陳 饋，馮歡歡

（盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

石家莊軌道交通1號線8標包括兩站（朝暉橋站、白佛站）、兩區(qū)間（朝暉橋站～白佛站區(qū)間、談固站～朝暉橋站區(qū)間）。朝暉橋站～白佛站區(qū)間位于中山東路下方，沿中山東路東西向敷設(shè)，采用盾構(gòu)法施工，全長598m。朝白區(qū)間頂覆土約10.2～12.6m，線路平面有兩處曲線（均為R=1 200m），線路縱向坡度呈V字坡。右線盾構(gòu)于2014年6月18日正式掘進，截至9月12日僅掘進383環(huán)共459.6m，月平均進度僅162m，施工中盾構(gòu)姿態(tài)控制困難，在107環(huán)、220環(huán)、290環(huán)、371附近先后4次出現(xiàn)較大的盾構(gòu)叩頭現(xiàn)象，7月28日、8月12日、8月16日、8月30日先后組織召開了4次專家會，并成立了專家管控組全面管控指導(dǎo)盾構(gòu)施工，但仍未有效解決盾構(gòu)叩頭問題。9月12日，再次組織召開了專家會，對盾構(gòu)叩頭問題進行了深入分析論證，并提出了專項措施，實施效果良好。

1.1 地質(zhì)概況

盾構(gòu)區(qū)間穿越的地層主要為：粉細砂④1層、粉質(zhì)粘土⑤1層、細中砂⑥1層中，拱頂主要以粉細砂為主。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，地下水開采較為嚴重,地下水類型以潛水為主。但由于大氣降水、上穿污水管道滲漏等原因，沿線局部存在上層滯水。

1.2 沿線管線及建筑物

朝白區(qū)間正穿中山東路，該路面年久失修，路面龜裂、坑洼嚴重。同時交通流量大，過往的公交車等重型車輛多。道路兩側(cè)建筑物距離隧道結(jié)構(gòu)較遠，區(qū)間隧道與周邊鄰近建筑物最小間距15m左右。

區(qū)間隧道上方正穿污水管、雨水管、橫穿3處熱力管溝。污水管周邊滲水嚴重（圖1a），管道回填土壓實差。根據(jù)現(xiàn)場補勘，管線周圍滲漏比較嚴重，導(dǎo)致拱頂上部土層地面以下3.5m含水率高，成泥狀（圖1b），并有水囊。

2 盾構(gòu)叩頭分析

2.1 叩頭現(xiàn)象

1）220環(huán)附近 盾構(gòu)掘進至220環(huán)時，盾構(gòu)上部盾尾間隙開始呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，且無法調(diào)整，推進過程中推力達到2 100～2 400t，推進速度緩慢，盾構(gòu)垂直姿態(tài)下降，出現(xiàn)叩頭趨勢。每環(huán)推進過程中姿態(tài)整體下降約2～3mm，在進行管片拼裝時，前點下降約4～5mm，后點姿態(tài)基本無變化。針對出現(xiàn)的盾構(gòu)叩頭現(xiàn)象，主要通過對上部推進油缸卸力，同時加大下部推力，從而增大俯仰角，以使盾構(gòu)姿態(tài)上抬，但因盾構(gòu)總推力過大，改善效果不佳。當(dāng)盾構(gòu)掘進至229環(huán)時，盾構(gòu)垂直姿態(tài)累計下降70mm，同時在管片拼裝過程中，盾體下降速度更快，達到每環(huán)3～8mm。在掘進至230環(huán)時，仍采取對上部推進油缸卸力，使姿態(tài)上抬，但實施后效果不明顯，由于盾尾持續(xù)下降較快，導(dǎo)致仰俯角由-2mm/m變?yōu)?，且在管片拼裝過程中，盾構(gòu)垂直姿態(tài)出現(xiàn)異常，也伴隨著下降了3mm。

