極軟弱地層盾構施工關鍵技術探析

陳 饋，馮歡歡

（盾構及掘進技術國家重點實驗室，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）、兩區間（朝暉橋站～白佛站區間、談固站～朝暉橋站區間）。朝暉橋站～白佛站區間位于中山東路下方，沿中山東路東西向敷設，采用盾構法施工，全長598m。朝白區間頂覆土約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。右線盾構于2014年6月18日正式掘進，截至9月12日僅掘進383環共459.6m，月平均進度僅162m，施工中盾構姿態控制困難，在107環、220環、290環、371附近先后4次出現較大的盾構叩頭現象，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盾構施工，但仍未有效解決盾構叩頭問題。9月12日，再次組織召開了專家會，對盾構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 地質概況

盾構區間穿越的地層主要為：粉細砂④1層、粉質粘土⑤1層、細中砂⑥1層中，拱頂主要以粉細砂為主。根據地質勘察報告，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。道路兩側建筑物距離隧道結構較遠，區間隧道與周邊鄰近建筑物最小間距15m左右。

區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。根據現場補勘，管線周圍滲漏比較嚴重，導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 盾構叩頭分析

2.1 叩頭現象

1）220環附近 盾構掘進至220環時，盾構上部盾尾間隙開始呈現逐步減小的趨勢，且無法調整，推進過程中推力達到2 100～2 400t，推進速度緩慢，盾構垂直姿態下降，出現叩頭趨勢。每環推進過程中姿態整體下降約2～3mm，在進行管片拼裝時，前點下降約4～5mm，后點姿態基本無變化。針對出現的盾構叩頭現象，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，以使盾構姿態上抬，但因盾構總推力過大，改善效果不佳。當盾構掘進至229環時，盾構垂直姿態累計下降70mm，同時在管片拼裝過程中，盾體下降速度更快，達到每環3～8mm。在掘進至230環時，仍采取對上部推進油缸卸力，使姿態上抬，但實施后效果不明顯，由于盾尾持續下降較快，導致仰俯角由-2mm/m變為0，且在管片拼裝過程中，盾構垂直姿態出現異常，也伴隨著下降了3mm。

2）371環附近 盾構掘進至371環時，盾構垂直姿態再次出現整體下降，371環垂直姿態：前點16mm、后點3mm；372環垂直姿態：前點10mm、后點-2mm；盾構垂直姿態前點下降趨勢大于后點，開始逐漸形成叩頭趨勢。375環垂直姿態：前點-13mm、后點-11mm，仰俯角變為負值。377環垂直姿態：前點-28mm、后點-24mm，379環垂直姿態：前點-50mm、后點-39mm，381環垂直姿態：前點-58mm、后點-58mm，382環垂直姿態：前點-63mm，后點-67mm。379～383環推進過程中，每環姿態前點下降約2～3mm，后點約5～6mm；在收油缸進行管片拼裝時，前點下降約2mm，后點姿態基本無變化。

2.2 叩頭分析

1）人員原因 第一次出現叩頭時，前期由于盾構施工人員對極軟弱地層施工經驗不足，導致盾構掘進在由粉質粘土層進入承載力較差的細砂軟弱地層時，盾構操作人員對地層預判不足，掘進參數選取不理想，造成盾構姿態相對較差[1]。

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

3）地質原因 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，導致朝白區間地層極軟弱。朝白區間隧道上方正穿DN 1000mm雨水道、DN 500mm污水管，監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，后期需要持續沉降。經打孔勘查上部土體存在淤泥層和水囊。

朝白佛站區間覆土約10.2～12.6m，盾構掘進底部高程為16.45～18.85m，根據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。

由于盾構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、壓縮性等力學性質產生較大變化，造成承載力驟減。

4）姿態原因 為避免盾構叩頭，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，盾尾傾角導致盾尾與管片摩擦力增大，致使盾構掘進時總推力較大，掘進速度較慢。

5）糾偏原因 在極軟弱地層掘進，盾構底部地層具有可壓縮性，盾構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未清理干凈，在管片拼裝時進入盾尾刷，造成盾構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，導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 成立專業管控組

成立了由具有類似地層豐富施工經驗的盾構技術人員組成的專業管控組，全程管控指導盾構掘進施工，對出現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）加強對盾構及配套設備的維保，盡量減少設備故障率造成的停機，縮短盾構叩頭處理等非正常停機時間。同時加強現場管理，合理組織，縮短因工序轉換造成的停機時間。

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

3.3 設備系統檢測

針對盾構多次出現叩頭問題，委托第三方檢測中心對盾構進行了設備狀態檢測評估。對推進系統及鉸接系統進行了檢測評估。經檢測，設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，推進系統與鉸接系統運行正常可控。對各系統進行了狀態檢測，通過振動測試儀、溫度測試儀、內窺鏡、溫濕度計、油品快速檢測儀、秒表等儀器診斷各系統使用狀況。通過對主機及后配套設備運行狀態功能進行檢驗、輔助設備旋轉振動測試、液壓泵及主驅動機械振動測試對盾構設備狀態進行了評估，通過油品檢測分析了各部件的磨損情況，從專業、系統角度全面分析了設備狀況，并給出了維保建議。經狀態檢測評估，整機狀況能夠保證正常掘進施工。

3.4 針對220環附近

3.4.1 應對措施

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對措施。

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

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

4）調整鉸接油缸，將鉸接鎖住，并采用輔助千斤頂進行調整到位后固定。在后續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機械頂輔助調整鉸接油缸，實施過程中發現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采用輔助千斤頂調整鉸接油缸無效果后，在掘進過程中，加大盾構仰俯角至+10mm/m左右，然后將盾構機頭下壓（為避免盾構叩頭超限，決定將盾構豎直姿態抬高至+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整，利用該措施至341環時，鉸接油缸行程：左上12mm、左下39mm、右上9mm、右下39mm，此時盾構鉸接油缸行程差達到近期最好狀態。

