趙 峰（上海宏波工程咨詢管理有限公司， 上海 201707）

1 工程概況

哈爾濱地鐵聯(lián)絡(luò)線 3 標段學府四道街站—哈西大街站的盾構(gòu)區(qū)間的左線全長 959.635 m、右線全長 970.44 m，區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房 1 座。盾構(gòu)區(qū)間埋深在 18 m～27 m 之間。區(qū)間隧道從哈西大街站至學府四道街站采用 1 臺海瑞克 S-540 土壓平衡盾構(gòu)機施工。襯砌環(huán)全環(huán)由小封頂、兩塊鄰接塊和三塊標準塊構(gòu)成，拼裝方式采用錯縫拼裝。

2 盾構(gòu)區(qū)間地層特性

本工程盾構(gòu)區(qū)間主要穿越的地層為⑥32粉質(zhì)黏土（fak＝130 MPa）、⑥33粉質(zhì)黏土（fak＝170 MPa）、⑥34粉質(zhì)黏土（fak＝210 MPa），其中⑥32粉質(zhì)黏土呈軟塑狀態(tài)。隧道圍巖分為 I 級和 II 級，土石可挖可分為 I 級和 II 級。

3 盾構(gòu)在黏性土地層中掘進出現(xiàn)的問題

盾構(gòu)掘進過程初期多次出現(xiàn)刀盤空轉(zhuǎn)，刀盤扭矩超過設(shè)定扭矩而跳閘停機，盾構(gòu)機推進阻力也迅速增大，螺旋排土器無法正常出土且壓力艙壓力上升很快等現(xiàn)象。經(jīng)開艙檢查發(fā)現(xiàn)，造成上述現(xiàn)象的原因是在盾構(gòu)機刀盤和壓力艙中發(fā)生了結(jié)餅和閉塞。

土壓平衡盾構(gòu)機在富含黏土礦物的高黏性地層中掘進施工時，由于高黏性土的黏附性大，易在刀盤或壓力艙內(nèi)局部黏結(jié)，在長時間壓力作用下排水固結(jié)、強度增長而結(jié)成餅狀硬塊，這種結(jié)成餅狀硬塊的現(xiàn)象被稱為結(jié)餅。

土壓平衡盾構(gòu)機在高黏性土或黏粒含量較高的地層中掘進施工時，由于高黏性土的黏性大，渣土易在盾構(gòu)機壓力艙內(nèi)黏附。壓力艙中心軸處設(shè)有攪拌翼，攪拌范圍內(nèi)的土體與側(cè)壁的黏附力主要抵抗攪拌翼的扭矩，其黏附力在豎向的投影很小，因而該部分土體不會首先發(fā)生黏結(jié)。壓力艙局部凹凸不平或邊角位置易先黏附土體，這部分土體會與周圍土體摩擦產(chǎn)生熱量，使土體升溫，在壓力和高溫的作用下發(fā)生壓密固化；被黏附的接觸面的強度和黏附土體自身的強度均急劇增大，將土體由黏附變?yōu)轲そY(jié)而更不容易脫落。當壓力艙內(nèi)局部產(chǎn)生黏結(jié)土體后，由于黏結(jié)土體的表面較壓力艙內(nèi)的部件粗糙得多，使得土體在已結(jié)塊的周圍更容易發(fā)生黏附和黏結(jié)，由此形成惡性循環(huán)，最終導致壓力艙內(nèi)攪拌翼的攪拌范圍以外部分被黏結(jié)的土體堵塞，從而導致螺旋排土器無法將壓力艙內(nèi)的土體排出，盾構(gòu)施工無法繼續(xù)進行。這種土體堵塞壓力艙導致螺旋排土器無法繼續(xù)排土的現(xiàn)象被稱為閉塞。

4 盾構(gòu)在黏性土地層中掘進采取的對策

對于結(jié)餅、閉塞的處理通常有兩種方式。一是開艙人員進艙處理。由于壓力艙內(nèi)必須維持與開挖面相同的壓力以確保開挖面穩(wěn)定，因此壓力艙是一個高壓艙，對進艙人員構(gòu)成生命危險。二是對開挖面前方土體進行加固，防止開挖面坍塌，然后可以直接開艙處理。以上兩種方式均有一定的風險和難度，為了避免發(fā)生結(jié)餅、閉塞等情況，本工程采取以下措施確保盾構(gòu)掘進順利實施。

