矩形盾構施工問題、應對措施及優化研究

林 濟

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

隨著我國地下空間開發進程的加快，矩形盾構由于具有大斷面長距離施工、提高結構有效使用面積和減少隧道埋深等優點，而在城市地下通道和地下隧道建設中得到了越來越廣泛的應用。但另一方面，矩形盾構姿態較難控制、管片上浮較大等問題也逐漸凸顯出來[1-4]。

本文結合上海市虹橋商務區核心區（一期）與國家會展中心（上海）人行地下通道工程（下文簡稱“會展通道”）矩形盾構施工，根據會展通道工程的客觀地質條件，采用理論分析與現場施工反饋緊密結合的方法，研究矩形盾構施工中遇到的問題及應對措施，并提出相應的優化方案。

1 工程概況及難點

1.1 工程概況

會展通道盾構段長度為83.95 m，坡度為0.5%。隧道內部凈空尺寸寬為8.65 m，高為3.85 m。該工程采用施工單位自行研發制造的10.1 m×5.3 m矩形盾構機施工。

勘察資料顯示，本場地為正常沉積區，矩形盾構主要穿越地層為③層及④層土，是上海地區典型性的流塑性黏土與淤泥質黏土（表1）。

1.2 難點

1.2.1 隧道管片上浮

在軟土地區大直徑盾構隧道施工中，管片脫出盾尾后普遍存在上浮問題，而矩形盾構管片由于上下大而平坦的接觸面，更易受到浮力的影響，從而影響隧道施工質量。當管片脫離盾尾時，若同步注漿的漿液不能初凝和達到一定的早期強度，隧道則被包圍在注漿的漿液中，而漿液的比重比水要大，從而能提供比水更大的浮力。矩形盾構隧道施工期上浮影響因素主要可概括為注漿、隧道剛度、地層特性、機械配重、姿態和線形等幾個大類。

表1 工程主要土層劃分

1.2.2 矩形管片收斂變形

在矩形盾構施工過程中，隨著盾構機向前推進，已拼裝完成的管片逐漸從盾尾內脫出，開始承受盾構機外部的水土壓力。在上述壓力作用下，矩形盾構隧道的襯砌環出現變形情況。

矩形盾構隧道的上部和下部近似為水平直梁，由于起拱較少，水平直梁以承受彎矩為主。對于矩形盾構隧道，表現為隧道的斷面呈現出豎直徑縮小、水平徑增大的現象，從而對隧道的防水、襯砌的受力都造成嚴重的危害，還會導致待安裝的管片縱向螺栓無法安裝，嚴重危害盾構施工。

2 矩形盾構施工問題、應對措施及優化方案

2.1 洞圈止水裝置變形

2.1.1 問題描述

矩形盾構機頭進入始發井及接收井洞圈時，矩形斷面四角的橡膠簾布板被拉伸變形。在盾構出洞時，橡膠簾布板會受拉變形。

與圓形截面盾構不同，矩形盾構機頭在進入洞圈止水裝置時，會造成該處的橡膠簾布板應力集中，導致四角的橡膠簾布板受拉伸變形，從而會降低洞圈止水效果（圖1、圖2）。

圖1 洞圈止水裝置變形

圖2 鋼板封閉洞門間隙

2.1.2 應對措施

在矩形盾構盾尾完全進入洞圈后，使用鋼板將盾構機身與洞門間隙完全封閉，確保洞門止水的效果，并防止注漿漿液泄漏。

2.1.3 優化方案

在橡膠簾布板設計中，于矩形斷面四角采用如下設計——四角開半圓，保證角部的橡膠在受拉后能夠有較大的張開量，防止拉裂破壞（圖3、圖4）。

圖3 矩形盾構簾布橡膠板示意

圖4 矩形盾構簾布橡膠板變形

2.2 螺旋輸送機取土困難

2.2.1 問題描述

在施工中發現螺旋機左右的大刀盤切削范圍未能完全覆蓋取土口，導致取土口土體未能得到有效切削與攪動，長期擠壓后在取土口附近形成板結土塊（圖5），阻礙螺旋機出土。

圖5 螺旋輸送機取土口處板結土塊

2.2.2 應對措施

采取從螺旋機兩側注水孔向刀盤土倉內注水的方案，使用高壓水槍沖擊螺旋機取土口處板結土塊，注水前所有千斤頂全部縮回，使盾構機產生回縮現象。在實際施工過程中，采用高壓水槍沖水、刀盤分步掘進及螺旋機反向旋轉的方法，同時調整施工參數，潤滑正面土體。