2）371環(huán)附近 盾構(gòu)掘進至371環(huán)時，盾構(gòu)垂直姿態(tài)再次出現(xiàn)整體下降，371環(huán)垂直姿態(tài)：前點16mm、后點3mm；372環(huán)垂直姿態(tài)：前點10mm、后點-2mm；盾構(gòu)垂直姿態(tài)前點下降趨勢大于后點，開始逐漸形成叩頭趨勢。375環(huán)垂直姿態(tài)：前點-13mm、后點-11mm，仰俯角變?yōu)樨撝怠?77環(huán)垂直姿態(tài)：前點-28mm、后點-24mm，379環(huán)垂直姿態(tài)：前點-50mm、后點-39mm，381環(huán)垂直姿態(tài)：前點-58mm、后點-58mm，382環(huán)垂直姿態(tài)：前點-63mm，后點-67mm。379～383環(huán)推進過程中，每環(huán)姿態(tài)前點下降約2～3mm，后點約5～6mm；在收油缸進行管片拼裝時，前點下降約2mm，后點姿態(tài)基本無變化。

2.2 叩頭分析

1）人員原因 第一次出現(xiàn)叩頭時，前期由于盾構(gòu)施工人員對極軟弱地層施工經(jīng)驗不足，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進在由粉質(zhì)粘土層進入承載力較差的細砂軟弱地層時，盾構(gòu)操作人員對地層預(yù)判不足，掘進參數(shù)選取不理想，造成盾構(gòu)姿態(tài)相對較差[1]。

2）停機原因 在盾構(gòu)檢修、故障排查、盾構(gòu)叩頭處理等原因造成盾構(gòu)的非正常停機時間較長，由于區(qū)間隧道為粉細砂層、細中砂層，地層自穩(wěn)性差，在盾構(gòu)恢復(fù)掘進時，盾殼受周邊土體固結(jié)以及盾構(gòu)下沉等影響，對土體擾動較大[2-3]。

3）地質(zhì)原因 本項目所在的朝暉橋、白佛客運站，均為石家莊市匯水最低處，導(dǎo)致朝白區(qū)間地層極軟弱。朝白區(qū)間隧道上方正穿DN 1000mm雨水道、DN 500mm污水管，監(jiān)測點處受雨水和污水管道滲漏長期浸泡，周邊滲水嚴重，同時管道回填土壓實差，后期需要持續(xù)沉降。經(jīng)打孔勘查上部土體存在淤泥層和水囊。

朝白佛站區(qū)間覆土約10.2～12.6m，盾構(gòu)掘進底部高程為16.45～18.85m，根據(jù)補勘該層持力層主要為⑥層細砂。⑥層細砂層勘察期間局部見該層中含水量較大，砂質(zhì)不純，局部為粉砂、中砂及少量薄層粉土。薄層粉土分布不均，多呈0.2～0.3m的透鏡體狀，局部呈軟塑狀態(tài)。

由于盾構(gòu)掘進持力層為細砂層，夾雜0.2～0.3m透鏡體狀薄層粉土。該地層承載力較低、壓縮性中等。盾構(gòu)掘進碴土改良致使土體含水率變化，部分地基土承載力、壓縮性等力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大變化，造成承載力驟減。

4）姿態(tài)原因 為避免盾構(gòu)叩頭，在部分粉細砂層、細中砂層易叩頭地段，較一般地層需增大仰俯角，同時加大下部推力和減小上部油缸推力，造成管片與盾尾軸線不居中，盾尾傾角導(dǎo)致盾尾與管片摩擦力增大，致使盾構(gòu)掘進時總推力較大，掘進速度較慢。

5）糾偏原因 在極軟弱地層掘進，盾構(gòu)底部地層具有可壓縮性，盾構(gòu)的自重幾乎全靠盾尾和推進油缸支撐在管片上，類似于懸臂式受力，從而造成頂部的盾尾刷極易變形和損壞，造成頂部盾尾間隙過小及盾構(gòu)整體下沉[4]。

6）拼裝原因 拼裝管片時，盾尾底部的隧道清洗漿或雜質(zhì)未清理干凈，在管片拼裝時進入盾尾刷，造成盾構(gòu)下部的盾尾密封失效，同步注漿液進入盾尾刷造成聚積凝結(jié)，導(dǎo)致管片下部盾尾間隙進一步加大，鉸接油缸壓力較大，造成有效推力減少，不能形成抬頭的推力差。