4.1 改良渣土

根據(jù)本工程盾構(gòu)所處土層特性及土壓平衡盾構(gòu)機在黏性土層中易出現(xiàn)的問題，對盾構(gòu)開挖面土體進行改良，使土體達到塑性流動狀態(tài)。為此，本工程采用泡沫劑改良技術(shù)。

泡沫是發(fā)泡液和壓縮空氣經(jīng)過發(fā)泡裝置而產(chǎn)生的。發(fā)泡液的主要成分是表面活性劑，它由聚合而成的長鏈分子構(gòu)成，含有憎水基和親水基。泡沫是典型的氣-液二相體系，其中，90% 以上為空氣，10% 為泡沫劑溶液；而泡沫劑溶液 90% ～ 99% 為水，其余為泡沫劑原液。泡沫劑在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用原理，是通過無數(shù)小氣泡組成的泡沫混入到渣土中，使土體達到塑性流動狀態(tài)。

哈爾濱地鐵聯(lián)絡(luò)線 3 標段學府四道街站—哈西大街站盾構(gòu)區(qū)間采用泡沫劑對開挖面土體進行改良。根據(jù)施工現(xiàn)場多次調(diào)試，最終確定盾構(gòu)掘進過程中，通過盾構(gòu)機配置的專用裝置向刀盤面注入泡沫劑，利用刀盤旋轉(zhuǎn)攪拌使盾構(gòu)刀盤切削下來的渣土具有良好的流塑性、合適的黏稠度、較低的透水性和較小的摩阻力。

盾構(gòu)在掘進過程中，每環(huán)向刀盤面注入泡沫原液 35 L～ 40 L，該泡沫劑的發(fā)泡率可達到 8～20（發(fā)泡率又稱“泡沫倍數(shù)”，指一定質(zhì)量發(fā)泡劑溶液所產(chǎn)生的泡沫體積與原液體體積之比）。

4.2 分析設(shè)定盾構(gòu)掘進參數(shù)

4.2.1 盾構(gòu)掘進理論參數(shù)

（1）土倉壓力。土倉壓力是一個能綜合反應(yīng)地層情況、掘進速度與出土速度之間相互關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，必須慎重選擇，并且在施工過程中依據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整。盾構(gòu)在掘進過程中據(jù)此取得平衡壓力的設(shè)定值，在具體施工時應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)所在位置的埋深、土層狀況及地表監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)整。土體靜壓力P的計算式

式中：K0——側(cè)向力系數(shù)，粉質(zhì)黏土取 0.6；

γ ——粉質(zhì)黏土重度，取 19.7 kN/m3；

h ——隧道覆土深度，取 18 m～27 m。

（2）掘進速度。為減小盾構(gòu)在穿越過程中對地下土體的擾動，以便及時調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)，同時結(jié)合哈爾濱地區(qū)盾構(gòu)施工經(jīng)驗，掘進速度初步定為 3 cm/min～4 cm/min。施工中必須及時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整控制掘進速度，保證盾構(gòu)連續(xù)勻速掘進，確保均衡施工，減少停頓；保持推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、出土速度與注漿速度相匹配，從總體上控制地面的隆起和沉降。

（3）排土量。盾構(gòu)掘進出土量控制在理論出土量的98%～100% 之間，即每環(huán)出土量在 36.4 m3～37.15 m3之間。每環(huán)理論出土量Q的計算式

式中：D——盾構(gòu)外徑，取切口位置盾構(gòu)外徑 6.28 m；

L——管片徑向長度，取 1.2 m。

渣土斗體積：4.83×1.49×2.24＝16.12 m3。在未進行超挖的情況下考慮松方系數(shù) 1.2，實際出土量 44.58 m3。施工過程中嚴格控制超挖。

