硬塑粉質粘土地層中的土壓平衡盾構掘進技術

舒 璐/SHU Lu

（中鐵隧道集團專用設備中心，河南 洛陽 471000）

近年來，隨著城市建設的快速發展，土壓平衡盾構在城市地鐵隧道建設中的應用范圍越來越廣。而且隨著施工范圍擴大，所遇到地層的復雜程度不斷增加。本文通過無錫地鐵1號線江海路站至無錫火車站盾構區間前期施工情況，總結了土壓平衡盾構在無錫典型地質條件下，遇到硬塑粉質粘土地層的掘進技術，為類似地層的施工提供參考。

1 工程和地質概況

1.1 工程概況

本工程位于無錫市北塘區、崇安區，線路大致呈“S”形南北走向，沿線地面多為廠區、民房建筑，多次下穿河流、橋梁、樓房樁基、錫滬西路、地下通道等建（構）筑物。隧道沿線地面以下管線密布、錯綜復雜，有雨水管線、污水管線、上水管線、燃氣管線、電信管線、電力管線等多種管線，埋置深度深淺不一。區間左線1 308.878m、區間右線1 296.115m，最小轉彎半徑為350m，隧道縱坡呈“V”型，最大縱坡為24.4‰，最小縱坡為4.0‰。

盾構隧道采用裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑6 200mm，內徑5 500mm，厚350mm，環寬1.2m，為“3+2+1”型（3塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊），拼裝時采用錯縫拼裝、彎曲螺栓連接。

本工程采用1臺土壓平衡盾構，開挖直徑為6 390mm，面板式刀盤，刀盤驅動功率660k W，額定扭矩5 400k Nm。

1.2 地質概況

隧道斷面穿越土層大部分為粉質粘土、粘土層，部分斷面上部位于粉土夾粉質粘土層(圖1)。其中(6)1-1粉質粘土層：暗綠～灰黃色，可塑(局部硬塑)，含鐵錳結核。切面有光澤，干強度及韌性高，無搖震反應。地層特性為：含水率26.59%，天然密度1.98g/cm3，孔隙比0.75，滲透系數3.09E-06cm/s,承載力160k Pa。(6)1粘土層：灰黃色，硬塑(局部可塑)，含鐵錳結核。切面有光澤，干強度及韌性高，無搖震反應。地層特性為：含水率24.57%，天然密度1.99g/cm3，孔隙比0.71，滲透系數3.61E-06cm/s,承載力200k Pa。上述2種地層沿線均有分布，約占區間地層分布的78%。

圖1 區間地質縱剖面圖

2 土壓平衡盾構在(6)1和(6)1-1粘土中掘進

2.1 施工前對設備進行改造

在盾構始發前，對區間地質情況進行了詳細分析，發現(6)1粘土(圖2)和(6)1-1粘土具有硬度高，粘性大，可滲透性差等特點，針對這些特性，對盾構進行了以下改造。

圖2 (6)1粘土

1）增加一臺驅動電機，刀盤驅動功率由原來的550k W增加至660k W。刀盤額定扭矩由原來的4 600k Nm增加至5 400k Nm，以便設備能夠滿足粘土地層帶來的扭矩負荷。

2）將刀盤上的主動攪拌棒由原來的4根增加至5根，土倉內被動攪拌棒由原來的4跟增加至8根，被動攪拌棒主要增加在主軸承附近。通過攪拌棒的增加，減少刀盤背面結泥餅的概率和加大對土倉內渣土的攪拌。

2.2 盾構掘進施工

2.2.1 掘進參數

刀盤轉速rpm 1.1～1.15

刀盤扭矩k Nm 3 500～4 500

掘進速度mm/m in 15～25

螺旋輸送機壓力bar 100～150

泡沫劑比例% 3～5

注漿壓力bar 3.5～4.5

注漿量m33.3～3.5

2.2.2 曲線段盾構掘進

盾構由江海路站進行始發，盾構在始發階段就處于半徑350m的曲線上，盾構在小半徑曲線上始發和接收對于盾構與設計軸線的擬合控制、盾構的姿態控制、防止超欠挖控制、防止洞門漏水、防止始發基座和反力架位移變形都提出了很高的技術要求。采用曲線割線始發技術，控制盾構軸線偏差在規范允許范圍內的直線始發線路掘進，來規避盾構在小半徑曲線上的各種施工風險；曲線段盾構施工時，盾構推進操作控制方式是把液壓推進油缸進行分區操作，使盾構按照預期的方向進行調向，另外盾構本身配置的鉸接形式更利于盾構姿態的調整，在曲線段推進時需注意以下幾點：①在始發階段，將盾構姿態按照要求安裝在始發基座上，姿態符合割線始發要求；②根據每環管片的盾尾間隙、推進油缸行程差、鉸接油缸位移情況以及當前盾構姿態與隧道軸線的關系等來確定合適的管片的型號，選擇盾構推進油缸分區的推力分布；③為防止管片外斜，必須保證背襯同步注漿的效果，使盾構千斤頂的偏心推力有效地發揮作用。確保曲線推進效果，較少管片的損壞和變形；④密切注意盾尾以及盾體鉸接位置是否出現泄漏，發現泄漏情況及時加注油脂；⑤加強工序銜接，避免長時間的停機。