2.2.3 優化方案

1）重新進行刀盤布置設計，盡量減小切削盲區，且刀盤切削范圍應覆蓋螺旋機取土口。

2）刀盤攪拌棒的攪拌范圍應覆蓋取土口附近土體。

3）在螺旋機兩側注水孔位置加裝高壓水槍噴頭。

4）在螺旋機底部兩側胸板上開設應急觀察孔。

5）優化周邊刀、劈刀及斜刀設計，盡量減小盲區土體堆積。

2.3 螺旋輸送機齒輪箱位置處發生堵塞

2.3.1 問題描述

穿越加固土段時，螺旋輸送機的密封發生破壞失效，之后泥漿進入齒輪箱，螺旋機工作時未得到潤滑，產生極大的熱量，導致齒輪箱內側位置處泥土中的水分被蒸發（加固土本身含水量不高），變為極干硬的加固土，堵塞螺旋機出土（圖6、圖7）。

圖6 螺旋輸送機內干硬加固土

圖7 拆除土閘門清理堵塞土塊

2.3.2 應對措施

采用拆除螺旋機土閘門，拔出螺桿，清除齒輪箱處干硬加固土堵塞的方案，完成了螺旋機疏通。

2.3.3 優化方案

1）改進螺旋機齒輪箱密封，做螺旋機齒輪箱密封性能試驗，確保橡膠密封在推進中的安全。

2）配置關鍵部位的檢修口，節省因拆除螺旋機土閘門及拔出螺桿所耗費的工時，確保工效。

2.4 盾構機整體上浮及隧道管片上浮

2.4.1 問題描述

矩形盾構在盾尾離開加固土進入原狀土之后，隧道管片的高程偏差隨推進開始增大，出現了整體上浮的現象，切口與盾尾高程姿態均較大偏離理論軸線，最大時達到切口+99 mm，盾尾+159 mm（圖8、圖9）。

圖8 切口高程姿態變化曲線

圖9 盾尾高程姿態變化曲線

初步推斷工程穿越土質偏淤泥質土，浮力較大，導致切口與盾尾高程姿態無法下壓。與已完成的虹橋臨空矩形盾構工程地質參數進行對比，虹橋臨空矩形盾構施工主要穿越地層為③1、③2及④層土，對應的含水率為41.2%、27.9%及49.8%。本次矩形盾構施工主要穿越地層為③層及④層，對應的地層含水率為42.8%、47.3%。對比可知，會展通道地層含水率較臨空無較大差異，因此排除淤泥質土層含水率高導致浮力較大的原因。

同時，本次施工中隧道管片高程偏差同樣隨矩形盾構的掘進而開始增大，且始終呈上浮趨勢。與矩形盾構機切口及盾尾高程進行對比之后可以發現，2條曲線的變化趨勢相關性比較密切（圖10）。因此，可以得出結論：管片脫出盾尾后，在同步注漿漿液的浮力作用下，隧道管片產生了上浮現象，并持續帶動盾構機整體上浮。

圖10 管片高程與平面偏差變化曲線

另外，該型號矩形盾構機為施工單位自行研發制造并投入使用，總重為467.4 t。而隧道公司在浙江寧波所使用的“陽明號”類矩形盾構截面稍大，總重為720 t。對比可知，矩形盾構機的自重較輕也可能是盾構整體上浮的影響因素之一。同時，矩形盾構機內質量的分配方式為切口環最重（配置有切削刀盤與電動機），盾尾最輕。“頭重腳輕”的質量分配方式同樣對盾構機的姿態控制不利，易引起盾構機“磕頭”，而盾構機切口與盾尾的高程實際測量結果也驗證了這一點。

2.4.2 應對措施

1）調節推力分配糾偏。對于盾構機整體上浮，在施工中可以采取以下措施：等比例調整比例閥推力分配，增大千斤頂豎直向下分力，保證推進合力方向為斜下方向，總推力加大至19 000 kN，迫使盾構機向下；放慢推進速度，確保盾尾切口不向上變化。但在實際施工中發現，千斤頂推力分配在不發生變化的情況下，高程偏差始終隨推進逐漸增大。

2）設備改造糾偏。為了阻止切口與高程姿態隨推進增大的趨勢，將切口環左右兩側泥墊壓泥口錐形蓋板拆除，改為新的蓋板——每個蓋板上面均有1個13.33 cm的出泥孔及1個5 cm的注水孔，均接對應尺寸球閥（圖11）。

