泥巖地層小曲線盾構機姿態糾偏及防止管片上浮控制技術

李 鵬

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

廣西南寧地區主要以泥巖類地層和圓礫地層為主，在泥巖地層中盾構機姿態難以控制，小曲線段糾偏困難，容易超限。管片普遍上浮，且上浮量較大，造成隧道出現嚴重的質量問題。對于盾構機姿態糾偏多采用調整掘進參數和增加單側千斤頂等措施，管片上浮控制多采用調整同步注漿配合比等措施[1]，未能根本解決問題。文章以南寧地鐵3號線某區間盾構施工為實例，介紹了盾構機在泥巖地層施工中遇到的姿態調整和管片上浮問題及其解決措施，為今后類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

南寧地鐵3號線大雞村站～興桂路站區間隧道左線和右線均選用中鐵裝備土壓平衡盾構機施工，先后從大雞村站始發，到興桂路站接收，局部側穿紅日山湖小區。左線設計長度為1 093 m，右線設計長度為1 062 m。平面最小曲線半徑為450 m；線路最大縱坡23.6‰，最小縱坡2‰。

1.2 區間地質

區間隧道埋深約19.6～40.5 m，洞身主要穿越地層為⑦1-3層泥巖、粉砂質泥巖，強度1.1～3.4 MPa，呈灰色、青灰色，泥質結構，成巖程度較深，呈半巖半土狀，手捏有滑膩感，微膨脹性，自穩性強，沿線地下水貧乏，主要為上層滯水、微承水。圖1為大雞村站～興桂路站區間縱面地質示意圖，圖2為⑦1-3泥巖芯樣圖。

圖1 區間縱面地質狀況 圖2 泥巖芯樣

2 盾構機姿態控制

2.1 盾構機姿態變化規律

右線盾構掘進至201～254環時，進入了R450 m圓曲線段，盾構機水平姿態呈“波浪線”變化，盾構尾點水平姿態出現“甩尾”，并跟隨前點變化，尾點水平姿態從201環+18 mm變化到227環-66 mm，再變化到248環+20 mm，變化一個循環約50環(環寬1.5 m)，如圖3所示。通過圖中數據，可看出在泥巖地層中盾構機姿態糾偏緩慢，難以糾偏。

圖3 水平姿態曲線

掘進201～254環時，盾構豎向姿態整體處于上升趨勢，過程中嘗試將姿態往下壓，下壓過程中尾點往上“甩尾”，盾構機姿態出現上漂，下壓調整困難。管片姿態隨之而上，出現較大上浮，上浮量約30～80 mm，到249環上升到最高點+89 mm，見圖4。

圖4 豎向姿態曲線

2.2 姿態糾偏困難原因分析

2.2.1 地質條件限制

地質為全斷面泥巖，較密實且具有一定的強度，具有一定的微膨脹性，不利于小曲線姿態控制。根據盾構機掘進數據分析和實際操作發現：盾構機往任何方向糾偏，即使掘進油缸分區壓力差超過200 bar(1 bar=0.1 MPa)，糾偏依然困難。

2.2.2 刀具配置不合理

盾構機開挖刀具配置不合理，沒有配置盾構機超挖刀、刀盤開挖面直徑偏小、刀盤開口率過小導致刀盤容易結泥餅等因素，不利于小曲線盾構機轉彎。

2.2.3 盾尾間隙變化

管片選型不合理，盾尾間隙變化忽大忽小，盾構機與管片軸線產生較大夾角，產生橫向分力不利于掘進油缸受力而使盾構姿態調整困難；盾尾殼與管片之間相互擠壓易出現管片錯臺等質量問題。

2.2.4 掘進

糾偏過程中，掘進油壓較大，油壓值達到300 bar以上，但盾構油壓過大姿態依然無法糾偏或者不明顯。油壓過高可能導致液壓油管爆裂，也可能導致掘進油缸內泄損壞，不利于糾偏，應加強對油缸檢查和維修。

2.2.5 掘進模式不合理

掘進模式和掘進參數不合理，如采用實土壓模式掘進，倉內出現結泥餅等現象，倉內阻力較大，需抵消更大的推力，從而加重了掘進油缸的負荷，有效作用力減小，不利于糾偏。

2.3 盾構姿態控制措施

2.3.1 調整刀具配置

刀盤采用復合式刀盤結構形式，開口率36%，刀具配置滾刀、刮刀、撕裂刀組合方式，邊緣配置滾刀和焊接撕裂刀、邊緣刮刀，正面和中心配置刮刀和撕裂刀。刀盤面板上布置有4個泡沫注入孔，2個膨潤土注入口，可輔助注入添加劑，有效改良渣土。復合刀盤如圖5所示。

