上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

0 前言

網(wǎng)格式擠壓盾構(gòu)法特別適合在軟弱土層中盾構(gòu)掘進(jìn)，并具有經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)、操作簡便，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在我國沿海地區(qū)電廠取排水隧道中廣泛應(yīng)用。隨著國家建設(shè)工程的大范圍展開，實施施工中的土質(zhì)復(fù)雜性等對盾構(gòu)機(jī)設(shè)備性能及盾構(gòu)施工技術(shù)又提出了更高要求，如網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)必須適應(yīng)在不良地質(zhì)及軟硬不均的復(fù)雜土層中掘進(jìn)，并需具備清障能力等。本文結(jié)合浙能六橫電廠取排水隧道面臨土體靈敏度高、軟硬土層分布不均等復(fù)雜地質(zhì)條件，通過對盾構(gòu)設(shè)備改良及盾構(gòu)施工技術(shù)改進(jìn)，進(jìn)一步完善網(wǎng)格式盾構(gòu)施工工藝，并為后續(xù)取排水隧道解決復(fù)雜地質(zhì)條件施工提供了實用經(jīng)驗[1]。

1 概述

1.1 工程概況

浙能六橫電廠循泵房及取排水建（構(gòu)）筑物工程，工程取排水隧道為4 條內(nèi)徑4 200 mm、壁厚300 mm的自流引水管，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)為4 臺改良型氣壓平衡網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)。1#取水隧道長約583.30 m，2#取水隧道長約579.70 m；排水隧道2 條，每條長約300.70 m。

1.2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道施工涉及地質(zhì)土層主要為②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土。其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土特性為承載力低、靈敏度高，滲透系數(shù)小。④粉質(zhì)黏土的壓縮系數(shù)小、承載力高，屬硬土層，主要位于取水隧道特殊管片段。

2 風(fēng)險分析

2.1 土體軟、靈敏度高，施工風(fēng)險大

取排水隧道均在②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中掘進(jìn)，此層土體較軟、承載力低，盾構(gòu)隧道施工時，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，施工中為保證盾構(gòu)機(jī)有足夠的推力進(jìn)行糾偏，確保盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及隧道軸線偏差在可控范圍內(nèi)，必須進(jìn)行擠土掘進(jìn)，對土體擾動較大。而②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土具有高靈敏度特性，土體一旦擾動后承載力急劇降低，且重新穩(wěn)定固結(jié)時間較長，對隧道安全穩(wěn)定帶來極大風(fēng)險。

2.2 軟弱不均土層盾構(gòu)姿態(tài)控制難度大

取水隧道后期特殊段掘進(jìn)時，盾構(gòu)開挖面為軟硬復(fù)合地質(zhì)（即盾構(gòu)軸線上既有②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟弱土層，又有④粉質(zhì)黏土硬土層），對盾構(gòu)軸線控制難度較大。

3 可調(diào)節(jié)式網(wǎng)格氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)研發(fā)

針對背景工程的高靈敏度、軟硬復(fù)合的復(fù)雜地質(zhì)條件，常規(guī)網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)已無法滿足施工要求，為此自主研發(fā)可調(diào)節(jié)式網(wǎng)格氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)（圖1），以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)工況。

3.1 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

盾構(gòu)外徑為4 930 mm，總長6 790 mm，盾構(gòu)內(nèi)徑4 850 mm，盾尾間隙2×25 mm，靈敏系數(shù)為1.38，配備26 臺12 000 kN千斤頂，最大總推力為31 200 kN，推進(jìn)速度為4.2 cm/min。

圖1 可調(diào)節(jié)式網(wǎng)格氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)

3.2 盾構(gòu)機(jī)改良技術(shù)

3.2.1 可調(diào)節(jié)式網(wǎng)格盾構(gòu)機(jī)胸板

網(wǎng)格盾構(gòu)胸板由24 塊小胸板組合而成（圖2），每塊小胸板用螺栓連接至盾構(gòu)機(jī)主體上，通過小胸板單獨(dú)拆裝，調(diào)整胸板開口率，以調(diào)控進(jìn)泥效果；同時，可拆卸小胸板上設(shè)置閥門，通過此閥門，既可探測盾構(gòu)機(jī)前方土質(zhì)變化，亦可釋放壓力，保證拆卸人員安全。從而解決網(wǎng)格盾構(gòu)處理軟硬復(fù)合地質(zhì)條件及障礙物的難題[2]。

