極軟土質條件下盾構始發的關鍵技術研究

蘆志國 鄧耀華 吳 金

1.中鐵七局集團第三工程有限公司 西安 710032；2.蘇州市軌道交通集團有限公司 蘇州 215004

1 工程概況

1.1 盾構區間概況

盾構施工的區間工程場地位于蘇州吳江市，標段共包含2個盾構區間：中山路站—汽車客運站站區間（第1區間）、汽車客運站站—龐金路站區間（第2區間）。其中：第1區間左線長1 615.64 m，右線長1 591.40 m，區間埋深8.90～19.20 m，區間中段下穿行船河橋，道路兩側多為空地。第2區間工程下穿S227省道、京杭大運河，區間左線長1 430.42 m，右線長1 427.47 m，埋深9.90～18.10 m。2個區間都采用“冷凍+礦山法”施工。工程投入2臺盾構機分別進行掘進施工，2臺盾構機始發場地均設在汽車客運站站（圖1）。

圖1 盾構區間工程概況示意

1.2 沿線地層特性

根據地質資料，標段內地層層序自上而下依次為：①1淤泥層、①2雜填土層、①3素填土層、②1黏土層、③1黏土層、③2粉質黏土層、③3粉土層、④1粉質黏土層、④2粉砂或粉土層、④3粉土夾粉砂層、⑤1粉質黏土層、⑤2粉砂或粉土層、⑥1黏土層、⑦1粉質黏土層、⑦2粉土或粉砂層、⑦3粉質黏土層、⑦4粉土或粉砂層、⑧1黏土夾粉質黏土層、⑧2粉質黏土層。

在蘇州軟土地區，軟土地層缺乏自立性，經施工擾動后很有可能產生臨空面。再加上土壤開挖后的防水性能較差，容易產生較大的位移，突發大量的涌水。這會對盾構的始發施工帶來嚴重影響。因此，在實施盾構始發之前，必須精心研究并采用合理的施工方案，保證盾構始發的成功。

1.3 始發井結構概況

汽車客運站站東西端頭均為盾構始發井，設計為明挖地下2層鋼筋混凝土結構；圍護結構采用厚800 mm地下連續墻。主體結構防水等級為一級，采用全包式防水。端頭井端墻厚800 mm，側墻厚800 mm，底板為厚1 000 mm鋼筋混凝土（不包括墊層），始發井中板、左右線留設11.50 m×7.50 m的盾構機下井口，頂板均為11.50 m×7.50 m盾構機下井口，用于盾構機和后配套臺車的吊裝下井及組裝。

2 盾構始發的不利因素

2.1 土質不利因素

盾構始發與到達處處于④2粉砂層、②黏土層，該土層含水量豐富，且強度較高、壓縮性低、滲透性好，在微承壓水水頭壓力作用下極易產生管涌或流砂，給盾構始發帶來風險。盾構始發掘進時應適當控制掘進速率，避免對土體產生過大的擾動，以減少施工后的沉降。盾構推進時其上部主要為淤泥質黏性土，下部為砂質粉土，土質差異較大，所受到的上、下阻力不均勻，施工時應該合理控制盾構推進參數，保證始發時盾構軸線與設計軸線偏差量控制在最小。

2.2 其他不可預見因素

地下空間的施工風險大，即使在施工前期做好充足的準備，也不能完全保證施工的安全。在進出洞口的施工過程中，由于施工擾動對土體穩定性和止水性存在影響，使得開鑿后出現土體坍塌和流砂事故的風險大大增加。為了降低事故發生的概率，需要在土體改良的規定時間內，按照強度和止水性的相關要求，對改良后的土體進行檢測。該項目在施工過程中常見的問題有以下2點。

2.2.1 盾構始發時洞門處土體涌入井中

在洞口拆除封門后，井外的軟土地層不能自立。洞圈處的密封裝置還不能將土體完全阻擋在洞外，導致洞外的土體沿著洞口進入井內，繼而引發地面沉降，對地面上方的建筑和地下管線的正常使用產生難以預計的影響，同時也會導致盾構施工的中斷。

