喬治

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

近年來(lái)，全國(guó)地鐵建設(shè)如火如荼，杭州市也加快了地鐵規(guī)劃和建設(shè)步伐，根據(jù)杭州市第三批地鐵建設(shè)規(guī)劃，從2018年下半年起，杭州地鐵三號(hào)線、六號(hào)線、七號(hào)線、八號(hào)線、九號(hào)線、十號(hào)線等線路全面進(jìn)入施工期，確保2022 年亞運(yùn)會(huì)召開之前，杭州市將形成13 條軌道交通線，514km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，全力打造地鐵交通服務(wù)網(wǎng)。筆者單位在杭州片區(qū)第三批地鐵建設(shè)規(guī)劃中共需投入34 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，本文以杭州地鐵十號(hào)線3 標(biāo)為例，總結(jié)淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)存在的問(wèn)題，對(duì)如何做好盾構(gòu)設(shè)備選型及掘進(jìn)過(guò)程管控進(jìn)行了探索。

1 工程概況

杭州地鐵十號(hào)線3 標(biāo)隱～莫盾構(gòu)區(qū)間左線全長(zhǎng)971m，采用一臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，從隱秀路站始發(fā)，莫干山站接收。盾構(gòu)區(qū)間穿越的地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土。本項(xiàng)目淤泥質(zhì)軟土比較軟弱，靈敏度強(qiáng)，承載力較小，容易出現(xiàn)局部破壞或滑動(dòng)。在荷載作用下產(chǎn)生土體結(jié)構(gòu)破壞、不均勻沉降、較大的側(cè)向變形等問(wèn)題，且沉降與變形持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度恢復(fù)時(shí)間也較長(zhǎng)。

2 淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出現(xiàn)的問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)杭州地區(qū)淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)施工情況總結(jié)分析，存在以下問(wèn)題：

（1）盾構(gòu)機(jī)主機(jī)上浮。投入施工的盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重量偏輕（總重量約278T），重心位置選擇不合理, 在淤泥質(zhì)軟土地層掘進(jìn)中地層抗力小，盾構(gòu)機(jī)自重及上部抗力的總和小于所受的浮力，導(dǎo)致在掘進(jìn)過(guò)程中姿態(tài)上浮。

（2）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難。盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進(jìn)，由于該地層束縛力弱，普遍總推力在1000T 以下，調(diào)整姿態(tài)時(shí)難以形成有效的推力差，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制難度大。

（3）管片上浮。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，脫出盾尾的幾環(huán)管片，由于同步注漿的漿液還沒(méi)有完全凝固，在淤泥質(zhì)軟土地層中的上浮力大于管片自身重量及覆土荷載時(shí)，管片會(huì)產(chǎn)生上浮。

（4）管片破損。杭州片區(qū)管片普遍設(shè)計(jì)為帶凹凸榫槽設(shè)計(jì)，這種管片對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制及拼裝質(zhì)量要求非常高，盾尾間隙過(guò)小、盾尾失圓、管片浮動(dòng)、管片拼裝質(zhì)量等出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)、破損、破裂。部分項(xiàng)目管片出現(xiàn)連續(xù)破損

開裂、同一環(huán)多處破損現(xiàn)象，成型隧道質(zhì)量受到了影響。

（5）地面沉降量大。因地層的自穩(wěn)性相對(duì)較差，尤其是盾尾空隙沉降和長(zhǎng)期延續(xù)沉降，這兩個(gè)階段地層沉降及變形難以得到有效的控制。通過(guò)測(cè)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，部分項(xiàng)目盾構(gòu)區(qū)間最大沉降量達(dá)50mm。

3 淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)選型優(yōu)化

經(jīng)過(guò)對(duì)杭州地鐵十號(hào)線3 標(biāo)地質(zhì)情況分析，針對(duì)存在的問(wèn)題，在進(jìn)行盾構(gòu)的選型時(shí)，結(jié)合其他淤泥質(zhì)軟土地層項(xiàng)目盾構(gòu)成功的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)主機(jī)的重量分布、注漿系統(tǒng)設(shè)置、盾尾間隙、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，確保盾構(gòu)設(shè)備充分滿足對(duì)淤泥質(zhì)軟土地層的適應(yīng)性。

3.1 合理確定盾構(gòu)自重及重心位置

該項(xiàng)目選用的盾構(gòu)機(jī)，將機(jī)體重量選定、重心的分布進(jìn)行了優(yōu)化，最終盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重量323 噸，主機(jī)重心與刀盤面板的距離3.8 米。較該區(qū)域原使用盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)主機(jī)重量增加45 噸，增加的重量克服地層的浮力，避免盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的上??；重心位置由3.46 米后移至3.8 米，有利于避免盾構(gòu)機(jī)栽頭，穩(wěn)定盾尾。