3 初步措施與效果

3.1 成立專業(yè)管控組

成立了由具有類似地層豐富施工經(jīng)驗的盾構(gòu)技術(shù)人員組成的專業(yè)管控組，全程管控指導(dǎo)盾構(gòu)掘進施工，對出現(xiàn)的施工問題及時分析并采取針對性措施。

3.2 加強管理措施

1）加強對盾構(gòu)及配套設(shè)備的維保，盡量減少設(shè)備故障率造成的停機，縮短盾構(gòu)叩頭處理等非正常停機時間。同時加強現(xiàn)場管理，合理組織，縮短因工序轉(zhuǎn)換造成的停機時間。

2）加強對作業(yè)隊長、盾構(gòu)操作司機、機電工程師、測量工程師等盾構(gòu)施工主要管理人員的配置和培訓(xùn)，并進行專項考核[5]。

3.3 設(shè)備系統(tǒng)檢測

針對盾構(gòu)多次出現(xiàn)叩頭問題，委托第三方檢測中心對盾構(gòu)進行了設(shè)備狀態(tài)檢測評估。對推進系統(tǒng)及鉸接系統(tǒng)進行了檢測評估。經(jīng)檢測，設(shè)備運行過程中各組推進油缸、鉸接油缸油壓及行程實測值與上位機顯示值一致，推進系統(tǒng)與鉸接系統(tǒng)運行正?？煽亍Ω飨到y(tǒng)進行了狀態(tài)檢測，通過振動測試儀、溫度測試儀、內(nèi)窺鏡、溫濕度計、油品快速檢測儀、秒表等儀器診斷各系統(tǒng)使用狀況。通過對主機及后配套設(shè)備運行狀態(tài)功能進行檢驗、輔助設(shè)備旋轉(zhuǎn)振動測試、液壓泵及主驅(qū)動機械振動測試對盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)進行了評估，通過油品檢測分析了各部件的磨損情況，從專業(yè)、系統(tǒng)角度全面分析了設(shè)備狀況，并給出了維保建議。經(jīng)狀態(tài)檢測評估，整機狀況能夠保證正常掘進施工。

3.4 針對220環(huán)附近

3.4.1 應(yīng)對措施

主要從盾尾刷清理與更換、千斤頂輔助糾偏等方面采取了應(yīng)對措施。

1）停機檢查，同時利用盾構(gòu)徑向孔向盾殼外注入膨潤土或聚氨酯，以包裹盾構(gòu)與土體孔隙，防止盾構(gòu)停機困住。

2）推進第231環(huán)，油缸行程推進至2 000mm，對盾尾進行檢查清理（圖2）。

圖2 盾尾刷檢查清理情況

3）拼裝231環(huán)時，拼裝點位在7點。先后拆除了K、B1、B2塊，對盾構(gòu)刷進行了檢查。對部分失效的盾尾刷進行了更換，并手涂盾尾油脂。

4）調(diào)整鉸接油缸，將鉸接鎖住，并采用輔助千斤頂進行調(diào)整到位后固定。在后續(xù)施工中輔助千斤頂措施實施情況：①利用2個100t液壓油缸加2個100t機械千斤頂輔助調(diào)整鉸接油缸，停機時先將全部推進油缸收回2cm，將2個100t油缸加在7號、8號、9號推進油缸之間、2個100t機械頂分別加在6號、7號推進油缸和9號、10號推進油缸之間，液壓油缸與機械千斤頂同時加力，液壓泵站加壓達到250MPa、人力搬動機械千斤頂時收縮鉸接油缸，多次嘗試后鉸接油缸行程無變化；②推進過程中嘗試利用2個100t液壓油缸加2個100t機械頂輔助調(diào)整鉸接油缸，實施過程中發(fā)現(xiàn)機械千斤頂伸出速度過慢，跟不上推進千斤頂及輔助液壓千斤頂伸出速度，起不到輔助效果，2個輔助液壓千斤頂輔助效果不佳；③采用輔助千斤頂調(diào)整鉸接油缸無效果后，在掘進過程中，加大盾構(gòu)仰俯角至+10mm/m左右，然后將盾構(gòu)機頭下壓（為避免盾構(gòu)叩頭超限，決定將盾構(gòu)豎直姿態(tài)抬高至+50mm左右），使得上部鉸接油缸伸出，通過鉸接油缸的浮動，并在鉸接壓力降低至100bar以下及時收縮鉸接油缸的方式進行調(diào)整，利用該措施至341環(huán)時，鉸接油缸行程：左上12mm、左下39mm、右上9mm、右下39mm，此時盾構(gòu)鉸接油缸行程差達到近期最好狀態(tài)。