2.2.2 盾構始發時周圈涌現泥漿

由于洞口的密封裝置在進出洞口時遭到磨損，之后沒能及時做好防漏防滲的處理。因此，在盾構機尚未全部通過豎井或已經脫離始發圈時，豎井以外的泥漿已經開始從洞圈與盾構之間的縫隙中不斷地涌入豎井內。如果不及時采取應急措施，將會引起洞口處已經建好的隧道發生大量沉降情況，最終導致地面沉陷。

3 盾構始發施工及其關鍵技術

3.1 盾構始發端頭加固

盾構端頭加固體均采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁，按照加固投影面積計算，A、B區弱加固（空樁段）投影面積內的綜合水泥摻量為9.70%（即每幅三軸攪拌樁全斷面水泥摻量為7%），A區強加固（實樁）投影面積內的綜合水泥摻量為27.69%（即每幅三軸攪拌樁全斷面水泥摻量為20%），B區強加固體（實樁）投影面積內的綜合水泥摻量為20.70%（即每幅三軸攪拌樁全斷面水泥摻量為15%）；止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁，搭接長度為400 mm，投影面積內的綜合水泥摻量為25.63%（即每幅三軸攪拌樁全斷面水泥摻量為20%）。水泥采用P.O 42.5級以上的水泥。止水帷幕與圍護結構接縫處采用2根單重管旋噴樁補強，水泥摻量為200 kg/m；圍護結構與加固區施工冷縫采用單重管旋噴樁補強，孔間距為200 mm，水泥用量為200 kg/m。在施工開始之前須采取試樁工作，以便根據試樁加固的效果，確定施工方案、施工工藝以及施工的各項參數。盾構始發端頭加固平面如圖2所示。

圖2 盾構始發端頭加固平面示意

為了確保始發端頭加固的質量，還制訂了以下2個參數控制要求：

1）經過加固的土體應達到良好的均衡性以及穩固的自立性。

2）A區加固后土體的無側限抗壓強度標準值達到1 MPa以上，B區加固后土體的無側限抗壓強度標準值則需達到0.50 MPa以上。

3.2 始發托架、反力架的安裝及加固

在盾構機始發過程中，始發托架用于固定盾構機方向、承載其自重，并不斷調整盾構機中心直至到達其設計標高。其次，在拆除負環管片之前，始發架還有著固定負環管片的作用。

反力架的作用是為盾構機提供推進反力，反力架支撐只有部分依靠在車站內側墻上，剩余部分需增設反力架斜撐。始發托架與反力架的施工順為：始發托架地面組裝→始發托架下井安裝、加固→始發托架加固驗收→托架使用→待盾構機及后配套下井完成→反力架下井組裝、加固→反力架加固驗收→反力架使用[1-2]。

3.3 洞門鑿除

根據車站圍護結構體的厚度，鑿除洞門厚度為0.80 m。鑿除洞門需要先割除地下連續墻表面的混凝土和鋼筋網，然后破除地下連續墻墻身的混凝土和鋼筋網，最后實現廢渣的清理。洞門需要分2次進行鑿除。

3.3.1 第1次洞門鑿除

洞口首次鑿除的時間在盾構始發前7 d，鑿除厚度為55 cm。施工人員使用風鎬、鉆機等設備，按照從下而上、先中間后兩側的順序依次鑿除地下連續墻墻身的混凝土和鋼筋網。洞口鑿除順序如圖3所示。

圖3 洞門鑿除順序示意

3.3.2 第2次洞門鑿除

第2次洞門鑿除的時間為始發前4～6 h，鑿除厚度為25 cm，施工時應迅速鑿除殘留的鋼筋網與混凝土，并對洞門附近的鋼筋進行修整，直至切割圓順。同時，應盡量減少洞門土體無支撐的時間。第2次洞門鑿除施工順序為從下往上跳割割除鋼筋，然后清理洞門鑿除產生的廢渣、腳手架等。

