地鐵盾構(gòu)在軟土地層中施工常見問題處理

常心毅

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司第三工程有限公司，河北涿州 072750）

地鐵盾構(gòu)在軟土地層中施工常見問題處理

常心毅

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司第三工程有限公司，河北涿州 072750）

文章以中鐵重工 ZTE6250 型盾構(gòu)機(jī)在西安地鐵3號(hào)線施工情況為例，介紹盾構(gòu)在軟土地層施工中出現(xiàn)的蛇形前進(jìn)、垂直姿態(tài)下掉、螺旋出土不順、漿液流失等常見作業(yè)故障的處理，在不同狀況下，制訂相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，使施工作業(yè)安全、經(jīng)濟(jì)、高效。

盾構(gòu)；掘進(jìn)姿態(tài)；軟土地層；故障處理

U455.43

西安地鐵 3 號(hào)線 TJSG-14 標(biāo)段，共 3 站 2 區(qū)間，雙向隧道同時(shí)掘進(jìn)，隧道長度約 3 076 m，區(qū)間平面曲線最小半徑為 550 m，最大縱坡為 25.189‰，底板埋深為18～28 m。區(qū)間范圍內(nèi)土層依次有厚薄不均的 Q4ml 雜填土，其下為 Q3eol 新黃土及 Q3el 古土壤、Q2eol 老黃土、Q2al 粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、粗砂及礫砂。本文以中鐵重工 ZTE6250 型盾構(gòu)機(jī)在該標(biāo)段隧道施工情況為例，介紹盾構(gòu)在軟土地層施工中出現(xiàn)的問題及處理措施。

1　盾構(gòu)蛇形前進(jìn)

盾構(gòu)在軟土地層施工過程中，水平姿態(tài)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)左右擺動(dòng)的現(xiàn)象，即盾構(gòu)蛇形前進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)在蛇形狀態(tài)下推進(jìn)，有可能造成盾尾間隙過小，從而導(dǎo)致管片破裂，如果盾構(gòu)蛇形量過大，會(huì)使隧道軸線偏離設(shè)計(jì)軸線，成型隧道會(huì)超出設(shè)計(jì)規(guī)范。為減小盾構(gòu)在地層中行走的蛇行量，必須及時(shí)采取相應(yīng)的對(duì)策，具體應(yīng)對(duì)措施如下。

（1）充分了解盾構(gòu)所在隧道位置的地質(zhì)和隧道曲線、坡度設(shè)計(jì)情況，在推進(jìn)過程中，盾構(gòu)姿態(tài)糾偏嚴(yán)禁過急、過猛，一定要以長距離、緩慢糾偏為原則，并時(shí)刻注意觀察推進(jìn)油缸行程變化和方位偏差的變化規(guī)律，以及是否存在較大的偏移量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)有較大的變化趨勢(shì)時(shí)，立即采取相應(yīng)的措施。

（2）管片選型始終要依據(jù)設(shè)計(jì)線路和實(shí)際的盾構(gòu)姿態(tài)。管片分為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)，兩種型式的管片可組合成各種線形的隧道，在實(shí)際管片拼裝過程中，認(rèn)真選取管片類型和拼裝點(diǎn)位，充分考慮推進(jìn)油缸行程差、鉸接油缸行程差、盾尾間隙等因素，并要兼顧隧道設(shè)計(jì)線形。盾構(gòu)前體與盾尾間鉸接的轉(zhuǎn)折角越大，盾構(gòu)前行會(huì)越困難，姿態(tài)越不易控制。

（3）背襯注漿要連續(xù)、均勻、飽滿。在軟土地層中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)漿液性能的調(diào)控，漿液膠凝時(shí)間、黏稠度應(yīng)隨地質(zhì)條件、管片姿態(tài)的變化而適時(shí)調(diào)整，每環(huán)注漿量一般不少于 6 m3。同步注漿過程中，為防止管片發(fā)生移位應(yīng)避免一側(cè)注漿壓力過高。

2　垂直姿態(tài)整體下掉

地層以粉土和老黃土為主，少量砂，隧道斷面粉土厚度約為 4～5 m，而且土質(zhì)含水量大，隧道設(shè)計(jì)坡度為+15.236‰。因?yàn)楣芷猩细‖F(xiàn)象，對(duì)盾構(gòu)垂直姿態(tài)控制為：盾首控制在 -30 mm，盾尾控制在 -40 mm。在盾構(gòu)掘進(jìn)到第 455 環(huán)時(shí)，出現(xiàn)垂直姿態(tài)整體下掉現(xiàn)象，每環(huán)約下掉 2 mm，垂直姿態(tài)變化如表 1 所示。由表 1 可見，盾構(gòu)垂直姿態(tài)已超臨界值，為避免下掉趨勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大，采取如下措施。

（1）在推進(jìn)過程中，屏蔽頂部 A 組 2 號(hào)和 18 號(hào)推進(jìn)油缸。2 號(hào)和 18 號(hào)為雙缸，受力較大，屏蔽單缸已經(jīng)不起作用。

