細中砂地層掘進施工盾構“叩頭”分析與對策

王 龍，劉恒杰

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450015）

細中砂地層掘進施工盾構“叩頭”分析與對策

王 龍，劉恒杰

（中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450015）

以石家莊地鐵一號線某盾構隧道區間施工為例，通過對該區間施工中遇到三次盾構叩頭的原因進行對比分析，總結出針對細中砂地層中盾構掘進叩頭問題的處理方法，其處理措施可供類似工程參考。

細中砂地層；被動鉸接；盾構掘進；處理方法

隨著城市基礎建設的飛速發展，繁雜的地下管線、構建筑物的逐步增多等進一步增加了地鐵盾構施工的難度和風險。雖然盾構施工已經有一百多年的歷史[1]，但是城市地鐵盾構施工依然困難重重；一方面取決于施工單位的施工經驗和施工水平，另一方面是由于地面空間的限制和地質勘測水平影響導致我們對隧道區間范圍內的地質情況缺少一個全面的掌握[2]。因此，施工中的過程控制就顯得尤為重要。本文通過總結石家莊地鐵1號線某區間的施工經驗，分析并驗證了一系列細中砂地層盾構掘進解決盾構“叩頭”的措施。

1 工程概況

某區間右線盾構區間全長598m，共計498環。該區間覆土厚度約10.2～12.6m，線路平面有兩處曲線（均為R=1200m），線路縱向坡度呈V字坡。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，隧道縱斷面示意圖見圖1。根據地質勘察報告，穿越的細中砂⑥1的標貫平均值N=31，地基承載力160～280kPa（應用與該區間的盾構要求地基承載力不小于52kPa）。區間沿線45m深度范圍內地下水類型以潛水為主，區間隧道位于水位線以上。地質補勘時，發現區間隧道上方正穿污水管、雨水管、橫穿三處熱力管溝。

2 盾構“叩頭”原因與現場處理方法

2.1 第一次“叩頭”

圖1 隧道縱斷面示意圖

在盾構掘進第107環時，盾構主機逐漸呈現“V”字型，盾構向下趨勢增大。掘進過程中扭矩最大達到2000kN/m，推力在22000kN左右，掘進時推進速度明顯下降。鉸接壓力增加到200bar（正常掘進時100bar左右）。本臺盾構配有14支鉸接油缸?160×80行程150mm，鉸接總拉力計算如下

1）原因分析 盾構呈現“V”字型（尾盾和前中盾軸線出現較大夾角）一方面是由于掘進過程中姿態調整幅度過大[3]；另一方面是由于盾尾間隙不良造成盾尾單側受力。從掘進參數的反映情況來看，緊鄰的幾環掘進并未大幅度調整姿態；從掘進速度逐漸減小，鉸接拉力持續增大可以明確推斷出盾構盾尾受力異常。當前掘進工況和掘進地質并未改變。檢查發現盾尾與管片上部間隙為零。由于前期未進行姿態調整，且地質條件也無突變。因此，盾尾間隙變小且盾構呈現主要可能是管片選型引起。

2）處理措施 加強管片選型管理，合理計算出設計線路與當前盾構姿態對管片超前量的需求。當盾構呈現嚴重“V”字型時，管片選型必須要考慮推進油缸行程差和鉸接油缸行程差，結合盾尾間隙[4]，從兩組行程差計算出當前盾構姿態所需管片超前楔形量。大的原則是讓管片軸線盡量適應尾盾，保持良好的盾尾間隙[5]～[6]。這樣能夠很好地解決由于盾尾間隙過小導致的盾構姿態難以控制的現象。

2.2 第二次“叩頭”在盾構掘進至220環時，推進過程中推力逐漸增大到24000kN，同時鉸接壓力逐漸升高到290bar偶爾會達到停機壓力設定值。但推進速度幾乎為零，盾構垂直姿態每環推進整體下降約7～10mm。從螺機出渣看，地層含水明顯增多。在管片拼裝的過程中盾尾姿態基本能夠保持，但刀盤切口處垂直姿態下降約2～3mm。伴隨著姿態不好控制地表沉降量也出現了異常，刀盤上方沉降速率明顯增大。經檢查盾尾與管片間隙良好，相鄰幾環盾尾油脂注入量和注入壓力正常。