圖1 原盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重心位置示意圖

圖2 本項(xiàng)目使用盾構(gòu)重心位置示意圖

3.2 增加注漿管路

原盾構(gòu)機(jī)在盾尾外部殼體上設(shè)置4 處注漿管路，注漿殼高出盾尾12 公分，進(jìn)出洞及通過(guò)加固區(qū)時(shí)容易發(fā)生“卡盾”的情況。本臺(tái)盾構(gòu)機(jī)采用在盾尾內(nèi)置注漿管的方式，避免掘進(jìn)出現(xiàn)盾體被卡，同時(shí)注漿管路數(shù)量由4 根增加至10 根（4用6 備），防止管路堵塞后影響注漿效果。

3.3 盾尾間隙優(yōu)化

管片拼裝處盾尾間隙由原來(lái)的30mm，增加至45 ～50mm，避免盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不佳造成盾尾間隙過(guò)小，盾尾擠壓管片引起管片開裂破損，同時(shí)，確保在管片上浮時(shí)候還有足夠的拼裝間隙。

3.4 螺旋輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)增加軸向移動(dòng)可伸縮功能，螺旋機(jī)可伸縮1000mm，當(dāng)發(fā)生突泥涌水時(shí)，可將螺旋機(jī)縮回，并將螺旋機(jī)最前端與土倉(cāng)內(nèi)的倉(cāng)門關(guān)閉，保證掘進(jìn)安全。

4 淤泥質(zhì)軟土地層盾構(gòu)掘進(jìn)控制要點(diǎn)

4.1 控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)

（1）盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)對(duì)推力反應(yīng)很敏感，推力差是控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的基本方法。通過(guò)調(diào)節(jié)四組推進(jìn)油缸的推力，形成合理的推力差，使盾構(gòu)機(jī)形成沿著軸線方向的趨勢(shì)，掘進(jìn)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線基本擬合。

（2）盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)軟土地層中的姿態(tài)糾偏，通常采取“少量糾偏、多次糾偏”的方式，將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化范圍控制在5mm/環(huán)，切忌糾偏過(guò)大或強(qiáng)行糾偏，造成盾尾刷過(guò)度磨損，以及管片開裂、錯(cuò)臺(tái)。

（3）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與軸線偏差超過(guò)50mm 時(shí)，靠推力差無(wú)法有效調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，可結(jié)合偏差大小，通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)鉸接油缸伸縮量，輔以管片合理選型，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)使之符合設(shè)計(jì)線路。

（4）通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)管片姿態(tài)的分析，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的調(diào)整。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的理想位置，還要結(jié)合成型管片的姿態(tài)變化情況確定，杭州片區(qū)管片拼裝完成到基本穩(wěn)定后，通常會(huì)出現(xiàn)一定的上浮量。以本區(qū)間某段成型管片實(shí)測(cè)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)為例，實(shí)測(cè)姿態(tài)較盾構(gòu)機(jī)測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)偏差值為+25 ～+39mm，因此在后續(xù)掘進(jìn)中將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制在設(shè)計(jì)中線正下方2 ～3cm，抵消管片上浮量。

4.2 合理選擇掘進(jìn)參數(shù)

（1）控制掘進(jìn)速度。將推進(jìn)速度控制在20 ～40mm/min為宜，確保管片脫出盾尾的間隙能夠及時(shí)得到注漿量的填充，避免漿液注入不及時(shí)，或漿液被水稀釋而影響漿液的性能。

（2）均衡施加推力。盾構(gòu)機(jī)完成上一循環(huán)掘進(jìn)及管片拼裝，下一循環(huán)掘進(jìn)開始時(shí)，首先，要確保推進(jìn)油缸撐靴緊貼管片，緩慢、均勻地對(duì)管片施加軸向壓力，總推力小于1000T，避免推力過(guò)大或不均衡造成管片破損。

（3）合理選擇土倉(cāng)壓力。盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進(jìn)，土倉(cāng)壓力選擇不合理會(huì)造成開挖面失穩(wěn)及地表沉降。在掘進(jìn)中我們經(jīng)過(guò)反復(fù)觀察及試驗(yàn)，土倉(cāng)壓力控制在0.15MPa～0.20MPa 時(shí)，地層的沉降量較小且地層穩(wěn)定受控。同時(shí)，嚴(yán)格控制出土量，經(jīng)計(jì)算每環(huán)理論出土量實(shí)方39m3，虛方約50m3，大于此方量需要對(duì)地面加密測(cè)量及分析，確定是否存在超挖或發(fā)生較大地表沉降。

4.3 優(yōu)化注漿參數(shù)

（1）嚴(yán)格控制同步注漿質(zhì)量。漿液選用惰性漿液（附配合比），具有比重大、填充性、抗離析性、流動(dòng)性好的特點(diǎn)，及時(shí)填充盾尾間隙，塌落度控制在12 ～16cm，泌水率＜5%。通過(guò)合理的注漿配比及注漿過(guò)程管控，有效控制地表沉降，減少對(duì)地層擾動(dòng)，減小注漿過(guò)程對(duì)管片造成的上浮。

