泥巖地層盾構(gòu)施工技術(shù)

摘要：針對南京地鐵五塘廣場站到窯上村站區(qū)域隧道盾構(gòu)施工，在介紹工程概況的基礎(chǔ)上，提出該工程隧道盾構(gòu)的理論參數(shù)，闡述隧道盾構(gòu)過程及其實(shí)際參數(shù)、同步注漿和二次注漿的要點(diǎn)，分析管片上浮原因并提出控制措施，可供地鐵隧道工程施工技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;泥巖地層;盾構(gòu);施工技術(shù)

1" "工程概況

地鐵7號線五塘廣場站至窯上村站區(qū)間位于南京市棲霞區(qū)主城區(qū)，該段地鐵隧道需采取盾構(gòu)法施工，沿線地面涵各類校區(qū)以及五塘新村等多個(gè)居住小區(qū)，區(qū)間起訖里程為DK22+788.186～DK24+624.600。其平面的最小彎道半徑為500m，最大轉(zhuǎn)彎半徑為2500m，線間距為13～17m，區(qū)間豎向V形坡，線路先分別以20.6‰、4‰下坡，然后以5‰、22.623‰上坡。隧道埋深10.086 ～21.35m，處于泥巖地層。

通常，固化效果較弱的粘土在通過各類中等程度的后生作用下，可形成強(qiáng)度較大的泥巖以及頁巖。其中后生作用包括擠壓、脫水、重結(jié)晶以及膠結(jié)等作用。泥巖已經(jīng)完成固化效果且已經(jīng)成巖，其主要是塊狀物質(zhì)，且分層情況不明顯，同時(shí)部分位置失去了可塑性能，遇到水的浸泡后不會立即發(fā)生膨脹現(xiàn)象。其外貌主要為紫紅色泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裂縫較大，質(zhì)地較軟，內(nèi)部含有少量砂類物質(zhì)。其內(nèi)部的巖芯主要為短柱狀，也有少部分長柱狀。

2" "盾構(gòu)理論參數(shù)

本次施工采用遼寧三三復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（T6480型被動(dòng)鉸接變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)），其開挖直徑為6480mm，刀盤中心開口率為40%，總開口率為34%，最大轉(zhuǎn)速為3.2r/min。中心刀為4把17英寸雙聯(lián)滾刀（可更換18英寸刀圈），正面及邊緣安裝35把17英寸單刃滾刀（可更換18英寸刀圈），刃寬30mm，高度165mm，正滾刀間距85.8mm。刀盤正面如圖1所示。

2.1" 隧道類型

盾構(gòu)隧道根據(jù)埋深分為2種。當(dāng)隧道埋深H小于2D（D為盾構(gòu)外徑）以下時(shí)，為淺埋隧道類型;當(dāng)隧道埋深H大于2D時(shí)，為深埋隧道類型。深埋隧道因其距地面較深，可造成土體在成型結(jié)構(gòu)上部出現(xiàn)拱形現(xiàn)象，因此隧道上部土體產(chǎn)生的壓力不會完全作用在開挖面上。盾構(gòu)頂部的深度用H來表示，本區(qū)間由于H大于2D，因此可以確定其屬于深埋盾構(gòu)隧道，可通過太沙基理論，計(jì)算此結(jié)構(gòu)受到的豎直載荷。

2.2" 刀盤轉(zhuǎn)速

為避免對地層的擾動(dòng)，刀盤轉(zhuǎn)速通常在1～2r/min內(nèi)，通常設(shè)置為1.2r/min。某些掌子面硬巖地層完整，為提高破巖和掘進(jìn)效率，通常將刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為2r/min。泥巖地層介于二者之間，其具有較強(qiáng)的粘性和吸附性，為充分?jǐn)嚢柙粒乖辆哂辛魉苄裕瑫r(shí)盡量減少刀盤對土體的擾動(dòng)，通常將刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)為1.5r/min。

2.3" 刀盤扭矩

盾構(gòu)裝置在正常工作狀態(tài)下，其刀具中心的扭矩小于額定扭矩。如果工作扭矩大于額定值時(shí)，將造成刀盤出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。此時(shí)可以采用正反轉(zhuǎn)方法來重新啟動(dòng)。如果該方法啟動(dòng)失敗，可以通過控制系統(tǒng)執(zhí)行脫困來完成設(shè)備的重新啟動(dòng)。刀盤的額定扭矩為6550kN·m，其脫困扭矩大小為8320kN·m，通常情況下正常作業(yè)扭矩保持在4000kN·m以下。