（4）同步注漿。盾構(gòu)尾部空隙量q的計算式

式中：D——盾構(gòu)外徑，取切口位置盾構(gòu)外徑 6.28 m；

d——管片外徑，取 6 m；

L——管片徑向長度，取 1.2 m。

計算空隙量為 3.24m3?？紤]盾構(gòu)施工地層中以粉質(zhì)黏土為主，實際注漿量取值為理論方量的 1.2～1.8 倍，即 （3.88～5.83）m/環(huán)。注漿量的最終確定要視注漿壓力、隧道穩(wěn)定情況以及地面沉降情況而定，以上數(shù)值僅為經(jīng)驗值。在前 100 m 試驗段掘進時加強地面沉降、隆起監(jiān)測，及時分析數(shù)據(jù)并總結(jié)整理出實際參數(shù)。每方漿液配比成分如表1 所示。

表1 漿液配比表

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗，同步注漿采用表1 中的漿液配比，在施工中，根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊環(huán)境等，通過現(xiàn)場試驗優(yōu)化確定。

同步注漿時必須要做到“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”，在同步注漿壓力和注漿量方面進行雙控，做到適時、足量。具體注漿參數(shù)還必須通過地面沉降信息反饋來確定。

4.4.2 盾構(gòu)掘進實際參數(shù)

在盾構(gòu)掘進過程中，雖然通過泡沫劑對掌子面土體進行改良處理，但若推進參數(shù)設(shè)置不合理，仍會在刀盤中心及壓力艙內(nèi)結(jié)餅，造成螺旋出土器不能正常出土。根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況反映盾構(gòu)所處地層為粉質(zhì)黏性土，土質(zhì)特性呈軟塑、硬塑狀態(tài)且無地下水，盾構(gòu)隧道圍巖自身有一定的自穩(wěn)性。在盾構(gòu)推進過程中，在不影響地面環(huán)境的情況下，通過優(yōu)化推進參數(shù)，可以大大降低開挖土體的結(jié)餅情況。

以左線 DK8＋047.87～DK8＋035.87（561 環(huán)～570 環(huán)）為例，將推進時設(shè)置的相關(guān)參數(shù)列于表2 中。

表2 盾構(gòu)推進參數(shù)表

4.3 盾構(gòu)施工監(jiān)測分析

4.3.1 施工監(jiān)測目的

（1）監(jiān)測和分析各種施工因素對地表變形的影響，為改進施工措施、減少沉降提供依據(jù)。

（2）根據(jù)前一步的觀測結(jié)果，預(yù)測下一步地表的沉降情況和對周圍建筑及其他設(shè)施的影響程度，以合理的代價實行保護措施。

（3）檢驗施工結(jié)果是否達到控制地面沉降和隧道沉降的要求。

（4）研究土壤特性、地下水條件、施工方法與地表沉降的關(guān)系，為改進設(shè)計方案提供依據(jù)。

4.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次監(jiān)測數(shù)據(jù)分析仍以左線盾構(gòu)推進 561 環(huán)～570 環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例。根據(jù)設(shè)計及相關(guān)盾構(gòu)施工監(jiān)測規(guī)范要求，當左線盾構(gòu)推進 561 環(huán)～570 環(huán)時，對受影響的相關(guān)地面和建筑物監(jiān)測其沉降（或隆起）情況。地表監(jiān)測點為34 點，累計變化量最大為－6.9 mm；地下管線監(jiān)測點為 14 點，累計變化量最大點為－2.3 mm；建筑物監(jiān)測點為 60 點，累計變化量最大點－7.0 mm。

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以看出，地面、管線和建筑物沉降變化量較小，說明通過渣土改良和合理設(shè)置盾構(gòu)掘進參數(shù)，盾構(gòu)掘進施工對周邊環(huán)境沒有造成重大影響，均處于受控狀態(tài)。

5 結(jié) 語

根據(jù)哈爾濱地鐵聯(lián)絡(luò)線 3 標段學府四道街站—哈西大街站的盾構(gòu)施工情況分析，可以得出以下結(jié)論：合理利用泡沫劑改良開挖土體，使其達到處于塑性流動狀態(tài)的基本要求，同時合理優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)，從而使土壓平衡盾構(gòu)機可以用于黏性土層施工，并且能有效控制該施工作業(yè)對周邊環(huán)境的影響。