3.4 洞門密封、防水裝置安裝

1）洞門采用橡膠簾布、B環板、折頁壓板通過螺栓并按照一定順序固定在洞門鋼環上的方式進行密封，在盾構通過處采用折頁壓板進行密封。

2）在車站主體結構施工時，安裝洞門預埋鋼環（即A環板）；預埋鋼環板加工時嚴格按照交底圖紙說明進行，嚴格控制構件的加工精度以保證正常使用；預埋時嚴格控制安裝精度、洞門中心安裝位置、垂直度等。

3）在洞門第2次鑿除前安裝橡膠簾布、B環板、折頁壓板。安裝順序為：洞門圈預埋鋼環（車站施工時已預埋）→安設雙頭螺桿→簾布橡膠板→圓環壓板→折頁壓板→墊圈→螺母。洞門密封裝置如圖4所示。

圖4 洞門密封、防水裝置示意

3.5 盾構始發掘進

3.5.1 始發掘進參數

工程始發掘進長度設定為90 m，主要考慮以下3個方面的因素。

1）盾構機和后方臺車的長度。

2）始發掘進需滿足布置雙線道岔的條件。

3）土體和管片之間的摩擦力能夠支持盾構機的正常工作。

根據始發段地質情況，工程選擇土壓平衡模式推進。

3.5.2 始發掘進參數的控制

盾構始發掘進施工技術難度大，在始發掘進過程中，結合現場的地質情況，工程對盾構的推進速度、土倉壓力、注漿壓力進行了動態的調整。依據掘進線路的縱向剖面圖，在計算盾構機拱頂處均布圍巖的豎向壓力時，可以直接把上覆土體的自重作為上覆土地層壓力。

根據相關的計算，工程在開始掘進時暫取的掘進參數為：推進速度為10～20 mm/min，土倉壓力為105 kPa，注漿壓力為0.10～0.30 MPa，盾構軸線偏離設計軸線誤差范圍為-50～50 mm，地面隆陷控制在+10～-30 mm，同時將盾構機各組油缸的壓力值嚴格控制在7 000 kPa之內，總推力控制在1×104kN之內，刀盤工作壓力控制在9 000 kPa之內。

通過初始推進，選擇6項指標作為施工管理開展后續施工任務的指導依據，主要包括土倉壓力、推進速度、總推力、排土量、刀盤轉速和扭矩、注漿壓力以及注漿量，其中土倉壓力是主要的管理指標。

在始發的前3環，考慮到刀盤剛開始切削土體，且前方為加固土體，故掘進時應緩慢建立土壓力并且慢慢增加到設計土壓力后，開始始發掘進，同時控制扭矩、轉速和貫入度。施工過程中，再進行掘進參數的動態調整[3]。

3.6 同步注漿

盾構機盾尾進入土體后進行同步注漿，以迅速填充盾體與管片之間的空隙。漿液選取為水泥砂漿，同步注漿完成后還需進行二次注漿，防止因注漿不當引起管片上浮或偏移。

工程同步注漿壓力設定為0.10～0.30 MPa，管片二次注漿的注漿壓力為0.20～0.50 MPa。工程采用的實際注漿量為理論建筑空隙的150%～200%，即為3.56～4.74 m3。在同步注漿施工任務進行過程中，工程設置了注漿上限，當注漿壓力達到設計的標準值時，就可以認為同步注漿施工任務完成。

始發段注漿漿液采用水泥砂漿，工程考慮到漿液的和易性及抗離析性，粉煤灰采用二級粉煤灰，膨潤土采用鈉基膨潤土。根據現場試驗結果和實際施工效果進行修正，力求砂漿配合比達到最優的工作性能。工程設定的始發階段漿液初凝時間為6～8 h。

