土壓平衡盾構穿越可液化土層控制技術

陳松潔

（無錫地鐵集團有限公司建設分公司，江蘇 無錫 214000）

當前，我國的盾構掘進技術已經得到了很大的提升和完善，可以很好地應對我國不同地區復雜的地質結構，并且長期以來積累了很多的經驗和參考案例。但從施工成本、安全性和工期方面來考慮，盾構掘進施工技術還需要面對許多的現實性問題。

1 工程簡介

無錫市廣石路—青石路區間南起青石路站，線路中間經風井至廣石路站，區間里程為DK4+232.013～DK2+125.137。線路全長約2107m，平面線間距為13～31m，縱坡呈“W”形，區間隧道頂埋深約為9.4～17.2m。

盾構穿行可液化土層段對應地面，東側分布有福特4S店、無錫聯眾4S店、豐田4S店，西側分布有鳳翔高架橋。福特4S店與隧道垂直距離約1.9m、水平距離約6.5m，無錫聯眾4S店與隧道水平距離約9.5～14m，豐田4S店與隧道水平距離約16m，鳳翔高架橋墩與隧道水平距離約35～49m。施工過程中若產生較大的土體變形，易造成交通路面下沉，影響周圍建筑物安全。

2 穿越可液化土層施工措施

2.1 掘進姿態控制

由于液化土層在盾構掘進過程中受到盾構機等設備震動影響，存在突發液化的可能性，盾構機在液化后的土體中很難保持穩定，為了預防這種情況，應在掘進過程中保持一個相對合適的姿態。

采用有限差分軟件FLAC 3D建立二維模型，對盾構機在液化土層中的掘進進行建模分析，分析結果顯示盾構機和成型隧道可能發生上浮，因此該區間盾構在進入液化土層后，前部垂直姿態宜控制在-65～-60mm，尾部垂直姿態宜控制在-65～-55mm，水平姿態宜控制在0～20mm，使盾構機整體保持較低姿態，且與設計線路保持平行，抵消土體發生液化后盾構機的上浮，同時為可能發生的成型隧道上浮留出提前量。

2.2 土倉壓力設定

土倉壓力理論計算如下。

（1）土倉壓力上限值：

式中：P上為土倉壓力上限值，kPa；P1為地下水壓力，kPa；P2為靜止土壓力，kPa；P3為被動土壓力，一般取20kPa；γw為水的容重，kN/m3；h為地下水位以下的隧道埋深（至中心），m；K0為被動土壓力系數，計算得K0=1.42；γ為土的容重，kN/m3；H為隧道埋深（算至隧道中心），m。

這時來了一位日本雕塑家，叫奧田杏花，他走進父親的床前，伏身打開一只箱子，從瓶子里挖出黃色黏厚的凡士林油膏，涂在父親面頰上，先從額頭涂起，仔細地往下，慢慢擦勻，再用調好的白色石膏糊，用手指和刮刀一層層地搽勻，間或薄敷細紗布，直到呈平整的半圓形狀。等待了半個鐘頭，奧田先生托著面具邊緣，慢慢地向上提起，終于面具脫離了……奧田先生對面膜的胎具很滿意，轉頭和內山完造先生說了幾句話，就離開了。

代入計算得P上=10×11+1.42×[（18-10）×11+18×（14-11）]+20=331.64kPa。

（2）土倉壓力下限值：

式中：P下為土倉壓力下限值，kPa；P2'為主動土壓力，kPa；Ka為主動土壓力系數，計算得Ka=0.7；Cu為土的凝聚力，kPa。

綜上，土倉壓力P為201～331.64kPa。

除了以上理論計算，同時應參考臨近液化土層段的實際土倉壓力值和地面監測數據，綜合以上三方面考慮，該區間穿越可液化土層段土倉壓力應設定為210kPa。

2.3 刀盤轉速、扭矩、推進速度設定

為了降低發生液化的可能性，應減小對土體的擾動，因此刀盤轉速應較正常情況降低至0.9～1r/min。在液化土層段施工時將扭矩保持在1.8～2mN·m即可滿足施工需求，同時也可降低對土體的擾動。

由于液化土層對震動較為敏感，因此既要加快掘進速度、縮短盾構機掘進工作時間，也要降低刀盤、推進系統、螺旋機系統的工作負荷，降低震動強度。綜上，考慮推進速度保持在30～40mm/min較為合適。

2.4 同步注漿參數設定

同步注漿壓力保持在0.3～0.35MPa，充填系數應保持在150%～160%，即每環同步注漿量為3.9～4.2m3。同步注漿漿液初凝時間控制到4～6h，結石率＞95%。同步砂漿配合比見表1。

表1 同步砂漿配合比 單位：kg

2.5 其他推進參數設定

（1）出土量控制。該工程使用的管片外徑為6200mm，環寬為1200mm。

式中：V為理論出土量，m3；d為刀盤直徑，mm；l為管片環寬，mm。

每環實際出土量控制在理論出土量的98%～100%，因此該區間每環出土量應控制在38～38.8m3。

（2）盾尾密封油脂。盾尾油脂通過壓力注滿鋼絲刷的孔間間隙，從而增強了鋼絲刷的密封功能，防止土沙和泥土的滲入。液化土層含水率較高，且容易發生液化，為了保證盾尾密封性完好，主要從以下幾個方面進行：①選擇優質盾尾油脂，控制油脂壓力，正常情況下應維持在2500～3000kPa；②正確選擇泵路，無特殊情況時，應保證油脂均勻地從各路泵出；③選擇合適的泵送速度，根據推進速度選擇相對應的油脂泵送速度，保證盾尾刷之間始終填充密實。