圖2 盾構(gòu)機(jī)剖面示意

3.2.2 增設(shè)氣壓清障功能

為確保盾構(gòu)機(jī)工作面水土壓力平衡及具備氣壓清障功能，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置氣壓倉、過渡倉及一套氣壓設(shè)備，可對盾構(gòu)機(jī)頭部進(jìn)行局部加壓。

內(nèi)胸板上設(shè)有上部、下部2 只氣密門，按3 kPa的氣密標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。內(nèi)胸板至拼裝機(jī)之間設(shè)計氣閘倉1 只，耐壓3 kPa（圖3）[3]。

3.2.3 硬土層改良技術(shù)措施

針對④粉質(zhì)黏土的壓縮系數(shù)小、承載力高硬土層的性質(zhì)，掘進(jìn)時盾構(gòu)糾偏及出泥難度較大，采取以下改良措施[4]：

1）④粉質(zhì)黏土具有黏性大、土質(zhì)硬的特點(diǎn)，常規(guī)盾構(gòu)機(jī)配套的水力機(jī)械（水槍壓力為200～250 N）難以破碎土體，出土效果較差。增加配備一套750 N高壓水槍，并將所有水槍加長，近距離切割硬土層，加強(qiáng)出土效果。

2）由于上軟下硬土層及硬土層中，盾構(gòu)機(jī)頭容易上抬，姿態(tài)難以控制。利用盾構(gòu)機(jī)設(shè)置的4 只8 英寸海底閥，進(jìn)行高壓水槍沖泥，松動盾構(gòu)機(jī)外殼下部硬土，便于盾構(gòu)機(jī)糾偏，控制姿態(tài)。

圖3 氣壓清障功能設(shè)置示意

3）對千斤頂頂力控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，由原常規(guī)的1 000 kN千斤頂改增為1 200 kN千斤頂，增大盾構(gòu)機(jī)推力，為盾構(gòu)在硬土層推進(jìn)提供足夠推力。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 土體改良加固

由于盾構(gòu)掘進(jìn)土層為高靈敏度軟弱土層，此類型土體一旦擾動后，強(qiáng)度大幅削弱，且恢復(fù)期較長。網(wǎng)格式盾構(gòu)掘進(jìn)方式為擠壓出土，掘進(jìn)過程中不可避免地對周邊土體產(chǎn)生擾動，由此產(chǎn)生如下不良后果：

1）由于土體承載力大幅削弱，隧道管片會產(chǎn)生不均勻沉降，且后期沉降較大；

2）隧道周邊土體約束力降低，隧道管片易上浮，導(dǎo)致隧道軸線及盾構(gòu)軸線難以控制；

隧道掘進(jìn)過程中，及時對已完成的隧道管片采用快硬型漿液進(jìn)行圍巖注漿，加固隧道周邊土體，穩(wěn)固隧道管片，從而解決上述問題。

4.1.1 注漿加固范圍

對全線隧道管片進(jìn)行全斷面加固，加固范圍為隧道外徑+（3～4）m（圖4）。

圖4 圍巖注漿范圍示意

4.1.2 注漿加固方式

利用每環(huán)管片預(yù)留注漿孔（每環(huán)16 孔）向外注漿，采取外插管注漿，將注漿管插至管片外進(jìn)行分層注漿。

4.1.3 注漿漿液

注漿漿液為水泥漿與水玻璃混合雙液漿，水泥漿液采用P.O 42.5水泥，水灰比0.8∶1。水泥漿每立方米加入水700 kg、水泥890 kg，水玻璃每立方米加入267 kg。加固土體水泥用量150 kg/m3。

4.1.4 注漿加固方法

為防止可硬性漿液進(jìn)入盾尾，導(dǎo)致盾尾鋼絲刷止水失效，在盾尾后10 環(huán)開始從管片預(yù)留注漿孔打入適當(dāng)數(shù)量的注漿管，注漿管深度為3.0～4.0 m。注漿管打入后，進(jìn)行分層注漿加固。

