復雜條件下盾構施工關鍵技術控制

童剛強

（天津市地下鐵道集團有限公司，天津300000）

地鐵盾構入線的平曲線最小曲線半徑一般≮300 m，最大縱斷面坡度宜采用40‰，隧道覆土厚度一般≥1D（D為隧道外廓直徑），平行隧道凈距一般≥1D，不能滿足要求時，應結合工程地質條件、區間隧道的相互關系以及覆土厚度，選擇具備相應施工能力的盾構設備、合理安排施工順序、制定詳細的施工計劃才能保證工程順利實施[1]。

1 工程概況

天津地鐵10號線某區間隧道左線長351.6 m、右線長357.9 m；左線最小平曲線半徑380 m，右線最小平曲線半徑350 m，區間線間距8.5～12.4 m。區間縱斷面為斜下坡，左線縱坡坡度分別為33.925‰、6.25‰、14.5‰，區間右線縱坡分別為35‰、4.441‰、14.5‰。隧道結構覆土厚度4.1～8.8 m，采用盾構法施工。

成型隧道允許偏差：高程和平面±50 mm；每環相鄰管片平整度≤10 mm；縱向相鄰管片環面平整度≤15 mm；襯砌圓環直徑橢圓度≤5‰D。

區間隧道主要穿越地層為⑥1粉質黏土、⑥3砂質粉土及⑥4粉質黏土，隧道上方地層主要為①1雜填土、①2雜填土及④1粉質黏土，隧道下方地層主要為⑦1粉質黏土、⑦2黏質粉土及⑧1粉質黏土。

區間隧道盾構始發后先后下穿廢品交易市場、道路、簡易板房、單層磚砌平房及小橋涵，周邊環境相對簡單。

2 工程難點分析

在大坡度并小半徑曲線段，盾體沿著曲線前進時的軌跡并不是完全與設計線路擬合的，而是呈現近似弧線的多段線的組合，為不規則曲線且盾首與盾尾在不同的軌跡線上[2]，盾構姿態控制難度大。當兩條盾構隧道小間距、長距離并行施工時，會出現后行盾構隧道對先行隧道先擠壓、后卸載的情況，引起先行隧道環向的內力變化[3]。基于此，本區間隧道盾構施工主要有4個難點。

1）大坡度。本區間隧道縱斷面為斜下坡，最大坡度為35‰。大坡度盾構始發施工困難，需要確保盾構機的設計趨勢與設計軸線保持一致，同時注意盾構機與洞門鋼環、止水密封裝置的相對位置關系，避免盾構機發生剮蹭，甚至卡頓；大坡度盾構施工易造成管片上浮[4]，盾構機姿態是通過調整各組油缸推力來控制，當盾構隧道坡度較大時，為防止盾構機栽頭并滿足調整姿態需要，會增大盾構機底部油缸推力，這將在設計軸線上產生向上的分力，造成管片上浮；坡度對水平運輸有影響，電瓶車容易順坡而下，發生溜車、車輪滑轉、制動困難、撞擊盾構拼裝機等事故，對電瓶車設備動力性能、制動性能和各項安全措施要求高，施工風險高；大坡度盾構施工管片拼裝質量控制困難，千斤頂作用于管片的推力產生較大垂直分力，容易造成管片錯臺、邊緣破損。大坡度盾構施工需要頻繁糾偏，盾尾間隙不均勻，易造成管片擠壓變形。

2）淺覆土。隧道埋深小，地層荷載不足，刀盤前方土壓平衡建立困難，土倉壓力難以控制，容易造成地表沉降、竄漿或者冒頂坍塌等問題；同時盾構機上下受力不平衡，盾構姿態易上揚，造成盾構姿態控制困難。

3）小間距。本盾構區間有約55 m長度隧道間距＜0.7D，最小間距盾構接收段僅2.28 m。地層土體二次擾動、后行隧道盾構推進時造成的擠壓、卸載作用對先行隧道的影響，易造成先行隧道變形，進而引發錯臺、破損、滲漏等質量問題。

4）小半徑曲線。本區間隧道最小轉彎半徑為350 m，對施工要求較高。由于盾構機自身為直線形剛體，為確保盾構隧道軸線與設計軸線吻合，盾構機在掘進過程中，須不停地連續糾偏，對操作人員技能、設備性能穩定性要求高，姿態控制難度大。盾構機要通過超挖來實現小曲線半徑轉彎，同時油缸存在不同壓力差與行程差，易對成型管環產生橫向分力，導致管片受力不均勻。

3 關鍵技術控制

3.1 大坡度施工

3.1.1 防管片上浮

1）在保證盾構機不出現磕頭的情況下盡量減小上下油缸的推力差，防止由于下部油缸推力過大產生豎向分力，造成管片上浮。

2）適當增加同步注漿量，尤其控制上部注漿量，提升管片背后的填充效果，防止管片脫出盾尾后上浮。

3）做好管片螺栓復緊。每環推進結束后，擰緊當環管片的全部連接螺栓并在下環推進中在油缸推力作用下進行復緊，克服作用于管片上的推力產生的垂直分力，減少管片上浮。

3.1.2 盾構掘進姿態保證措施

1）掘進過程中為保證盾構機垂直姿態，須上下分區油缸產生推力差，防止盾構機栽頭，但推力差引起的向上分力會導致管片上浮。因此在盾構掘進過程中應在保證盾構機不出現栽頭的前提下，盡量減小上下分區油缸推力差，從而減小向上的分力作用。