3.4.2 實施效果

后續盾構繼續推進至231環、232環，盾構掘進總推力已降低至1 800～2 100t，同時仰俯角變為+4mm/m，已有抬頭趨勢。

3.5 針對371環附近

3.5.1 應對措施

主要從掘進方向控制、同步注漿、盾構掘進參數控制等方面，采取了技術措施：

1）以線型控制為主，為避免管片姿態超標，加大下部油缸推力，并根據地層情況卸除1號、2號、14號、15號上部部分油缸，增大上下部推力差（右側A組、左側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，選擇合適的盾構俯仰角。

2）根據施工現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徑向孔注入高質量鈉3膨潤土，減少盾體與周邊土體的包裹和固結，及利用膨潤土清洗注漿管路，防止盾構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量，合理控制注漿壓力。根據盾構掘進速度，合理調整同步注漿時間、注漿壓力，保證同步注漿與盾構掘進同時完成。目前盾構掘進同步注漿為每環注漿一次，注漿量為5.5～7m3，注漿壓力0.15～0.3MPa，注漿時間25～50m in。二次注漿根據監測情況在地表沉降較大監測點里程范圍內進行，按每3～5環注漿一次，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推進油缸的壓力和伸縮量，按各塊管片位置縮回相應位置的推進油缸。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）盾構掘進中經常復核隧道軸線、盾構姿態、管片姿態，發現偏差及時糾正。盾構姿態控制采取“勤糾、少糾”原則，每環掘進偏移量不宜大于5mm。當偏差過大時，在較長距離內分次限量逐步糾偏。糾偏過程中提高人工管片姿態測量頻率，掘進時控制在3～5環一測，并及時出具管片姿態成果，指導下一步掘進施工。若在糾偏過程中部分管片垂直姿態超限，及時與設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

出現叩頭趨勢后主要采取的措施：在掘進374環時油缸行程推至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環考慮到盾構姿態下降較明顯，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和包裹問題，9月5日～10日間斷掘進至383環。379～382環推進過程中，每環姿態前點下降約2～3mm，后點約5～6mm；在收油缸進行管片拼裝時前點下降約2mm，后點姿態基本無變化。

當前在推進381環時垂直姿態：前點-58mm、后點-58mm、仰俯角為0，382環時盾構垂直姿態：前點-63mm、后點-67mm、仰俯角為+1mm/m，383環時盾構垂直姿態：前點-63mm，后點-69mm，仰俯角為+1mm/m，根據目前的姿態變化可判斷出盾構已有抬頭趨勢。根據現場實測管片姿態，管片姿態較盾構姿態每環有約20～30mm上浮量。根據前期叩頭情況預計糾偏需8～10環，按照仰俯角情況每環后點下沉約3～5mm，可推斷出糾偏8～10環后，后點將下沉至-93～-119mm，考慮到管片上浮，預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、壓縮性等力學性質也會產生較大變化，最終導致承載力驟減。

石家莊朝白區間盾構下沉的主要原因是本工程的極軟弱地質。在極軟弱地層掘進，盾構底部地層具有可壓縮性，盾構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，導致頂部盾尾間隙過小及盾構整體下沉；由于盾構下沉，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，為控制盾構姿態，減少了上組推進油缸的推力，增大了下組油缸的推進，造成管片環的下部受力過大，如果同步注漿液不能及時穩定管片，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，盾構叩頭仍不能有效解決的原因。

根據分析論證，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下沉，建議盡快恢復掘進，并盡量快速通過，項目部按專家意見于9月13日恢復掘進，并按專家意見控制掘進參數；二是按專家意見優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計要求，項目部按專家意見對仰俯角進行調整；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環試推進時，仰俯角上抬較明顯；掘進過程中，仰俯角由384環的+2mm/m調整為403環+8mm/m；每天掘進進度控制在8～10環，如果不是業主要求控制進度，盾構施工進度仍有較大上升空間。

4.2 盾構適應性改造建議

盾構在極軟弱地層掘進時，雖然通過采取施工專項措施，能夠緩解盾構叩頭現象，但僅是權宜之計，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標的地質屬極軟弱地層，盾構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，這是確保盾構在極軟弱地層順利掘進的基本設計條件。本標段所采用的盾構，其開挖直徑大于前盾30mm，這是造成盾構叩頭的原因之一；同時，盾構主機偏重、盾構主機的重心靠前等因素，也是造成盾構產生叩頭趨勢的原因。

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

另一方面，在盾構到達后，應對盾尾的整圓度進行檢測，以確保推進油缸與盾構軸線同心。根據項目部的檢測，目前盾尾橢變約3cm，建議在盾構到達后對盾尾進行整圓。同時，盾構到達后應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 語

粉細砂、粉質粘土、細中砂等是石家莊地鐵1號線8標朝白區間右線盾構掘進過程中所遇到的主要地質條件，施工過程中盾構姿態難以控制，經常出現嚴重的盾構叩頭現象。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，但這不能從根本上解決問題，叩頭現象無法杜絕。如果盾構的正常施工需要時刻依靠專項措施來保證，說明盾構需進行必要的地質適應性改造。經研究分析，盾構開挖直徑大于盾體直徑，是造成盾構在極軟弱地層下沉的根本原因，因此需結合極軟弱地層特點，對盾構刀盤進行適應性改造，以期從根本上解決盾構叩頭問題。 O

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

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

[3] 李志帥．軟土地層盾構掘進姿態控制技術研究[D].北京：北京交通大學，2013．

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

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