加固注漿采用分層注漿，先外層后內(nèi)層，每孔分層注漿可達(dá)5～6 次。注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，注漿流量控制在10～15 L/min。

注漿施工步驟為：

1）在管片的注漿孔上安裝防噴裝置，通過防噴裝置打穿注漿孔，將注漿管打入設(shè)計位置，并安裝球閥；

2）接好注漿管路，壓力傳感器；

3）啟動拌漿機(jī)，進(jìn)行拌漿；

4）加固土體50 cm范圍啟拔注漿管一次，實施分層注漿；

5）注漿結(jié)束先關(guān)閉管片注漿孔上的球閥，再拆除管路。

4.2 高靈敏度土層施工技術(shù)

由于盾構(gòu)掘進(jìn)土層低承載力的軟弱土層，網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，周邊土體可提供的土體抗力較小，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制。同時由于土層靈敏度（土體靈敏度是衡量黏性土結(jié)構(gòu)性對強(qiáng)度的影響，當(dāng)土體受到外力擾動作用，其結(jié)構(gòu)遭受破壞時，土的強(qiáng)度降低，壓縮性增高。土的靈敏度越高，其結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，受擾動后土的強(qiáng)度降低就越明顯）較高，一旦擾動過大，土體承載力明顯降低，對周邊環(huán)境及隧道本體安全產(chǎn)生較大風(fēng)險[5]。我們采取了以下針對性措施對盾構(gòu)施工進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4.2.1 盾構(gòu)軟土層推進(jìn)和地層變形的控制

隧道掘進(jìn)采用泥水切削氣壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，主要利用出泥倉前端格柵上安裝的活動胸門的啟閉來調(diào)節(jié)進(jìn)泥量，進(jìn)而調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)正面土體受擠壓程度，從而調(diào)節(jié)正面土壓力值的大小。這里面包含著推力、推進(jìn)速度和進(jìn)土量三者相互關(guān)系，對地層變形量的控制有重要作用，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)時，應(yīng)根據(jù)沉降觀測數(shù)據(jù)及時調(diào)整土壓力，同時結(jié)合格柵外土層壓力傳感器數(shù)值，控制掘進(jìn)速度和進(jìn)土量，進(jìn)而達(dá)到對軸線和地層變形的控制。由于過大堤后對海底面沉降無專門要求，主要是處理好軸線和推進(jìn)速度、進(jìn)泥量、推進(jìn)頂力之間的關(guān)系，并保持軸線的穩(wěn)定。

網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中控制地面變形主要有以下幾種措施：

1）對盾構(gòu)機(jī)切口前方地層變形，可采用調(diào)整盾構(gòu)機(jī)開挖面土壓力來控制，這主要通過控制盾構(gòu)機(jī)前端進(jìn)泥倉內(nèi)安裝的液壓閘門開啟大小來調(diào)整網(wǎng)格開口大小和盾構(gòu)推進(jìn)速度實現(xiàn)。

2）因土質(zhì)較軟，如開挖面涌泥量較大，正面壓力難以穩(wěn)定，可在進(jìn)泥倉內(nèi)施加局部氣壓，用來穩(wěn)定盾構(gòu)機(jī)開挖面，從而防止開挖面塌方，達(dá)到有效控制地層變形的效果。

3）在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中進(jìn)行同步注漿，填充管片與土體間空隙，以控制盾構(gòu)掘進(jìn)后的地面變形。

4）加強(qiáng)沉降監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時進(jìn)行二次補(bǔ)漿，防止后期變形。

4.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)速度

盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在3.0～4.0 cm/min，盡量保持推進(jìn)速度平穩(wěn)，確保盾構(gòu)勻速地掘進(jìn)，以減少對周邊土體的擾動影響。

1）盾構(gòu)啟動時，盾構(gòu)操作機(jī)工必須檢查千斤頂是否靠足，開始推進(jìn)和結(jié)束推進(jìn)前速度不宜過快。每環(huán)掘進(jìn)開始時，應(yīng)逐步提高掘進(jìn)速度，防止啟動速度過大。