表1 惰性漿液配合比

（2）適當(dāng)增加注漿量。注漿量的多少，將直接影響地表沉降變形的大小，是地表沉降控制的關(guān)鍵要素。理論注漿量計(jì)算如下：

式中，D 為刀盤開挖外徑；d 為管片外徑

根據(jù)本項(xiàng)目淤泥質(zhì)軟土盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，注漿率為理論注漿量的1.5 倍，注漿壓力為0.15 ～0.3MPa 時(shí)，地表沉降可控制在10mm 以內(nèi)；當(dāng)注漿率小于理論注漿量的1.5 倍時(shí)，地表沉降量有顯著增加的趨勢(shì)。

因此，合理注漿量至少為：Q 注入量(m3)=2.74×1.5=4.1 m3，考慮到地層漿液的滲透系數(shù)，每環(huán)注漿量為4.5m3，以盾構(gòu)間隙填充飽滿，沒(méi)有漿液滲漏，地表監(jiān)測(cè)穩(wěn)定為宜。

（3）優(yōu)化注漿方式。注漿采取4 路單管單控，單獨(dú)計(jì)量方量，四路同時(shí)注入漿液，確保管片周圍注漿均勻行成包圍圈，避免單點(diǎn)或兩點(diǎn)注漿導(dǎo)致漿液不能形成環(huán)箍，影響注漿效果。

（4）及時(shí)采取二次補(bǔ)漿措施。本項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物及地層敏感帶時(shí)，實(shí)施二次注漿，達(dá)到加強(qiáng)隧道襯砌加固的目的。二次注漿選用單液漿，采用注漿壓力和注漿量雙控原則，注漿位置以中上部為主，防止二次注漿造成管片上浮或錯(cuò)臺(tái)。

4.4 嚴(yán)格進(jìn)行管片選型和拼裝工作

每環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)，安排專人測(cè)量盾尾間隙兩次，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)及油缸行程差，進(jìn)行管片選型。管片安裝到位后，使用扭矩扳手使螺栓初緊、復(fù)緊、終緊達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，及時(shí)伸出相應(yīng)位置的推進(jìn)油缸頂緊管片，其頂推力應(yīng)大于穩(wěn)定管片所需力，然后，方可移開管片安裝機(jī)。

4.5 強(qiáng)化沉降監(jiān)測(cè)

（1）加密布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。沿盾構(gòu)區(qū)間中心線隧道方向布設(shè)測(cè)點(diǎn)，在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)段30m 內(nèi)，加密布設(shè)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每5m 設(shè)一斷面；其他位置每10m 布設(shè)線路中線測(cè)點(diǎn)；每30m布設(shè)大斷面測(cè)點(diǎn)，每斷面左右線咬合布設(shè)5 ～9 個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距為3 ～8m，分別布設(shè)于線路中心線及距離隧道中心線3.3m、5m、9m 位置。

（2）保證沉降監(jiān)測(cè)頻率。地面沉降監(jiān)測(cè)頻率每12h/次，盾構(gòu)施工至建構(gòu)筑物段時(shí)加密監(jiān)測(cè)，每6 小時(shí)/次，觀察沉降速率及沉降值。按時(shí)將測(cè)量沉降情況向盾構(gòu)作業(yè)隊(duì)做交底，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須進(jìn)行警情報(bào)送，確保盾構(gòu)操作手能夠及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

（3）引入人工復(fù)測(cè)機(jī)制。在盾構(gòu)機(jī)測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的同時(shí)，每20 環(huán)由人工對(duì)管片姿態(tài)進(jìn)行復(fù)測(cè)，與導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，規(guī)避測(cè)量誤差。

5 盾構(gòu)掘進(jìn)效果

杭州地鐵十號(hào)線3 標(biāo)隱～莫盾構(gòu)區(qū)間左線全長(zhǎng)971 米，自2020 年1 月12 日始發(fā)，5 月25 日貫通，平均進(jìn)度215 米/月，通過(guò)合理化管控，掘進(jìn)姿態(tài)全面受控，管片錯(cuò)臺(tái)、開裂現(xiàn)象得到了有效遏制，成型隧道質(zhì)量較杭州地鐵二號(hào)線得到了大幅提升。

6 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)軟土地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難、管片開裂等問(wèn)題較為常見，在杭州地鐵十號(hào)線3 標(biāo)隱～莫盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中，我們按照“地層是基礎(chǔ)、設(shè)備是關(guān)鍵、人是根本”的盾構(gòu)施工管理理念，強(qiáng)化對(duì)地層的研究認(rèn)知，優(yōu)化設(shè)備選型及配置，合理選擇控制掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)控注漿配合比及注漿量，規(guī)范管片選型及拼裝作業(yè)，加強(qiáng)測(cè)量沉降監(jiān)測(cè)管理，解決盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難、管片易開裂等淤泥質(zhì)軟土盾構(gòu)掘進(jìn)常見問(wèn)題，在確保盾構(gòu)安全、快速掘進(jìn)的同時(shí)，也為今后在類似地層條件下的盾構(gòu)施工提供借鑒及經(jīng)驗(yàn)。