圖11 壓泥口位置、新加工蓋板及球閥取土

原設想切口環下部土體會隨盾構推進自然從出泥孔擠出，實際施工中發現只有少量土體擠出。遂采用高壓水槍注水沖擊切口環下部土體，攪松后隨水排出，達到切口高程減小的目的。因單個孔無法滿足降低切口高程姿態的需求，遂重新加工新的蓋板——每個蓋板上面均有3個13.33 cm的孔，接13.33 cm球閥。

采取措施后，切口姿態得到控制，但盾尾姿態還是會隨著盾構推進增大，因此在支撐環下部左、中、右處各開1個13.33 cm的孔，接13.33 cm球閥后，使用水管注水沖擊支撐環下部土體，攪松后隨水排出，從而達到盾尾高程減小的目的。

3）同步注漿糾偏。對于管片上浮采取如下措施：調整管片頂與管片底的注漿量比例，適當減小管片底注漿量，將頂底注漿量比維持在3∶1；提高管片頂注漿點位的注漿壓力，減小管片底注漿點位的注漿壓力。

4）二次注漿糾偏。采用初凝時間較短的二次注漿漿液，及時對盾尾外管片進行注漿加固，并提髙管片拼裝質量，增大隧道成環管片的剛度。

2.4.3 優化方案

1）對盾構隧道每環管片的高程與水平偏差測量，應該要及時、細致，做到“勤測勤糾”，在偏差達到報警值之后要及時通過同步注漿及二次注漿糾偏，改變管片上浮的趨勢。注漿量及注漿壓力的大小應采用分塊、分孔控制的方式：依據盾構埋深、周圍土體特性、注漿孔在管片環（或盾尾）上的位置情況等，對注漿材料與參數實施動態控制。

2）研究不同地層浮力變化規律，根據浮力調整矩形盾構機總體質量。研究盾構機首尾合理的質量分配方式，適當增加盾尾的配重能夠提高矩形盾構控制姿態的能力，從而減小隧道的施工期上浮量。

3）在盾構機殼體四周預留壓土孔及注漿孔，且切口環、支撐環與盾尾均需預留孔洞，通過壓土孔壓土或排泥、注漿孔注漿或沖水進行糾偏。

4）本次施工中臨時開孔進行排泥，雖成功控制高程姿態，但清泥需靠人工進行，工作量大、工作強度高，且施工環境惡劣，應重新設計壓土孔及注漿孔的集泥裝置，實現機械化施工。

2.5 矩形盾構管片收斂變形

矩形盾構管片橫徑理論值為8 650 mm，縱徑理論值為3 850 mm。管片在土體中穩定后，橫徑偏差為+20 mm以內，縱徑偏差為-30 mm以內（圖12）。通過實踐操作與監測分析，給出了矩形管片進入原狀土后的收斂變化，并編制了復合管片螺栓擰緊操作規程，保證拼裝時復合管片的收斂變化符合設計要求。

圖12 矩形盾構管片橫縱徑變化曲線

3 結語

本文結合工程實際，對矩形盾構隧道施工過程中遇到的問題進行了研究分析，并討論了相應的應對措施與優化方案，獲得以下結論：

1）矩形盾構施工中易發生洞圈變形、螺栓輸送機取土困難與堵塞等設備裝置問題，應根據問題進行針對性的設計優化。

2）在上海軟土地層中，對矩形盾構隧道施工影響較大的問題是盾構機整體上浮及管片上浮。矩形盾構機在黏土與淤泥質黏土地層內掘進時，高程及姿態極難控制，在浮力的作用下機身會在掘進的同時呈現出上浮趨勢。矩形盾構機整體上浮的原因是未及時對管片上浮采取措施，導致管片將盾構機逐漸帶動向上浮動，且依靠改變推力分配的糾偏效果差，應根據管片高程的監測結果及時進行糾正。在充分考慮盾構埋深、周圍土體特性、注漿孔在管片環（或盾尾）上的位置等情況下，管片的上浮控制可通過對同步注漿與二次注漿注漿材料、注漿量、注漿壓力及注漿位置的動態控制來實現。同時，矩形盾構自身的總體質量、前后質量分配及重心確定對盾構上浮控制的作用有待進行進一步研究。

3）矩形盾構管片收斂在現有的掘進工況下可以滿足設計要求。