2）一環(huán)掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度值應(yīng)盡量保持恒定，減少波動，以保證切口水土壓力穩(wěn)定和送、排泥管的暢通。

3）推進(jìn)速度需與同步注漿保持同步。

4）在調(diào)整掘進(jìn)速度的過程中，應(yīng)保持開挖面穩(wěn)定。

5）每環(huán)掘進(jìn)的距離為1 m左右，以便于安裝管片為宜。

4.2.3 土壓力調(diào)整

網(wǎng)格式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主要利用通過調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度和調(diào)整出泥倉前端格柵上安裝的活動閘門的開啟大小來調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)正面土體受擠壓程度，從而調(diào)節(jié)正面土壓力值的大小。由于土質(zhì)軟弱，若在推進(jìn)過程中遇到土體涌土量較大現(xiàn)象，為保證開挖面的穩(wěn)定，應(yīng)采取氣壓掘進(jìn)的方式控制土壓力，依靠壓力倉內(nèi)的氣壓力來平衡正面土體的壓力，從而達(dá)到對盾構(gòu)正前方開挖面支護(hù)的目的，此時可采用設(shè)定壓力倉內(nèi)氣壓值來調(diào)節(jié)土壓力大小。

4.2.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

盾構(gòu)在進(jìn)行平面或高程糾偏的過程中，會增加對土體的擾動，因此在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)軸線，盡量少糾偏，杜絕急糾偏、大糾偏。

本工程盾構(gòu)隧道在②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（承載力低、含水量大、靈敏度高）掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)姿態(tài)容易上抬，采用土倉下半部放滿土壓重，只開上倉門出土措施，確保盾構(gòu)按設(shè)計軸線掘進(jìn)。

4.2.5 管片拼裝

在安裝管片時，為將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化控制在最小范圍內(nèi)，每塊管片安裝好后，千斤頂立即將安裝管片頂緊，頂緊油壓相當(dāng)于掘進(jìn)油壓的80%左右；拼裝過程中，回縮的千斤頂應(yīng)盡可能少，以滿足管片拼裝即可。對襯砌連接螺栓采取一次緊固，二次復(fù)緊的工藝。

4.2.6 盾尾密封

為保證盾尾密封良好，在盾構(gòu)掘進(jìn)前對盾尾3 道密封鋼絲刷內(nèi)擦滿密封油脂。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過密封油脂的壓入量和壓力來控制盾尾密封效果，并實時觀察盾尾有無漏水、漏漿現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)，對滲漏區(qū)域增加油脂壓入量進(jìn)行封堵。此外，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)配備泡沫條，作為盾尾漏漿應(yīng)急物資。

4.3 軟硬復(fù)合土層施工技術(shù)

隧道在特殊段將遇到軟弱土層②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與硬土層④粉質(zhì)黏土的軟硬復(fù)合地質(zhì)條件，由于④粉質(zhì)黏土性質(zhì)為黏性強(qiáng)、土層硬，常規(guī)網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)難以處理，在此復(fù)合地質(zhì)條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)困難，姿態(tài)很難控制[6]。

1）對密封隔倉進(jìn)行加氣壓保持盾構(gòu)機(jī)前方土體穩(wěn)定，保證安全的前提下再拆裝胸板：

（1）拆裝胸板前，先將壓氣管路由地面接至盾構(gòu)機(jī)，管路接好以后進(jìn)行試加壓，加壓過程中施工人員沿管路逐個檢查是否有漏氣的地方，如有漏氣，應(yīng)在補(bǔ)漏以后再進(jìn)行試加壓，直至滿足使用條件；

（2）專人負(fù)責(zé)加壓、泄壓閥門操作，并與地面空氣壓縮機(jī)操作人員保持通信聯(lián)系。

2）拆除盾構(gòu)機(jī)前端胸板增加開口率，盡可能多的沖泥出泥，降低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度，減少盾構(gòu)機(jī)頂力：