2.4" 掘進(jìn)參數(shù)

2.4.1" 推力

在確定盾構(gòu)機(jī)推力時(shí)，需要考慮以下3個(gè)方面的因素：一是在正常掘進(jìn)狀態(tài)下需克服的摩擦力，二是刀具中心工作位置的水土壓力以及刀具的扭矩，三是管片所能承受的最大載荷。盾構(gòu)機(jī)在初始掘進(jìn)時(shí)，其推力一般小于8000kN;當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入正常掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)，其推力大小控制在8000～15000kN范圍內(nèi)。

2.4.2" 掘進(jìn)速度

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度，主要依據(jù)周圍土質(zhì)情況、刀具的扭矩以及土倉壓力等因素進(jìn)行判定，其數(shù)值大小受土質(zhì)的影響較大，通常情況下的掘進(jìn)速度保持在40～60mm/min之間。

2.4.3" 螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速

盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，主要依據(jù)土倉壓力值、整體掘進(jìn)過程中的出渣狀況以及渣土的流暢度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.5" 渣土改良

泥巖地層渣土容易粘結(jié)在刀盤上，因此需要使用泡沫化合物溶劑對渣土進(jìn)行優(yōu)化處理。根據(jù)使用的泡沫劑類型，將混合溶液同原溶液的比值控制在2%～3%之間，泡沫膨脹率為8～10。在實(shí)際掘進(jìn)過程中，依靠渣土優(yōu)化后的情況以及含水量等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3" "盾構(gòu)過程及其實(shí)際參數(shù)

3.1" "初始段推力

初始段推力主要反作用在固定結(jié)構(gòu)架上，因此推力將保持在8000～10000kN，當(dāng)推進(jìn)到8環(huán)位置時(shí)，將推力大小穩(wěn)定在10000～15000kN之內(nèi)。推力隨掘進(jìn)過程變化如圖2所示。

3.2" "掘進(jìn)速度

在始發(fā)加固范圍內(nèi)，掘進(jìn)速度保持在25～40mm/min;在穿越加固區(qū)后，掘進(jìn)速度在50～70mm/min。掘進(jìn)速度變化如圖3所示。

3.3" 土層壓力

0～4環(huán)的土層壓力保持在0.02～0.05MPa;當(dāng)洞門封閉工作完成后、進(jìn)行正常掘進(jìn)時(shí)，土壓力保持在0.10～0.12MPa之內(nèi)。土壓變化如圖4所示。

3.4" 地面沉降量

通過始發(fā)試驗(yàn)段的掘進(jìn)施工，地面沉降量分布比較均勻。具體情況為：掘進(jìn)前，刀盤前方1m地表略有隆起;掘進(jìn)4m后，開始發(fā)生沉降;掘進(jìn)到盾尾始過斷面后，沉降趨勢開始平穩(wěn)。

3.5" 實(shí)際掘進(jìn)數(shù)據(jù)

經(jīng)過實(shí)際觀測后，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：地表沉降點(diǎn)累計(jì)沉降量大都分布在1～8mm之間。其中起伏最大值為1.3mm，下降最大值為7.69mm，平均累計(jì)沉降量在3.62mm左右。實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

4" "同步注漿要點(diǎn)

4.1" 注漿量和注漿壓力

為了填補(bǔ)管片與土體之間的縫隙，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中需要同步注漿。依據(jù)管片與土體之間縫隙的體積，經(jīng)過1.2～1.5倍的系數(shù)放大，確定1.2m管片每1環(huán)注漿量約為5m3。在注漿過程中施加的壓力值，需在掘進(jìn)位置水土壓力值的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。同時(shí)保證漿液進(jìn)入縫隙后，在土倉和管片之間保留合理的壓力值，以使地表沉降值保持在規(guī)定范圍之內(nèi)。

4.2" "過程控制

掘進(jìn)過程中，要分析泥巖地層的具體情況，對注漿量和注漿壓力進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)。在不耽誤掘進(jìn)進(jìn)度前提下，盡量縮短漿液的凝固時(shí)間，從而保證漿液對管片的及時(shí)約束。根據(jù)實(shí)時(shí)狀況，得到漿液初次凝固時(shí)間為3～4h。注漿壓力應(yīng)保持在0.15～0.20MPa范圍之內(nèi)，每1環(huán)的注漿總量應(yīng)保持在4.5m3左右。對脫出盾尾的管片，每隔2環(huán)在管片頂部的位置打孔，檢查漿液的注入量、初凝時(shí)間等情況。漿液配比（質(zhì)量比）為水泥：砂：粉煤灰：膨潤土：水=200：600：320：60：500。

