泥巖地層中盾構尾盾背漿后變形問題研究

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

盾構法是城市軌道交通隧道施工常用工法，具有施工安全、自動化程度高、不受地面交通及氣候條件影響、施工精度高等優點。在工程實踐中，由于地質條件、施工環境、設備故障、施工操作等原因，盾構無法保證正常連續掘進，甚至會出現長時間停機現象。在停機過程中，如果停機措施不到位、注漿操作不合理，極易造成盾體被同步漿液或二次注漿漿液包裹[1]，形成“盾體背漿”。在泥巖地層中，尤其是大坡度的下坡段，盾構頻繁或長時間停機極易造成背漿，輕則掘進參數異常、姿態難以控制，重則出現盾構被困、尾盾變形等問題。為提高對盾構盾體背漿問題判斷的準確性、及時性，需要對盾構在盾體背漿前后的主要參數變化規律進行研究，以排除其他因素干擾，合理選擇安全經濟的處理方案，最大程度地降低損失。

目前，針對盾構被困以及脫困導致尾盾變形的案例研究較多[2～4]，但盾構在被困前尾盾先行發生變形的案例比較少見。本文結合某地鐵盾構區間施工案例，介紹洞內開天窗孔處理盾體背漿及盾尾變形的方法，為類似工程問題提供借鑒。

1 工程概況

某地鐵盾構區間，左線793m，右線794m，線間距13～16m，隧道最大埋深20m，最淺埋深5.4m。區間主要穿越地層為古近系半成巖地層，巖性為泥巖、粉砂質泥巖（⑦1-3）、粉砂巖（⑦2-2）、泥質粉砂巖（⑦2-3），可塑性強，遇水易膨脹。自始發站起，區間先以2‰、28‰、6.13‰的下坡在粉砂泥巖層中施工到線路最低點，隨后依次以28‰和2‰坡度上升在泥巖及粉砂巖層中施工至接收站，中間依次下穿鐵路、高鐵框架橋。區間采用1 臺土壓平衡盾構（EPB6250）施工，盾構最大扭矩6 000kNm，脫困扭矩7 200kNm，額定推力3 991t，刀盤為面板+輻條式，開口率40%，尾盾外徑6 230mm，鉸接采用被動鉸接。

該區間在145～242 環掘進過程中，先后出現路基隆起超限、盾構姿態超限、推力過大、盾尾變形等問題。該區段位于28‰及6.13‰的下坡段，地層為泥巖、粉砂質泥巖（⑦1-3）。根據地勘資料顯示，該處泥巖、粉砂質泥巖（⑦1-3）巖土呈青灰色，泥質結構，局部粉砂質結構，厚層狀構造，呈半巖半土狀，風干開裂，遇水易軟化，天然狀態下單軸抗壓強度為0.33～3.33MPa，標準值為1.21MPa，最大烘干狀態下單軸抗壓強度達3.68MPa。自由膨脹率平均值36.15%，屬A 類膨脹土，相對膨脹率平均值1.25%，膨縮總率平均值4.10%，為中等膨縮土。掘進中揭示該地層為弱透水層，含水量較少。

2 盾體背漿及尾盾變形過程

2.1 盾構停機情況

區間于135 環處開始下穿鐵路，但受鐵路加固進度的影響，左線盾構在100 環處開始間歇性停機，至121 環開始恢復正常掘進。間歇停機期間，為防止盾體被包裹，每周掘進4～5 環，并在停機時采取盾體上方注入膨潤土等措施。區間在121～134 環段，隧道埋深13～16m，處于28‰的下坡段，盾構掘進過程中發現推力增大至24 000kN，加強渣土改良措施，但推力降低不明顯。

2.2 鐵路路基隆起情況

區間在135～151 環處為下穿鐵路段，隧道正下穿鐵路路基，垂直最小凈距約5.4m，為淺覆土下穿[5～8]。鐵路為客貨兩用線，有砟碎石道床，鐵路兩側采用混凝土重力式擋墻及片石混凝土擋墻護坡。該段地層主要為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖。按照設計要求，為保證鐵路運營安全，鐵路采用D 便梁扣軌加固措施。掘進過程中，受鐵路天窗點制約，每日掘進4 小時，其余時間停機。盾構掘進至139 環出現鐵路路基隆起超限，隆起量18.8mm，掘進至141 環處隆起最大值達到90.6mm。考慮該處隧道埋深及隧道上方地層變化，及時調整參數：推進速度降至25mm/min，土倉壓力由0.9bar 依次降至0.6bar、0.3bar，但隆起均未見收斂，推力較大，姿態未見異常。