圖5 復合刀盤

盾構機刀盤需配置軟土切削式超挖刀，最大擴挖深度40 mm，且可通過程序控制在不同角度范圍設置自動伸出和收回，可在一定角度范圍進行擴挖，設定擴挖半徑，達到定向定量擴挖效果。擴挖后可減少盾體外周與土體間的摩擦力，同時讓盾體在開挖洞內有一定的空隙擺動，從而有利于盾構機轉彎和糾偏。

2.3.2 控制盾尾間隙

加強管片合理選型，管片跟隨盾構機變化，糾偏過程中將盾尾間隙調整均勻，每環對盾尾間隙進行實量，這樣可減小油缸產生的橫向分力、減少管片錯臺等，使盾構機有間隙余量進行糾偏。

2.3.3 變更掘進模式

用氣壓模式替代實土壓模式掘進，降低總推力，一般推力控制在12 000～15 000 kN，可產生較大的有效掘進油壓差，同時避免倉內結泥餅、降低刀盤扭矩、減少管片破損，更利于姿態糾偏和質量控制。

2.3.4 控制土倉壓力

由于土壓過高，甚至為滿倉實土壓掘進，掘進油壓差值雖然很大，但是上部和下部或者左部和右部實現到姿態糾偏上的有效油壓差太小，因大部分推力用來抵消盾體外周的摩擦阻力和土倉壓力產生的反作用力，所以，降低盾體外周摩擦阻力和適當降低土倉壓力是有效控制姿態的間接措施。

2.3.5 調整鉸接油缸

盾構機采用被動鉸接式油缸，在糾偏中應經常性進行收緊和放松調整鉸接油缸，讓其自適應糾偏線型的變化，及時調整順應線型變化。如果盾構機為主動式鉸接，應根據曲線線型將主動鉸接角度調整為與曲線線型一致并保持。

2.3.6 控制盾構機姿態

泥巖可壓縮性小，具有微膨脹性，盾體前中盾長約5 m，泥巖中姿態糾偏是靠擺動盾尾來實現姿態變化，盾構尾點變化比較明顯，應以控制盾構前點的變化為主，糾偏量一般控制在2 mm/環，做到勤糾緩糾。在糾偏過程中，使盾構機姿態呈“階梯式”調整，不能一直往同一個方向調整而不注意“剎車”或是“剎車”太晚，導致姿態呈“波浪線”變化。

2.4 盾構機姿態控制效果

通過采取上述姿態控制措施，盾構機在泥巖地層掘進時，姿態控制良好，在280～315環段，水平方向前點和尾點整體控制較平穩，最大偏差值控制在27 mm以內，波動輻度較小；豎向前點和尾點整體控制較平穩，前點與尾點的差值基本保持在35 mm左右，盾構機保持“抬頭”趨勢掘進；尾點主動預壓低至-60 mm，以抵消管片上浮量。圖6為盾構機姿態控制效果曲線。

圖6 盾構機姿態控制效果曲線圖

3 管片上浮控制

3.1 管片浮力計算

盾構隧道是空心的筒體，在液體漿液未凝固時，產生對隧道管片上浮的作用力，如上浮作用力大于管片自重則管片上浮。以本區間隧道管片為例，管片外徑6.0 m，內徑5.4 m，環寬1.5 m，計算如下：管片混凝土自重G=ρ×g×V=189 kN,浮力F=ρ水×g×v=415 kN，則G

另外，盾構機的重量主要集中在盾構前中盾，由于盾尾至臺車(約第1～12環管片)之間基本無荷載，管片脫出盾尾后失去了約束，同時受到同步漿液的上浮作用，出現較大的上浮。

3.2 管片上浮出現的問題

管片脫出盾尾后，在距離盾尾不同距離時，管片持續上浮，到一定距離時上浮量達到最大值，如果控制不當，則可能上浮太大造成隧道軸線超限，且出現大量管片錯臺和破損等質量問題(見圖7、圖8)。

圖7 管片錯臺 圖8 2點位管片破損

3.3 管片上浮變化規律

在泥巖地層中管片總體趨勢為上浮。從圖9管片實測上浮數據曲線可以看出：管片上浮最快是在脫出到盾尾第1環時，在這個時間段內拼裝完成的管片有突變的過程，一般該突變引起上浮在20～30 mm；在脫出到盾尾第5環時，管片上浮量增加約10～20 mm；脫出盾尾到第10環時，管片上浮量增加約5～8 mm。隨著同步注漿漿液逐漸凝固穩定，管片上浮數據趨于平穩，該階段時間相對較長，一般為2 d，在該時間段管片上浮量達到峰值，最終表現為整體上浮50 mm左右。