3.4.2 實施效果

后續(xù)盾構(gòu)繼續(xù)推進至231環(huán)、232環(huán)，盾構(gòu)掘進總推力已降低至1 800～2 100t，同時仰俯角變?yōu)?4mm/m，已有抬頭趨勢。

3.5 針對371環(huán)附近

3.5.1 應(yīng)對措施

主要從掘進方向控制、同步注漿、盾構(gòu)掘進參數(shù)控制等方面，采取了技術(shù)措施：

1）以線型控制為主，為避免管片姿態(tài)超標，加大下部油缸推力，并根據(jù)地層情況卸除1號、2號、14號、15號上部部分油缸，增大上下部推力差（右側(cè)A組、左側(cè)C組壓力在260bar，下部B組壓力在320bar，上部D組壓力在20bar），必要時增加輔助千斤頂，選擇合適的盾構(gòu)俯仰角。

2）根據(jù)施工現(xiàn)場情況不定期對盾尾進行清理，必要時更換盾尾刷以保證尾刷的正常使用。每次停機前利用盾構(gòu)徑向孔注入高質(zhì)量鈉3膨潤土，減少盾體與周邊土體的包裹和固結(jié)，及利用膨潤土清洗注漿管路，防止盾構(gòu)停機困住及注漿管路堵塞。

3）嚴格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，合理控制注漿壓力。根據(jù)盾構(gòu)掘進速度，合理調(diào)整同步注漿時間、注漿壓力，保證同步注漿與盾構(gòu)掘進同時完成。目前盾構(gòu)掘進同步注漿為每環(huán)注漿一次，注漿量為5.5～7m3，注漿壓力0.15～0.3MPa，注漿時間25～50m in。二次注漿根據(jù)監(jiān)測情況在地表沉降較大監(jiān)測點里程范圍內(nèi)進行，按每3～5環(huán)注漿一次，注漿量為2.5～3m3，時間為 25～40m in。

4）拼裝過程中嚴格控制盾構(gòu)推進油缸的壓力和伸縮量，按各塊管片位置縮回相應(yīng)位置的推進油缸。管片拼裝手盡量加快拼裝速度，拼裝完成后，立即掘進10cm，保證停機時上部土壓在0.8bar以上，避免停機時千斤頂卸力、土壓過低造成盾體下降。

5）盾構(gòu)掘進中經(jīng)常復(fù)核隧道軸線、盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正。盾構(gòu)姿態(tài)控制采取“勤糾、少糾”原則，每環(huán)掘進偏移量不宜大于5mm。當(dāng)偏差過大時，在較長距離內(nèi)分次限量逐步糾偏。糾偏過程中提高人工管片姿態(tài)測量頻率，掘進時控制在3～5環(huán)一測，并及時出具管片姿態(tài)成果，指導(dǎo)下一步掘進施工。若在糾偏過程中部分管片垂直姿態(tài)超限，及時與設(shè)計人員進行溝通匯報，確定處理方案，必要時采取管片二次補注漿進行上抬處理。