2.3 盾構姿態異常情況

區間掘進至159 環時，垂直姿態前/后已達到為-55mm/-46mm，超出掘進過程中控制值。先后采取調整上下部油缸推力、開啟超挖刀等措施，均無明顯效果。前后點均無法抬升，呈現盾體整體下沉的趨勢，最終垂直姿態超出-100mm。在此過程中，盾構總推力呈震蕩式變化，總趨勢增大，最大達到30 975kN，但仍能繼續掘進。

2.4 盾構姿態異常情況

區間掘進至230 環時，盾尾間隙開始變小。掘進至238 環，量取盾尾間隙上部較小，上下和值為92mm，比理論值130mm 減少38mm，同時管片拼裝較為困難，管片的封頂塊局部開始出現破損。盾構掘進至242 環時，量取上部油缸處盾尾間隙為38mm，盾尾上下間隙和為88mm，比理論值減少42mm，尾盾與推進油缸已無空隙，尾盾頂部靠近中盾位置出現明顯凹陷。經測量發現12 點位尾盾變形已達63mm，該處管片已無法拼裝，立即停機對尾盾變形進行處理。

2.5 盾尾變形處理情況

尾盾中部鉆孔取芯，芯樣中發現砂漿固結物，厚度60mm。在不處理背漿的情況下，安裝2個200t 千斤頂對尾盾直接變形矯正，尾盾變形無收斂，對尾盾鋼板熱處理也無效果。采取內部開天窗的方法，先行處理尾盾背漿，再使用千金頂矯正，尾盾變形收斂并完成修復。恢復正常掘進后，總推力由20 000kN 左右降至8 000kN 左右，鉸接壓力從200～250bar 降到了20～50bar，掘進姿態恢復正常。

3 盾構推力及姿態分析

3.1 盾體背漿后的推力分析

正常情況下，盾構盾體可以簡化為有內支撐的圓筒構件。當盾體背漿后，盾體變成不規則的椎臺結構，受力情況發生變化[9～10]。

總推力計算公式：

式中，F1為盾構外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤上的水平推力引起的推力；F3為刀盤切土推力；F4為盾尾與管片之間摩阻力；F5為后方臺車阻力。

3.1.1 尾盾未變形的情況

推力變化主要受F1變化影響，F2、F3、F4、F5基本未變化或影響相對較小，即ΔF=ΔF1。

該地層泥巖標準抗壓強度f泥巖=1.21MPa，且泥巖遇水軟化使強度降低，而同步注漿砂漿凝結后實際抗壓強度f砂漿可以達到1.4～4MPa，且強度較穩定。因f泥巖＜f砂漿，在盾體背漿掘進時，已凝結砂漿并不會破壞，擠壓泥巖使之產生塑性變形。在掘進過程中，渣土也在不斷填充上部空隙，上部與下部土體對盾體產生徑向的擠壓力F0。盾體裹覆水泥漿后，土體與盾體摩擦系數μ增大，盾構外殼與土體之間的摩擦力F1=μF0增大，盾構總推力F呈增大趨勢，如圖1所示。

圖1 尾盾變形前推力變化

3.1.2 尾盾發生變形后受力情況

尾盾內部無剛性支撐，當土體對尾盾產生的作用力大于尾盾鋼板的許用應力時產生彈性變形，當大于尾盾鋼板屈服強度時，尾盾即發生塑性變形。此時，盾尾間隙變小，管片與盾尾之間的摩擦力增大，對盾構推力產生作用，總推力F受到F1和F4變化的共同影響。隨著尾盾變形，土體的擠壓力有所釋放，F1先減小后增加，F4不斷增大，盾構總推力先震蕩，后呈增大趨勢，如圖2 所示。

圖2 尾盾變形后推力變化曲線

3.2 盾體背漿后的姿態分析

盾構在設計軸線開挖或使盾構實行施工軸線糾偏時，盾構開挖空間須符合盾構盾體能有效通過[11～12]，即盾體有上下左右的調整的自由度，如圖3 所示。當盾體背漿掘進時，盾體上方已被砂漿及渣土填塞密實，盾構豎向自由度受到限制，造成豎向“卡殼”現象，如圖4 所示。