圖9 管片實測上浮數據曲線

3.4 管片上浮和破損原因分析

3.4.1 泥巖地層穩定

泥巖地層較穩定，開挖后土體成拱不易塌土，管片比開挖面小，土體對管片沒有約束力，存在上浮的空間。

3.4.2 漿液凝固時間長

同步注漿漿液為惰性單液漿，初凝時間為8 h，同步注漿漿液凝結時間過長，漿液浮力大于管片自重[2]，出現上浮，上浮后管片產生位移，出現錯臺和破損。

3.4.3 二次注漿不及時

二次注漿不及時，管片上部漿液流失，未及時填充上部穩定管片，導致管片上浮。

3.4.4 盾構機姿態不穩定

盾構姿態不穩定，超限和糾偏過猛，單側油壓較大，管片受力不均導致錯臺和破損。

3.4.5 盾尾間隙變化

盾構機姿態不穩定，管片選型不合理，導致盾尾間隙忽大忽小，盾尾與管片相互擠壓導致管片錯臺和破損。

3.4.6 推力過大

在小曲線線型上，掘進油缸對管片產生橫向分力，小曲線上糾偏時推力過大，導致管片出現錯臺和破損。

3.5 管片上浮控制措施

3.5.1 同步注漿

同步注漿是盾構施工中不可缺少的步驟，漿液凝固時間過長是導致上浮的主要因素。既要滿足盾構施工要求，又要減小上浮力是泥巖地層施工中的難點。通過調整同步注漿配合比，縮短初凝時間能有效減小管片上浮量[3]。調整后同步注漿初凝時間縮短至5 h，配合比水泥∶膨潤土∶粉煤灰∶細砂∶水=150∶25∶400∶700∶400(kg)。

根據實際施工實踐，在自穩性強的泥巖地層中，漿液不易滲透到周圍的土體中去，注漿擴散系數一般取值為1.1～1.2。

3.5.2 二次注漿

分析管片上浮規律數據可看出，管片在脫出盾尾第1環到第15環時上浮較大，后期上浮量相對較小，二次注漿位置選擇在脫出盾尾第5至10環，并選擇在中上部開孔注漿，采用水泥+水玻璃雙液漿速凝[1]，凝結時間約60 s，根據實際情況調整配比。一般注漿壓力不大于0.3 MPa，能有效把管片上部及時填充固結穩定，減少管片后期移動。因注漿位置距離盾尾較近，容易導致盾尾漏漿，同時要防止漿液沿盾體外周竄入土倉，需在盾構掘進時注漿。

3.5.3 盾構機姿態控制

掘進過程中要穩住盾構機姿態，根據管片上浮量主動壓低盾構機姿態，提前做好預偏量來抵消上浮量，確保成型隧道軸線在設計允許范圍內，一般豎向預偏量設為-60～-80 mm。根據本區間隧道平面曲線R450 m右轉彎，實測管片水平位移平均為-25 mm，因此，盾構機姿態水平方向預偏量控制在+25 mm。

3.5.4 管片選型

加強管片選型和選點，跟隨盾構機糾偏曲線變化，確保盾尾間隙均勻，盾尾間隙不宜小于40 mm。

3.5.5 管片螺栓復緊

管片拼裝嚴格執行螺栓三次復緊，從而減小管片錯臺和破損，以及防止管片橢變。拼裝時將螺栓打緊一次；每環掘進300 mm行程且總推力達到正常值后，進行第2次復緊；管片到達盾尾刷位置時，盾尾刷對管片有一定的約束力，此時進行第3次復緊。

3.5.6 人工姿態測量復核

因管片后期產生位移，導致管片上安裝的測量吊籃坐標發生變化，測量數據容易出現較大的偏差，因此，在泥巖地層中要加大人工測量復核的頻率，減小姿態誤差；并及時進行管片姿態的測量，根據管片姿態數據及時調整盾構機姿態，確保管片軸線偏差在允許范圍內。

4 成型隧道質量

通過上述對問題的分析研究和各方面的措施控制，達到了良好的效果，盾構機姿態控制平穩，不但提高了施工工效，而且隧道線型未超限，隧道質量得到提高，管片錯臺和破損明顯減少，質量控制良好(如圖10所示)。

圖10 成型隧道