3.5.2 效果分析

出現(xiàn)叩頭趨勢后主要采取的措施：在掘進374環(huán)時油缸行程推至1 900mm，對盾尾進行徹底檢查清理，僅有少量雜物。在后續(xù)掘進時增大下部推進油缸推力至320bar，對2號、13號、14號推進油缸卸力。至377環(huán)考慮到盾構(gòu)姿態(tài)下降較明顯，按照專家組意見立即停止了正常掘進。期間為避免長期停機造成盾體受周邊土體固結(jié)和包裹問題，9月5日～10日間斷掘進至383環(huán)。379～382環(huán)推進過程中，每環(huán)姿態(tài)前點下降約2～3mm，后點約5～6mm；在收油缸進行管片拼裝時前點下降約2mm，后點姿態(tài)基本無變化。

當(dāng)前在推進381環(huán)時垂直姿態(tài)：前點-58mm、后點-58mm、仰俯角為0，382環(huán)時盾構(gòu)垂直姿態(tài)：前點-63mm、后點-67mm、仰俯角為+1mm/m，383環(huán)時盾構(gòu)垂直姿態(tài)：前點-63mm，后點-69mm，仰俯角為+1mm/m，根據(jù)目前的姿態(tài)變化可判斷出盾構(gòu)已有抬頭趨勢。根據(jù)現(xiàn)場實測管片姿態(tài)，管片姿態(tài)較盾構(gòu)姿態(tài)每環(huán)有約20～30mm上浮量。根據(jù)前期叩頭情況預(yù)計糾偏需8～10環(huán)，按照仰俯角情況每環(huán)后點下沉約3～5mm，可推斷出糾偏8～10環(huán)后，后點將下沉至-93～-119mm，考慮到管片上浮，預(yù)計管片最大垂直偏差為-60～-90mm。

4 專項措施與實施效果

4.1 施工措施與實施效果

9月12日，組織召開了第5次專家會，對盾構(gòu)叩頭問題進行了深入分析論證。分析認為，本工程標段所在的朝暉橋、白佛客運站，均為石家莊市匯水最低處，屬極軟弱地層。在粉細砂、細中砂地層，地層承載能力差，過于軟弱；同時，盾構(gòu)掘進時的碴土改良致使土體含水率變化，地層的承載力、壓縮性等力學(xué)性質(zhì)也會產(chǎn)生較大變化，最終導(dǎo)致承載力驟減。

石家莊朝白區(qū)間盾構(gòu)下沉的主要原因是本工程的極軟弱地質(zhì)。在極軟弱地層掘進，盾構(gòu)底部地層具有可壓縮性，盾構(gòu)的自重幾乎全靠頂部的盾尾刷和底部的推進油缸支撐在管片上，一方面造成頂部的盾尾刷極易變形和損壞，導(dǎo)致頂部盾尾間隙過小及盾構(gòu)整體下沉；由于盾構(gòu)下沉，會造成盾體頂部與地層間隙進一步增大，頂部砂土易坍塌，坍塌后進一步增加了推進阻力，如果同步注漿不能有效充填坍塌后的地層空洞，還會造成地表的后期沉降。另一方面，為控制盾構(gòu)姿態(tài)，減少了上組推進油缸的推力，增大了下組油缸的推進，造成管片環(huán)的下部受力過大，如果同步注漿液不能及時穩(wěn)定管片，管片在推進油缸推力和管片上浮力的綜合作用下，靠近盾尾最前面的管片會呈下俯趨勢，這就是即使加大下組推進油缸的推力，盾構(gòu)叩頭仍不能有效解決的原因。

根據(jù)分析論證，提出了以下專項措施。一是為避免長期停機造成地面沉降及盾構(gòu)下沉，建議盡快恢復(fù)掘進，并盡量快速通過，項目部按專家意見于9月13日恢復(fù)掘進，并按專家意見控制掘進參數(shù)；二是按專家意見優(yōu)化了同步注漿漿液配比，增大了含砂量，摻入了高性能膨潤土，減少水摻量，將初凝時間縮短至8h；三是合理控制仰俯角，確保隧道線型滿足設(shè)計要求，項目部按專家意見對仰俯角進行調(diào)整；四是掘進過程中采用全土壓模式掘進；采用以上專項措施后，在進行第384環(huán)試推進時，仰俯角上抬較明顯；掘進過程中，仰俯角由384環(huán)的+2mm/m調(diào)整為403環(huán)+8mm/m；每天掘進進度控制在8～10環(huán)，如果不是業(yè)主要求控制進度，盾構(gòu)施工進度仍有較大上升空間。