5" "二次注漿要點(diǎn)

5.1" 注漿方法

盾構(gòu)機(jī)穿越泥巖地層時(shí)，地層裂隙發(fā)育，地下水豐富，為控制管片上浮和地表沉降，需在加速同步注漿漿液凝固的同時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成二次注漿。當(dāng)管片脫離盾構(gòu)機(jī)尾部的第一環(huán)位置時(shí)，在管片頂部相當(dāng)于時(shí)鐘的10點(diǎn)～14點(diǎn)位置范圍內(nèi)開孔，并完成二次注漿。漿液的壓力保持在0.2～0.4MPa。

5.2" "漿液配比

二次注漿的漿液由等量的水泥漿和水玻璃溶液混合而成。其中水泥漿的水與水泥的用量相等，水玻璃溶液的水與水玻璃的用量也相等。二次注漿漿液配比如表2所示。

6" "管片上浮原因和控制措施

6.1" "管片上浮原因

產(chǎn)生管片上浮的主要原因是地層軟硬程度存在差異。通常情況下，較軟地層不易存在上浮情況，而較硬地層可以提供上浮過程需要的空間。由于泥巖地層相對穩(wěn)定，同步注漿的凝固時(shí)間較長，這就為管片上浮留下了足夠的時(shí)間和空間。

經(jīng)過計(jì)算可知，盾尾離開第4環(huán)管片后，管片位于水中的浮力為85.85t（此數(shù)值不包括配套拖車重力）。當(dāng)漿液密度為1.6t/m3時(shí)，漿液浮力值則為187.64t，即使注漿過程沒有到達(dá)預(yù)期的漿液填充度，其浮力依然很大，管片自身的重力遠(yuǎn)小于其浮力。

6.2" "控制措施

6.2.1" "控制盾構(gòu)偏差

將盾構(gòu)機(jī)垂直度控制在-30～-20mm，使脫出盾尾的成型管片姿態(tài)接近0mm。當(dāng)存在小偏差時(shí)，應(yīng)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救，盡最大可能保證盾構(gòu)機(jī)直行，避免盾構(gòu)路線出現(xiàn)S形。控制盾構(gòu)機(jī)糾正偏差的量，每次糾正偏差的尺寸不適合太大，基于勤糾少糾原則，保證每一環(huán)修正量小于5mm，有效降低對地層的影響，為管片拼接創(chuàng)造合適的條件。

6.2.2" "重復(fù)緊固管片螺栓

對管片螺栓進(jìn)行3次重復(fù)緊固，以此來提升管片的抗浮能力，做法如下：在下一環(huán)拼接工作完成后，緊固1次;在管片完全脫離盾尾時(shí)，緊固1次，在管片脫出臺車后緊固1次。

6.2.3" "保證注漿質(zhì)量

在正常掘進(jìn)過程中保證注漿質(zhì)量，對注漿數(shù)量和壓力進(jìn)行雙向控制。依照泥巖地層的分析情況，確保注漿過程中不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，盡最大可能減少漿液凝固時(shí)間，加速對管片的約束。采取措施保證漿液初凝時(shí)間保持在3～4h范圍之內(nèi)。

6.2.4" "及時(shí)進(jìn)行二次注漿

當(dāng)管片脫出盾尾后，在管片頂部相當(dāng)于時(shí)鐘的10點(diǎn)～14點(diǎn)位置的吊裝孔處（封頂塊禁止開孔注漿）開孔，及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

7" "結(jié)語

本文針對南京地鐵五塘廣場站到窯上村站區(qū)域隧道盾構(gòu)施工，在介紹工程概況的基礎(chǔ)上，提出該工程隧道盾構(gòu)的理論參數(shù)，闡述隧道盾構(gòu)過程及其實(shí)際參數(shù)、同步注漿和二次注漿的要點(diǎn)，分析管片上浮原因并提出控制措施。

在泥巖地層進(jìn)行隧道盾構(gòu)施工具有一定難度，需要根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)研究隧道盾構(gòu)的理論參數(shù)，控制隧道盾構(gòu)施工過程及其實(shí)際參數(shù)。采取措施改良渣土，保證漿液質(zhì)量，把握注漿要點(diǎn)，控制地表沉降、消除管片上浮，可保證隧道盾構(gòu)工程的施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉鑫.富水泥巖地層盾構(gòu)施工管片上浮控制技術(shù)研究[J].四川水泥，2020（08）：114-115.