（3）渣土改良。盾構在液化土層中掘進時，由于該地層承載力小，土壓可能難以建立，為防止該情況出現，利用膨潤土的吸水性和增稠性通過盾構機加泥系統往土倉內注入膨化好的膨潤土改良土倉內的渣土，提高渣土的整體性能。

（4）管片拼裝。該工程管片拼裝采用錯縫拼裝。根據計算，在該區間進行R=450m半徑轉彎時，標準環和轉彎環按照1∶1比例拼裝即可滿足轉彎需求。為了保證管片之間連接緊密、牢固，每環管片安裝時應嚴格執行三次復緊操作，即管片拼裝時進行第一次螺栓擰緊，下一環推進過程中對前一環管片進行復緊，管片脫出盾尾后進行第三次復緊。

（5）管片脫出盾尾后的措施。為了抑制管片脫出盾尾后的上浮過程，應采用以下措施：①加強管片螺栓“三次復緊”力度，以增強相鄰管片之間的連接強度；②調整同步砂漿配合比，縮短砂漿凝固時間，增大漿液黏稠度；③對脫出盾尾的管片及時進行二次注漿。

3 穿越可液化土層施工總結

施工過程中，隧道內由值班技術員24h跟班，對施工參數進行把控，測量盾尾間隙、超前量、同步注漿方量、出渣量等，對盾構司機下達掘進指令；地面監控室由技術主管進行遠程值班，對每一環掘進指令進行復核，確保參數符合要求。

3.1 姿態控制

每天對成型隧道姿態進行測量，結合掘進時盾構機姿態計算管片上浮量，根據上浮量及時調整盾構機垂直姿態，以保證成型隧道超值姿態接近±0，與設計線路盡量重合。

3.2 出渣量控制

（1）每環電瓶車進入車架后，值班技術員立即到車架尾，對渣土箱內剩余的未倒干凈的渣土進行評估，確定體積。

（2）每環掘進過程中，每裝滿一箱土，由值班技術員對渣土體積進行測算，同時考慮渣土改良過程中添加的水、泡沫劑、膨潤土等，得出實際出渣量，與掘進行程進行對比，判斷實際出渣量與理論出渣量差值，評估是否超挖。

（3）待掘進完成后，由地面調度與龍門吊司機確認每箱渣土重量，與盾構機內技術員測量的體積數據進行計算修正，得出最終出渣量。

3.3 其他掘進參數控制

其他掘進參數如土倉壓力、推進速度、推力、刀盤轉速、刀盤扭矩等，要嚴格按照技術交底進行控制，同時結合每天碰頭會內容，按照會議決定進行調整。進行參數調整時，遵循“平穩、及時、有據”的原則。

3.4 管片拼裝控制

（1）每環管片拼裝時，值班技術員全程旁站，按照管片拼裝技術交底進行把控，嚴格控制拼裝質量，保證管片防水材料不被破壞，發揮止水效果。

（2）收回油缸時，嚴禁一次性收回多組油缸，只可收回下一塊管片對應的3組或1組油缸，拼裝完成后應立即頂緊，方可進行下一塊拼裝。

（3）嚴格落實“三次復緊”制度，在管片拼裝時、下一環掘進時、脫出盾尾后分別進行螺栓復緊，確保螺栓連接可靠。

3.5 二次注漿控制

根據技術交底，施工期間二次注漿主要包含環箍注漿和抗上浮注漿兩種形式，其中環箍注漿要嚴格按照技術交底進行，每5環進行一次打環箍注漿；抗上浮注漿視管片上浮情況進行，由地面值班室和每日碰頭會下達注漿指令。

3.6 管片拉結

嚴格按照技術交底進行管片拉結，確保管片脫出盾尾前拉結完成，防止管片出現錯臺問題。

3.7 成型隧道測量

由測量組進行成型隧道管片姿態測量工作，并保證至少每天測量1次，并及時發布測量數據，當天碰頭會上對測量結果進行評估。盾構機姿態：垂直-45～-40mm，水平0～15mm。掘進過程中，按照技術交底控制盾構姿態，直線段水平姿態控制在-10～10mm，左轉緩和曲線段控制在-15～5mm；盾構糾偏不可過大、過頻，控制每環糾偏量不大于5mm（垂直、水平），以減少盾構施工對地層的擾動影響；加強對盾尾間隙的控制，盾尾間隙盡量保持四周均勻，最小處應大于35mm；加強管片的選型控制，油缸的行程差不應大于40mm。

4 結束語

綜上所述，優化確定的盾構推進速度、土倉壓力、出土量、推力及注漿壓力等主要技術參數是可行的，保障了施工安全。區間隧道施工過程中未產生較大的變形，保證了路面及周圍建筑物的安全。