（2）適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)推力和推進(jìn)速度，降低盾體的震動(dòng)，并且左右推進(jìn)油缸的推力盡量小一些，水平姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，控制住水平姿態(tài)沒有較大的轉(zhuǎn)彎趨勢(shì)即可。

（3）土倉壓力適當(dāng)保高些，使盾體處于相對(duì)平衡狀態(tài)，以抵消盾體自重而下沉，土倉適當(dāng)多蓄土，使土倉壓力接近實(shí)際土壓，為達(dá)到這種效果，還應(yīng)降低泡沫和工業(yè)氣的流量。

（4）使用轉(zhuǎn)彎環(huán)，輔助盾體向上抬，同時(shí)要注意推進(jìn)油缸行程差和盾尾間隙，不能顧此失彼。

（5）坡度偏差保持在 8‰ 左右，即盾體俯仰角抬到1°21′10″，讓盾構(gòu)垂直姿態(tài)形成向上走的趨勢(shì)，直到垂直姿態(tài)開始向上變化。

經(jīng)過近10環(huán)的調(diào)節(jié)，盾構(gòu)垂直姿態(tài)開始趨于正常，姿態(tài)和坡度偏差變化如表 2 所示。由表 2 可見，經(jīng)過實(shí)施以上措施后，盾構(gòu)垂直姿態(tài)逐漸形成向上抬的趨勢(shì)，盾構(gòu)通過這段特殊軟土地層之后，即可恢復(fù)正常掘進(jìn)。

3　螺旋出渣不順

地層主要以粉質(zhì)黏土和老黃土等黏性土質(zhì)為主，尤其在粉質(zhì)黏土含量較大的地層中，螺旋出土口經(jīng)常會(huì)被堵塞，無法正常出渣，造成施工困難。而且螺旋在出土過程中，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載扭矩大的現(xiàn)象，導(dǎo)致螺旋筒體發(fā)熱受損嚴(yán)重。螺旋出渣不順預(yù)防和對(duì)策如下。

表1　盾構(gòu)垂直姿態(tài)變化

表 2 調(diào)節(jié)后盾構(gòu)垂直姿態(tài)變化

（1）優(yōu)化渣土改良技術(shù)，適當(dāng)調(diào)整泡沫的水液配比參數(shù)。在黏性地層中，泡沫起著界面活性劑的作用，泡沫的使用可使切削土體的流動(dòng)性增強(qiáng)，可有效地防止切削下來的黏性土附著在刀盤上。經(jīng)過泡沫潤滑作用，土倉內(nèi)的渣土不會(huì)因擠壓而固結(jié)，產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，旋入螺旋內(nèi)的黏性土也不會(huì)附著在螺旋葉片和旋桿上，從而使螺旋排土順暢。

（2）在推進(jìn)過程中，螺旋出土速度應(yīng)和推進(jìn)速度相匹配，時(shí)刻注意觀察刀盤扭矩、螺旋扭矩、螺旋上部土壓和下部土壓等參數(shù)的變化，由此判斷土倉內(nèi)渣土的和易性。渣土太干會(huì)增加螺旋的負(fù)載，甚至?xí)斐陕菪氯撂÷菪荒茼樌言列觥Ｍ羵}加水應(yīng)以少量多次為原則，一次性加水過多會(huì)造成螺旋筒體內(nèi)渣土下稀上干，且很有可能會(huì)導(dǎo)致螺旋堵塞。

（3）每環(huán)推進(jìn)完后反轉(zhuǎn)螺旋，把螺旋內(nèi)的渣土反旋到土倉內(nèi)以防渣土失水、土質(zhì)因擠壓而變硬、增加螺旋驅(qū)動(dòng)負(fù)載。新的一環(huán)開始時(shí)，先轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，把土倉內(nèi)沉淀的渣土充分?jǐn)嚢瑁黾悠浜鸵仔砸岳菪鐾痢?/p>

4　漿液流失

4.1漿液注到土倉內(nèi)

（1）盾構(gòu)在軟土地層推進(jìn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漿液注到土倉內(nèi)，然后漿液從螺旋排出的現(xiàn)象。漿液注到土倉內(nèi)，首先會(huì)引起土倉壓力變化異常，擾亂盾構(gòu)司機(jī)對(duì)土壓參數(shù)的判斷，其次，注漿量難以保證，隧道背襯不能有效填充，從而導(dǎo)致地面沉降幅度過大。

（2）在實(shí)際施工中，盾構(gòu)司機(jī)和注漿手要密切配合。盾構(gòu)司機(jī)要時(shí)刻觀察推力、鉸接壓力和注漿壓力的變化，如果推力和鉸接壓力突然增大，說明漿液已經(jīng)裹住盾體，這時(shí)漿液極有可能會(huì)擊穿土體進(jìn)入土倉，這時(shí)盾構(gòu)司機(jī)應(yīng)提高推進(jìn)速度，并適當(dāng)降低注漿速度。如果某一路注漿壓力突然異常降低，說明漿液已經(jīng)注到土倉內(nèi)，此時(shí)應(yīng)該讓注漿手適當(dāng)停止注漿一段時(shí)間。