圖3 正常掘進盾體與開挖面關系

圖4 背漿掘進盾體與開挖面關系

當隧道埋深較淺時，盾體上方土體作用力不足以抵消盾體對上部土體擠壓力F0′時，上部土體被擾動，開挖面及盾體上方即出現地面隆起。

當隧道覆土較深時，盾體上方土體作用力遠大于盾體對上部土體的擠壓力，作用于盾體的擠壓力持續增大，出現盾構被困或尾盾變形的情況，同時盾構姿態出現明顯異常。此時，盾尾位置形成一個固定垂直姿態偏差Δ1=OO′，其大小取決于盾體上方水泥砂漿結塊厚度。盾體在上部砂漿、上部土體擠壓及盾體自身重力作用下，前點垂直姿態一直保持向下趨勢。即使采取向上糾偏措施，因盾體上部已無向上糾偏的空間，前點姿態無法抬升，出現盾體前后點同時下沉的現象。

4 尾盾背漿、尾盾變形處理

4.1 尾盾背漿處理措施

借鑒以往盾尾背漿、變形問題處理經驗，采用尾盾內部開孔處理方案，具體操作流程如下。

1）尾盾后方第10 環位置采用洞內注雙液漿作止水環，阻止管片背后的后方來水。

2）采用磁力鉆在盾尾頂部變形處鉆觀察孔，孔徑20mm，并垂直向上取芯，觀察水泥漿液包裹情況及地下水情況，確定內部開天窗的安全性。

3）經測量測算出變形最大影響范圍為尾盾正上方800×1100mm 區域，在此區域中心位置劃線明確擬開天窗孔的位置，天窗孔為300×400mm的方孔，如圖5 所示。

圖5 開窗孔示意圖

4）開孔前，在天窗孔位置安裝一塊400×10×500mm 的活動鋼板作為閘板，具體做法如圖6 所示。若發生土體塌落及其他突發情況，立刻將閘板關閉以確保安全。

圖6 閘板示意圖

5）按照天窗孔的劃線切割開孔，利用沖擊鉆、洛陽鏟等工具清理盾尾與土體間砂漿凝結塊及渣土，清理厚度不小于100mm，清理范圍為測量所得變形影響最大的800×1 100mm 區域。

4.2 尾盾變形處理

1）拆除242 環管片，盾尾底部鋪細砂。安裝底部3 塊管片，確保底部管片與盾尾間隙用細砂填充密實。

2）管片拼裝機后退，在螺旋機與管片安裝機間隙處安裝3 排井字形反力支架，采用450H 型作主支撐，20H 型鋼作橫梁、斜撐，支撐、橫梁及斜撐滿焊連接。在反力支架頂部安裝2 個200t千斤頂，千斤頂距離尾盾頂部高度為35cm。

3）連接千斤頂及液壓泵站油管管路后，用千斤頂向上頂盾體變形處，并用鋼尺測量盾尾與頂部推進油缸的間隙變化。油壓達到40MPa 時，持續保壓20 分鐘，并測量觀察盾尾變化。

4）盾尾變形矯正完成后，對尾盾修復結果進行測量，最大變形量控制在15～20mm 范圍內，盾尾間隙和值可以達到120mm 左右，滿足盾構掘進要求。

5）測量復核完成后對天窗孔焊接封堵，開坡口層層堆焊密實，并委托檢測單位對焊縫100%探傷檢測，探傷結果為合格。

6）拆除支架、底部管片，清理尾盾底部雜物，恢復正常掘進。

5 結語

1）在自穩較好的地層進行大坡度盾構施工，如果注漿措施不當極易造成背漿。盾構在掘進過程中同時出現總推力明顯增大，且呈波動性變化，垂直姿態異常而水平姿態相對變化不大，對土體擾動大且易造成地面隆起等現象，可作為進一步判斷是否背漿的依據。

2）軟弱泥巖地層發生背漿后，已凝結的水泥漿塊無法靠土體擠壓力清除，極易在盾構被困前先行造成尾盾變形，而在其他地層則較為少見。在泥巖地層掘進過程中，一旦發現盾體背漿，建議及時處理，不要盲目推進，以免造成管片錯臺、破損、滲漏以及尾盾變形等更難以處理的問題。

3）尾盾是整個盾體最薄弱的部分，內部無結構支撐，易發生變形，但具備內部處理背漿、變形的空間。對于尾盾背漿、變形的處理，建議優先采用尾盾內部開天窗方案，可有效避免開挖豎井造成的經濟浪費、工期延誤以及不良社會影響。