不滿(mǎn)足要求等影響，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)相對(duì)設(shè)計(jì)線(xiàn)路偏轉(zhuǎn)（如圖1所示）、傾斜，造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難度增大。

4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制措施研究

針對(duì)軌道隧道施工中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難點(diǎn)問(wèn)題，施工單位針對(duì)性制定了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制措施，以預(yù)防和控制盾構(gòu)機(jī)上浮、管片上浮等問(wèn)題。

4.1 盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)控制和掘進(jìn)姿態(tài)控制

工程直線(xiàn)段盾構(gòu)施工中，施工單位應(yīng)結(jié)合掘進(jìn)地質(zhì)條件、覆土厚度、試掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)對(duì)直線(xiàn)段掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化刀盤(pán)扭矩、千斤頂推力等指令調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)；針對(duì)因巖土層性質(zhì)變化導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)的小偏差，應(yīng)及時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)優(yōu)化刀盤(pán)扭矩、千斤避免盾構(gòu)機(jī)“蛇”形掘進(jìn)，減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)巖土層的擾動(dòng)，單次糾偏≤4 mm/環(huán)。

區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)采用的是土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制關(guān)鍵在于平衡壓力參數(shù)的確定。工程中，施工單位應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)正面、盾構(gòu)體上方、盾構(gòu)體下方安裝土壓傳感器，并根據(jù)土壓傳感器、隧道埋設(shè)深度、土層性質(zhì)等因素，及時(shí)調(diào)整土壓，計(jì)算土倉(cāng)內(nèi)土壓，使土壓保持在計(jì)算數(shù)值的1.05～1.10倍之間，以減少土層變化對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的影響，減少盾構(gòu)施工對(duì)土層的擾動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)及時(shí)糾偏，保持土壓平衡，使盾構(gòu)機(jī)保持平穩(wěn)姿態(tài)。

4.2 地下水處理和注漿參數(shù)確定

在盾構(gòu)施工中，由于盾構(gòu)施工局部區(qū)間地下水富集，砂卵石層和泥巖受地下水影響軟化、塑化，施工至227環(huán)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，初步分析盾尾脫出管片上浮，帶動(dòng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)浮動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，施工單位針對(duì)泥巖厚度較大、地下水量較少的區(qū)間，采用封水環(huán)法止水，在管片脫出盾尾4～5環(huán)后，再進(jìn)行2～3環(huán)向封；環(huán)向封采用多孔管片，并用雙液漿進(jìn)行注漿；通過(guò)采用不同的砂漿配比，調(diào)整漿液凝結(jié)時(shí)間，達(dá)到控制管片上浮的目的；并在管片內(nèi)進(jìn)行封水環(huán)法止水，在管施工單位對(duì)管片脫出盾尾4～5環(huán)后，采用封水環(huán)法施工。施工中，施工單位通過(guò)二次注漿加強(qiáng)管片約束的方式，采用快凝型水泥和水玻璃雙液漿注漿，以防止盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象的進(jìn)一步加重。

針對(duì)地下水富集對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)姿態(tài)、管片上浮的影響，可以通過(guò)洞內(nèi)抽放的方式降低洞內(nèi)水壓。針對(duì)局部富水區(qū)域，施工單位自管片底部吊裝處開(kāi)孔。盾構(gòu)施工期間，盾構(gòu)機(jī)注漿管共有4路，其中上部注漿管2根，下部注漿管2根，上部注漿壓力與下部注漿比例為2∶1～3∶1，以減少盾構(gòu)姿態(tài)控制和管片上浮對(duì)同步注漿的沖擊。

為保證注封水環(huán)法止水質(zhì)量，施工單位應(yīng)加強(qiáng)注漿質(zhì)量控制（如表1所示），漿液初凝時(shí)間4～6 h，終凝時(shí)間8～12 h；固結(jié)體抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa的24 h，抗壓強(qiáng)度≥2.5 MPa的28 d；固結(jié)率≥95%，固結(jié)收縮率<5%。