2.2.3 姿態調整與糾偏

由于各種原因，盾構推進方向可能會偏離設計軸線并超過管理警戒值；在穩定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產生盾體滾動偏差；在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產生較大的偏差。因此應及時調整盾構姿態、糾正偏差。

1）姿態調整 分區操作推進油缸來調整盾構姿態，糾正偏差，將盾構的方向控制調整到符合要求的范圍內。

2）滾動糾偏 允許滾動偏差≤1.5°，當超過1.5°時，盾構報警，提示操縱者必須切換刀盤旋轉方向，進行反轉糾偏。

3）豎直方向糾偏 控制盾構方向的主要因素是千斤頂的單側推力，當盾構出現下俯時，可加大下側千斤頂的推力，當盾構出現上仰時，可加大上側千斤頂的推力來進行糾偏。

4）水平方向糾偏 與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時應加大左側千斤頂的推進壓力，右偏時則應加大右側千斤頂的推進壓力。

5）方向控制時注意措施 ①合理控制區域油壓。盾構的軸線控制是盾構施工中的一個重要環節，盾構依靠千斤頂的推力向前推進。為便于軸線控制，將千斤頂設置分成不同區域，推進時通過調整各區域油壓，實現盾構沿設計軸線方向推進。在切口平衡壓力正確設定的前提下，嚴格控制各區域油壓，同時控制千斤頂的行程，合理糾偏，做到勤糾，減小單次糾偏量。②正面平衡壓力控制。由于地質條件、地面附加載荷等諸多因素不同的制約，將導致刀盤前方土壓力有所差異，為此需及時調整和管理。③均衡施工。盾構推進應盡可能做到連續性，減少不必要的停機，以防止盾構下沉。④勤糾偏。修正及糾偏時應緩慢進行，控制糾偏過度，糾偏量控制在5mm/環之內，如修正過程過急，蛇行反而更加明顯。在曲線推進的情況下，應使盾構當前所在位置點與遠方點的連線同設計曲線相切。

2.2.4 渣土改良

由于(6)1、(6)1-1粘土的特性，使得盾構在掘進過程中，必須做好渣土改良工作，才能更好地實現推進。針對(6)1、(6)1-1粘土渣土改良的主要手段是添加泡沫和水，泡沫的原液添加比例是3%～5%，，注入流量在400～500L/m in，但在掘進過程中不能長時間的添加泡沫，長時間的添加泡沫可以有效地降低刀盤扭矩，當會造成渣土在皮帶上打滑的現象出現，需要同時添加部分的水，通過膨潤土注入孔，水的添加量一般為2～3m3/h。

2.2.5 掘進中遇到的問題及應對措施

1）刀盤扭矩大 在施工過程中，由于(6)1、(6)1-1粘土硬度高，且粘性大，造成刀盤扭矩接近額定值5 400k Nm，此時的掘進速度僅為20～25mm/m in，為降低刀盤負荷，采用以下措施進行渣土改良，降低刀盤扭矩：往土倉內添加適量的泡沫和水，可以將刀盤扭矩降低至4 000k Nm左右。

2）渣土在輸送帶上打滑 由于渣土硬度較高，在通過螺旋輸送機的過程中，不能輕易地將渣土排除，造成渣土在螺旋輸送機內嚴重擠壓，渣土在螺旋輸送機出口處掉落時，呈大塊裝，且因在土倉內添加的泡沫和水不能完全滲透到渣土中，僅能夠在渣土表面滲透，造成渣土表面濕滑，輸送帶本身在前端就處于上坡狀態，造成渣土在皮帶上打滑的現象。采取以下措施進行改進：首先是在螺旋輸送機閘門下方焊接網格狀的鋼筋，間距約200mm，讓掉落的渣土強制行變小；其次調整泡沫和水的注入比例，以加水改良為主，泡沫改良為輔；最后將輸送帶前端位置進行改造，向上抬高100mm，減小輸送帶的坡度。

3）螺旋輸送機堵塞 由于渣土的可滲透性不高，造成渣土改良效果不理想，導致渣土在螺旋輸送機內部不能被輕易地排出。螺機壓力和扭矩上升非常快，當出現螺旋輸送機堵塞情況時，首先通過對螺旋輸送機內部添加泡沫和水，使內部的渣土變軟，同時要注意觀察土倉的壓力變化，因為有可能會出添加的泡沫和水進入土倉的現象。在將土逐漸泡軟的過程中，不間斷地進行螺旋輸送機的伸縮和正反轉，直至將其疏通。為避免螺旋輸送機出現堵塞的現象，要求盾構操作手在掘進過程中必須密切觀察螺旋輸送機的壓力變化，當出現壓力上升加快時，可停止推進，進行疏通，至扭矩和壓力降低方可繼續推進。

3 結 語

通過江錫區間前期的施工，得出以下幾點經驗：①在(6)1、(6)1-1粘土中掘進，合理的掘進參數設置和良好的渣土改良狀態是施工順利進行的有力保證；②在曲線段掘進，必須合理地選擇管片類型，一方面要符合隧道設計軸線，另一方面要符合盾構的姿態，避免管片與盾尾發生干擾；③在特殊地層下曲線段施工，盾構存在超挖現象，為避免地表出現沉降現象，必要選擇合理的同步注漿配比、注入壓力以及注入量。 O