2）盾構掘進過程中，適當增加隧道監測頻率，通過多次測量確保盾構測量數據的準確性并通過監測數據反饋指導盾構推進和糾偏。

3）在大坡度地段，由于隧道內通視條件較差，須多次設置新測量點和后視點。新的測量點設置后，應嚴格加以復測，確保測量點的準確性，防止誤測。

3.1.3 盾構施工安全保證措施

本區間隧道縱斷面為一字下坡，左線始發階段坡度達到33.925‰，施工過程中存在電瓶車溜車安全隱患。為確保隧道內水平運輸安全，對電瓶車各部件增設鋼絲繩，電瓶車車頭前端設置螳螂鉤，盾構機1號臺車設置車擋，電瓶車配置防溜車。

3.2 淺覆土施工

3.2.1 盾構掘進土壓設定

考慮淺覆土軟弱地層的敏感性，盾構掘進過程中切口壓力設定不宜過大，防止擊穿覆土，切口壓力在水土壓力基礎上增加10～20 kPa。盾構掘進過程中應保持切口壓力穩定，波動范圍控制在±5 kPa。

3.2.2 注漿控制

注漿效果對控制沉降極為關鍵，針對淺覆土段，除常規的同步注漿外，隨盾構掘進二次補充注漿。每環一個吊裝孔位管片進行補漿，每隔10環進行一次整環注漿形成止水環，二次補充注漿漿液初凝時間宜控制在13～15 s。注漿壓力宜略大于對應地層位置靜止水土壓力，控制在0.2～0.3 MPa。

3.2.3 掘進速度

淺覆土段盾構掘進速度控制在20～30 mm/min，以勻速為宜，避免對土體造成過大擾動。

3.3 小間距施工

3.3.1 先行隧道內注漿加固

在先行隧道（左線）右側90°范圍內利用管片吊裝孔向土體中打入長1.5 m，φ48 mm×3.0 mm鋼花管進行注漿加固，達到改良硬化土質，減少對周邊地層擾動的目的。見圖1。

圖1 小間距段地層注漿加固

加固采用水泥-水玻璃雙液漿，初凝時間控制在60 s，壓力控制在0.15 MPa左右。為確保土體加固質量，采用以下控制措施：

1）同一孔內采用從外到內的注漿方式分層注漿，每次拔管長度150～200 mm；

2）同一管片內不同注漿孔應保持對稱平衡注漿；

3）隧道縱向隔環跳注，每環一次施工1～2孔。

3.3.2 后行隧道推進控制

后行隧道施工對先行隧道的主要影響有擠壓和單側卸載，擠壓作用包括盾構推進產生的壓力和注漿壓力。為避免對先行隧道產生影響，采取了如下措施：

1）合理設置土壓力，根據覆土厚度和水文地質條件，土倉壓力控制在0.1 MPa左右，出土量控制在42 m3以內；

2）盾構掘進過程加強同步注漿，及時進行二次注漿，注漿壓力控制在0.3 MPa以內；

3）降低推進速度，控制在10～20 mm/min；

4）嚴格控制盾構姿態，偏差控制在±20 mm，盡量避免糾偏。

3.4 小半徑曲線施工及曲線接收

小半徑曲線盾構掘進對鉸接裝備、仿形刀要求高，始發前繪制好管片拼裝點位圖，編排好管片理論排環表[5]。

1）加強對盾構推進軸線的控制。由于曲線推進盾構機環環都在糾偏，須做到“勤測勤糾”，每次的糾偏量盡量小，以保證形管片的環面始終處于曲率半徑的豎直面內；控制管片的位移量和環面的平整度，以減少位移和管片碎裂現象的發生，從而達到有效控制軸線和地層變形的目的。

2）為確保盾構機沿設計軸線推進，必須嚴格控制盾構出土量，同時根據地面監測情況合理調整出土量。

3）嚴格居中拼裝，從而使管片處于較理想狀態，確保拼裝質量及推進軸線控制在規范要求范圍之內。

4）隧道貫通前應加強盾構姿態的控制，以使盾構機擁有良好的到達姿態，準確就位在盾構接收基座上。在最后50環推進時，增加人工測量的次數，及時修正盾構機掘進方向，使盾構機保持準確的出洞姿態。

5）未能達到預期效果時，應啟用超挖刀進行超挖糾偏[6]。

4 盾構施工參數

首先根據本區間的水文地質條件、覆土厚度以及盾構機特性等情況計算出盾構的理論掘進參數，再根據計算結果，參照天津地區以往工程經驗初步擬定盾構初始掘進參數，施工過程中再進行調整，以保證盾構掘進正常，姿態與設計相符，盾構施工穩定后的參數見表1。

表1 盾構施工參數

5 結論

1）盾構施工應根據地質情況、線形設計、覆土厚度以及周邊環境等情況進行盾構機選型并制定有針對性的技術方案。

2）淺覆土及小間距地段盾構施工應控制速度，勻速推進，減小對周邊地層及先行隧道的影響。

3）大坡度及小半徑曲線地段盾構施工應做到“勤測勤糾、多次微糾”，嚴禁“猛糾”，嚴格控制盾構姿態。

4）施工過程中應嚴格控制同步注漿及二次注漿，結合監測情況，少量多次補漿。