1）原因分析 盾構掘進至220環時該段為全斷面細中砂地層，且隧道上方距離隧道軸線3m有1根承插式混凝土污水管道。由于地表沉降較大，在地面上探孔注漿時取芯如圖2所示，發現該處隧道上方3～5m范圍地層富含地下水。由于石家莊地區地下水位較低，隧道開挖范圍內可能存在少量地表潛水，由于掘進期間并非雨季。因此初步推斷此處污水管道由于年久失修出現滲漏現象。細中砂地層遇水自穩定性大大降低，在盾構通過時快速收斂，導致盾體包裹力增大，同時又無法加大推力（推力加大，鉸接壓力報警停機）。最終導致推進無速度，土倉壓力無法維持平衡出現地表沉降。

圖2 區間無水地層芯樣(上)、無水滲漏區域地層芯樣(下)

2）處理措施 針對盾體包裹嚴重，可利用盾體周圍預留的盾殼膨潤土注入管注入優質膨潤土。如果地層富水滲透性高可適當考慮用同樣的方法注入潤滑油脂幫助盾構脫困。在注入盾殼膨潤土的同時需要手動小幅度收放鉸接，同時要嚴格控制螺機出土量，嚴格把控土倉壓力，避免出現欠壓超挖造成的地表沉降。在遇到地質條件突變，地層含水量增大的情況下需要及時調整同步注漿參數，縮短漿液初凝時間，確保同步注漿的效果。

2.3 第三次“叩頭”

盾構掘進345環時盾構姿態開始不可控，總推力不變的情況下推進速度有所下降。在保持原有推進油缸壓力差的情況下，盾構“叩頭”明顯，通過調整壓差，“叩頭”現象略微得到控制，但是盾構逐漸呈現較為明顯的“V”型，并且盾尾間隙惡化。通過管片選型無法調出良好的盾尾間隙。

1）原因分析 通過參數分析，盾構刀盤扭矩，渣溫等基本正常，初步排除刀盤結泥的可能。從渣土土樣分析結果來看，在細砂中含有部分結團，結團中心屬于硬塑狀粉質黏土，可以判斷當前掘進細砂層中含有粉質黏土夾層，從地質詳勘資料也得到了印證。從圖3參數曲線圖可以看到，出現上述原因的主要原因在掘進地層開始變化時只是一味地糾偏，沒有綜合考慮管片選型，最終出現不均勻地層中盾構掘進的通病——盾構抬頭掘進（向上趨勢較大），姿態無法維持。

2）處理措施 當盾構出現姿態偏差時，光靠調整推進油缸壓差并非能夠解決問題。前期糾偏的同時就要兼顧盾構的整體趨勢。在361環之前掘進過程中上下油缸壓差維持在55左右，姿態基本可以維持穩定，從358環開始，盾尾間隙逐漸減小，幾乎為零。伴隨著盾尾間隙的變化，姿態開始下滑，即使提高推進壓差也無法控制。通過6環的間隙調整，直到364環間隙有了好轉的情況下姿態開始慢慢有了回升跡象。在保證盾尾間隙的前提下，有一個穩定的推進油缸壓差即可維持不均勻地層盾構沿著設計軸線掘進。

圖3 部分掘進參數曲線圖

3 結 語

盾構在軟土地層中掘進造成“叩頭”的原因有多種，主要可歸納為以下幾點：①不均勻地層造成；②盾構司機操作不當造成；③盾體被包裹無法建立正常土壓所造成的；④管片選型不當導致盾尾被卡造成；⑤地質突變所造成。

常見的處理措施按照“叩頭”發生的機制主要分為：①提前做好盾構區間地質補堪工作，對較為軟弱或有孔洞的地方做好注漿加固等預處理；②選擇合理優良的渣土改良方案，避免出現由于渣土改良不當造成的螺機噴涌伴隨的土壓劇降盾構“叩頭”現象；③切記在軟土尤其是細中砂地層長時間停機，如果不可避免，應提前做好停機準備，停機前在土倉和盾殼注入適量性能優良的膨潤土；④遇到姿態偏離，切記大幅度糾偏。在糾偏的同時要改變原始預定的管片選型策略，以防盾尾被卡造成盾構“叩頭”。

[1]陳 饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]周立波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3]潘國榮，白昀，李懷鋒.鉸接盾構自動導向系統測量方法[J].大地測量與地球動力學，2012，32(3)：55-58.

[4]王 朔，王西林，賈向斌，等.盾構姿態控制及導向測量技術[J].中國科技博覽，2012，(8)：99-100.

[5]王歡貴.盾構隧道姿態控制措施[J].低碳世界，2015，(5)：232-233.

[6]周 鑫.淺析土壓平衡盾構施工軸線控制[J].科技創新與應用，2014，(28)：234.

（編輯 張海霞）

Analysis and countermeasures of fi ne medium sand formation driving construction shield “knock head”

WANG Long, LIU Heng-jie

TU621

B

1001-1366(2015)09-0060-03

2015-07-15