4.2盾尾漏漿

（1）盾尾漏漿主要是盾尾油脂注入量不足、注漿壓力過大、盾尾間隙異常等原因所致。在實(shí)際施工過程中，盾尾油脂注入量一般為 8～10 環(huán) / 桶，同時(shí)要注意油脂品質(zhì)，油脂過硬對(duì)油脂泵有極大的損害，油脂過稀又起不到很好的止?jié){效果。

（2）注漿壓力過大與漿液配比和注漿方式有關(guān)，依據(jù)地層的變化及時(shí)調(diào)整漿液的配比，并對(duì)拌料人員和注漿手做好技術(shù)交底，認(rèn)真對(duì)待每一環(huán)節(jié)。同時(shí)，加強(qiáng)管片選型和拼裝質(zhì)量，應(yīng)避免盾尾間隙過小，導(dǎo)致管片破裂引起漏漿。另外，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，一定要確保止?jié){板牢固、完好。

5　管片上浮

管片上浮是指管片脫離盾尾后，因受到集中應(yīng)力而產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)。管片上浮會(huì)造成管片錯(cuò)臺(tái)、開裂、破損和漏水，降低管片結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B壓力。一般而言，在變坡點(diǎn)、上坡段、反坡點(diǎn)，尤其是在豎曲線的最低點(diǎn)，管片上浮比較嚴(yán)重。

管片上浮主要原因：

（1）單液漿的初凝時(shí)間太長，漿液的稠度不適，不能有效地抑制和約束隧道上浮，或者超挖空間大或同步注漿不充分。

（2）地層中水量豐富，地下動(dòng)水?dāng)y帶著漿液流到前方的密封土艙，隧道上浮的空間沒有被有效充填。

（3）隧道坡度轉(zhuǎn)換區(qū)段沒有預(yù)先調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

（4）管片受力不均。盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)耐屏εc管片的環(huán)向軸力不平行時(shí)，向上的分力克服重力就引起管片的上浮。另外，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)千斤頂上下推力差過大時(shí)，形成的反力也是造成管片上浮。

防治措施：

（1）對(duì)同步注漿進(jìn)行多配比試驗(yàn)，盡可能提高注漿液的稠度及其固體物質(zhì)的含量，增加水泥的含量，以提高漿液與隧道之間的黏結(jié)力，同時(shí)注漿量要飽滿從而抵御隧道管片上浮。

（2）在施工過程中，事先適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)的軸線，這樣當(dāng)管片退出盾殼之后，即便隧道整體有所上浮，但仍可保證隧道中線不至于侵入限界。

（3）減小上下2組千斤頂?shù)耐屏Σ睿苊夤芷虏渴芰^大。

（4）在含水量大的地層，通過二次注漿做止水環(huán)避免漿液流失。

6　結(jié)束語

對(duì)于盾構(gòu)在軟土地層掘進(jìn)中出現(xiàn)的蛇形前進(jìn)、垂直姿態(tài)下掉、螺旋出土不順、漿液流失等問題，制訂相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施實(shí)有必要。盾構(gòu)施工專業(yè)技術(shù)人員要熟知地層狀況、線路設(shè)計(jì)及設(shè)備性能，掘進(jìn)過程中仔細(xì)觀察各種參數(shù)的變化，若有異常馬上采取相應(yīng)措施，做到有備無患，使盾構(gòu)施工安全、經(jīng)濟(jì)、高效進(jìn)行。

［1］ 王壽強(qiáng)，陳志寧. 泥水盾構(gòu)施工管理手冊(cè)［M］. 江蘇南京：江蘇教育出版社，2013.

［2］ QGD-008-2005 軌道交通盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］. 2005.

［3］ 張厚美. 盾構(gòu)隧道的理論研究和施工實(shí)踐［M］. 北京：中國建筑出版社，2010.

［4］ 楊華勇，趙靜一. 土壓平衡盾構(gòu)電液控制技術(shù)［M］. 北京：科學(xué)出版社，2013.

［5］ 吳巧玲. 盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造及應(yīng)用［M］. 北京：人民交通出版社，2011.

責(zé)任編輯 朱開明

Countermeasures for Common Problems in Soft Soil Layer of Metro Shielding

Chang Xinyi

Taking the ZTE6250 type shielding machine in Xi'an metro line 3 construction works as an example， the paper introduces the common faults occurred in the shield construction in soft soil， such as hunting advance， vertical posture falling， diffi cult spiral out spoil， and slurry fl ow loss control. Under these various difficult conditions，some corresponding measures are taken to ensure the construction work safety， cost effective and high effi ciency.

metro， shielding， tunneling advance mode， soft soil stratum， fault treatment

2016-04-17

常心毅（1965—），男，工程師