在正3環安裝完成后，緊固好管片連接螺栓，停止掘進并對洞門圈進行注漿。注漿時密切關注洞門密封裝置的變形情況，一旦發現漏漿情況應立刻停止注漿，并根據漏漿的具體情況采取相應的處理措施。注漿完成后立即用水清洗注漿管，以防止注漿管堵塞。

3.7 管片拼裝

在始發井內，盾構機依靠負環管片提供支撐進行掘進，根據以前的施工經驗，工程左右線各安裝8環負環管片，0環管片插入隧道0.50～0.60 m，以滿足洞門環梁施工要求。負環管片安裝時通過管片拼裝機對標準環管片進行安裝，在安裝過程中為防止管片失圓，必須按照錯縫拼接的原則進行。

在拼裝負8環管片的第1塊管片時，先在負8環管片的A2塊管片內弧面上畫出管片向左偏移22.5°后位于弧底的位置，拼裝時以水平尺進行確定；A2塊管片拼裝完成以后，再依次進行B塊、C塊及封頂塊拼裝。

3.8 極軟土質條件下盾構始發的注意事項

1）為了控制推進軸線，保護刀盤，盾構機推進速度宜控制在10～20 mm/min；為了避免推進時刀盤損害洞門密封裝置，始發前應在刀頭和密封裝置上涂抹油脂以減少摩擦。

2）盾構機啟動的時候，司機需事先檢查千斤頂有沒有完全靠足。在開始推進和結束推進時，掘進速度不能太快；當沿設計路線每環掘進開始時，啟動速度不應過大，應當逐漸提速。掘進過程中，掘進速度應盡可能保持穩定，防止波動。

3）掘進速度的快慢應當與每環注漿量的多少保持一致，保證在掘進過程中同步注漿系統處于良好的工作狀態。

4）始發掘進開始時，為了將盾構機卡在始發架上，需要在盾構機的中心兩側設置防扭轉支座，為盾構機始發提供反扭矩，進入洞門后割除支座并打磨。

5）盾構機組裝完成后，安裝負環管片前，需要手動將盾尾油脂涂抹在盾尾刷上，并保證涂抹飽滿、足量。在對始發臺、反力架以及首環負環管片進行定位時，需要對始發臺、反力架、負環管片的安裝精度進行嚴格控制，以確保盾構始發能夠和設計的路線保持一致。

6）在盾構始發階段，各項設備均處于磨合期，需要將掘進總推力嚴格控制在后盾支撐能夠承載的范圍內，同時也要確保刀盤在此推力下切入地層所產生的扭矩小于盾構機始發架提供的反扭矩。

7）盾構始發在反力架和洞內正式管片之間安裝負環管片，在外側采取鋼絲拉結，并用木楔支撐在負環管片和托架鋼軌之間，以保證在傳遞推力過程中管片不會浮動變位。

8）在打開洞門過程中，若出現流清水現象，必須用雙快水泥和水玻璃進行堵漏。如果在割除鋼筋時發生泥沙流動的現象，必須即刻停止切割鋼筋，并采取注漿處理，堵住后方可再切割鋼筋。

9）在洞圈上下左右4個關鍵性位置預埋外插φ50～100 mm的能大流量注漿的反向封閉式注漿嘴，并加裝長1～3 m的注漿引管。若在鑿除洞門后突發嚴重的泥漿砂石涌動情況，應當立刻停止對洞門的破除，并迅速用雙快水泥進行封堵，同時從預埋注漿管灌注雙液漿或能速凝的化學漿液，以確保洞門安全。

4 結語

基于蘇州地區的地質條件，結合現有軌道交通施工盾構始發的關鍵技術，工程管理人員認真研究了盾構始發可能存在的各類問題，編制了系統的管理方案，實現了盾構始發的質量、進度、成本和安全的集成管理，為盾構區間的施工創造了良好的條件，確保了項目的成功。