4.3 掘進(jìn)速度控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，針對(duì)掘進(jìn)速度過(guò)快造成的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難點(diǎn)問(wèn)題，施工單位應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，砂卵石、泥巖巖層每班掘進(jìn)速度≤5環(huán)，每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間控制在2～2.5 h，推進(jìn)速度20～30 mm/min，并確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度與注漿量匹配，泥巖巖層注漿量≥5 m3、砂卵石巖層注漿量≥6 m3，確保同步注漿飽滿(mǎn)、充分。

4.4 曲線(xiàn)段姿態(tài)調(diào)整

針對(duì)曲線(xiàn)段巖層提供扭矩不足的問(wèn)題，施工單位在錦嬌區(qū)間曲線(xiàn)段進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)上浮姿態(tài)調(diào)整時(shí)增加2組推進(jìn)油缸，油缸直徑為325 mm，最大推力為320 t，行程200 mm增設(shè)推進(jìn)油缸之間焊接T字板；盾構(gòu)機(jī)需偏轉(zhuǎn)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)推進(jìn)油缸施加側(cè)向推力，油缸油壓差≤50 bar，千斤頂伸出長(zhǎng)度差≤50 mm，為盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整提供扭矩。增設(shè)油缸后，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)逐步穩(wěn)定，并逐漸恢復(fù)偏轉(zhuǎn)，軸線(xiàn)偏移速度減緩，盾構(gòu)角姿態(tài)開(kāi)始恢復(fù)，曲線(xiàn)段上浮偏差減小，盾構(gòu)軸線(xiàn)趨于穩(wěn)定。

曲線(xiàn)段盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制中，施工單位應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)、管片測(cè)量，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏差≥50 mm時(shí)停止掘進(jìn)，二次注漿處理；對(duì)管片浮度≥30 mm/d進(jìn)行加密測(cè)量，停止掘進(jìn)，浮度≥50 mm/d進(jìn)行二次注漿處理；單環(huán)糾偏≤5 mm，避免“急糾、猛糾”，防止盾構(gòu)機(jī)糾偏幅度過(guò)大造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

在砂卵石、泥巖巖層盾構(gòu)隧道施工中，受地質(zhì)、地下水等因素影響，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)易出現(xiàn)上浮、滾動(dòng)等問(wèn)題，造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)。施工單位在軟弱巖層盾構(gòu)施工中應(yīng)用工程施工經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制和掘進(jìn)速度控制，采取“勤整緩糾”糾偏措施，保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定。針對(duì)地下水和泥漿造成的姿態(tài)上浮問(wèn)題，可采取優(yōu)化注漿參數(shù)、加強(qiáng)止水等措施進(jìn)行處理。同時(shí)，曲線(xiàn)段盾構(gòu)施工中，可通過(guò)增設(shè)油缸頂推措施糾偏，確保盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定，預(yù)防和控制管片上浮問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]盧克剛， 楊林輝， 張穎超. 長(zhǎng)距離大坡度盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制研究[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2023（24）： 106-108.

[2]鐘小春， 易斌斌， 竺維彬， 等. 粉細(xì)砂地層盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)突變判斷方法[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023（7）： 42-47.

[3]李艷春， 鄧永忠， 馬杲宇， 等. 姿態(tài)偏轉(zhuǎn)引起的復(fù)合地層雙模盾構(gòu)卡機(jī)事故[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2023（11）： 4849-4857.

[4]趙俊， 王波， 劉鋒. 小半徑曲線(xiàn)隧道盾構(gòu)施工測(cè)控技術(shù)分析[J]. 煤炭科技， 2023（1）： 50-53.

[5]蘇棟， 譚毅俊， 沈翔， 等. 軟土地層加固對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)控及地層變形的影響研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2023（2）： 138-148+167.