4.2 盾構(gòu)適應(yīng)性改造建議

盾構(gòu)在極軟弱地層掘進時，雖然通過采取施工專項措施，能夠緩解盾構(gòu)叩頭現(xiàn)象，但僅是權(quán)宜之計，不能從根本上有效解決問題。

石家莊地鐵8標的地質(zhì)不同于石家莊地鐵1標、2標、3標、11標等標段，地鐵8標的地質(zhì)屬極軟弱地層，盾構(gòu)在極軟弱地層施工時，必須嚴禁超挖，刀盤開挖直徑宜等于或稍小于前盾直徑，這是確保盾構(gòu)在極軟弱地層順利掘進的基本設(shè)計條件。本標段所采用的盾構(gòu)，其開挖直徑大于前盾30mm，這是造成盾構(gòu)叩頭的原因之一；同時，盾構(gòu)主機偏重、盾構(gòu)主機的重心靠前等因素，也是造成盾構(gòu)產(chǎn)生叩頭趨勢的原因。

因此，除采取專項施工措施外，有必要在盾構(gòu)到達后，對盾構(gòu)進行適應(yīng)性改造。一是刀盤開挖直徑不宜大于盾構(gòu)外徑；二是盡量減輕主機和刀盤重量，可以取消刀盤上的小輻板。盡管本標段的盾構(gòu)刀盤開口率是完全滿足工程地質(zhì)的，但仍可以進一步增大開口率。對極軟弱地層，適應(yīng)性最好的是輻條式刀盤，取消小輻板，不僅能減輕刀盤重量，以減緩盾構(gòu)叩頭趨勢，而且刀盤開口率增大后能進一步減少結(jié)泥餅和降低刀盤切削阻力和攪拌扭矩，盾構(gòu)掘進效率會進一步提高。

另一方面，在盾構(gòu)到達后，應(yīng)對盾尾的整圓度進行檢測，以確保推進油缸與盾構(gòu)軸線同心。根據(jù)項目部的檢測，目前盾尾橢變約3cm，建議在盾構(gòu)到達后對盾尾進行整圓。同時，盾構(gòu)到達后應(yīng)檢查和更換損壞的盾尾刷，要進行盾尾刷的綜合性能測試試驗，確保所選用的盾尾刷具有較好的彈性和耐磨性。

5 結(jié) 語

粉細砂、粉質(zhì)粘土、細中砂等是石家莊地鐵1號線8標朝白區(qū)間右線盾構(gòu)掘進過程中所遇到的主要地質(zhì)條件，施工過程中盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的盾構(gòu)叩頭現(xiàn)象。通過專家深入論證并采取專項施工措施后，順利完成了掘進任務(wù)，但這不能從根本上解決問題，叩頭現(xiàn)象無法杜絕。如果盾構(gòu)的正常施工需要時刻依靠專項措施來保證，說明盾構(gòu)需進行必要的地質(zhì)適應(yīng)性改造。經(jīng)研究分析，盾構(gòu)開挖直徑大于盾體直徑，是造成盾構(gòu)在極軟弱地層下沉的根本原因，因此需結(jié)合極軟弱地層特點，對盾構(gòu)刀盤進行適應(yīng)性改造，以期從根本上解決盾構(gòu)叩頭問題。 O

[1] 鮑永亮，鄭七振，唐建忠．上海軟土地層盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)[J]．鐵道工程學(xué)報，2010，(3):118-122．

[2] 林存剛，吳世明，張忠苗，等．盾構(gòu)掘進速度及非正常停機對地面沉降的影響[J]．巖土力學(xué)，2012，(8)：2472-2482．

[3] 李志帥．軟土地層盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013．

[4] 賈大鵬．盾構(gòu)偏角始發(fā)施工技術(shù)[J]．市政技術(shù)，2014，(4)：103-106．

[5] 陳 饋．論城市地鐵項目的現(xiàn)場管理[J]．建筑機械化，2014，(9)：74-78．