（1）根據(jù)盾構(gòu)頭部土體變化情況，盾構(gòu)機(jī)頭部網(wǎng)格在閘門開口可任意調(diào)整的情況下，盾構(gòu)機(jī)胸板網(wǎng)格分成24 塊小胸板可單獨(dú)拆裝，調(diào)整胸板開口率（9%～32%），以調(diào)控進(jìn)泥效果；

（2）胸板自下而上拆卸，左右兩邊同時對稱進(jìn)行；（3）拆卸過程中作業(yè)人員要收集拆下的胸板螺栓，以備裝回胸板時使用；

（4）拆除胸板過程中，派專人負(fù)責(zé)觀察前方土體情況，有異常情況立即通知作業(yè)人員撤出；

（5）每拆完一塊胸板，作業(yè)人員應(yīng)仔細(xì)觀察胸板開口處前方土體情況，確認(rèn)土體穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一塊胸板的拆除作業(yè)；

（6）若前方土體不穩(wěn)定，在拆除胸板的時候應(yīng)加氣壓，土體穩(wěn)定后方可由氣壓工進(jìn)行胸板拆除作業(yè)。

3）利用750 N高壓水槍設(shè)備及管路設(shè)施，增加水槍壓力，切割沖刷硬土：

（1）頂進(jìn)過程中若土體不易擠壓進(jìn)泥水倉，應(yīng)停止頂進(jìn)，先使用高壓水槍將開口處前方土體清空，減小頂力后再頂進(jìn)；

（2）頂進(jìn)過程中若局部出土，應(yīng)將大部分水槍集中沖刷不出土的地方，保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，平穩(wěn)推進(jìn)。

4）由硬土層過渡到淤泥質(zhì)土的時候，易發(fā)生涌土現(xiàn)象，為保證施工順利和安全，需要將拆除的胸板裝回：

（1）頂進(jìn)過程中施工人員應(yīng)時刻觀察泥水倉內(nèi)情況和盾構(gòu)機(jī)頂力，若頂力變小、前方土體土質(zhì)變軟，應(yīng)停止頂進(jìn)并研究地質(zhì)條件后判斷是否回裝胸板；若土體突然變軟涌入泥水倉，導(dǎo)致水力機(jī)械來不及抽吸泥水，此時應(yīng)立即停止頂進(jìn)并加氣壓穩(wěn)住前方土體，用高壓水槍將泥水倉內(nèi)泥土沖盡，并回裝胸板；

（2）回裝胸板施工前，應(yīng)先確認(rèn)前方土體是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定應(yīng)加氣壓再進(jìn)行回裝胸板作業(yè)。

5）在上軟下硬土層及硬土層中，盾構(gòu)機(jī)頭容易上抬，姿態(tài)難以控制。利用盾構(gòu)機(jī)設(shè)置的4 只8 英寸海底閥，進(jìn)行高壓水槍沖泥，松動盾構(gòu)機(jī)外殼下部硬土，便于盾構(gòu)機(jī)糾偏，控制姿態(tài)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合背景工程的高靈敏度、軟硬復(fù)合復(fù)雜地質(zhì)條件的特點(diǎn)，對盾構(gòu)機(jī)設(shè)備及盾構(gòu)施工技術(shù)開展研究，得到以下成果：

1）自主研發(fā)、設(shè)計、制造了適應(yīng)于復(fù)雜地質(zhì)條件的可調(diào)節(jié)式網(wǎng)格氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)，可適用于不良性質(zhì)土層（高靈敏度）、軟硬不均地質(zhì)條件下的隧道施工，并具有氣壓清障功能，并為網(wǎng)格式盾構(gòu)施工適用于各類復(fù)雜地質(zhì)條件提供了設(shè)備支持。

2）開發(fā)高靈敏度土層及軟硬不均地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工技術(shù)，進(jìn)一步完善盾構(gòu)施工工藝及施工技術(shù)，為今后解決不良性質(zhì)土質(zhì)、復(fù)雜地質(zhì)條件隧道工程提供技術(shù)支撐。

本文的研究成果將實現(xiàn)網(wǎng)格式盾構(gòu)法適用于各類復(fù)雜地質(zhì)條件隧道工程，在火電工程建設(shè)中更為廣泛應(yīng)用，其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。