軟弱地層盾構姿態失穩與處理措施研究

李加金

摘要 成都軌道交通盾構施工中，受砂卵石層、泥巖等軟弱巖層影響，易出現上浮問題，導致盾構機姿態控制難度增大。文章結合盾構機姿態控制問題，深入研究了盾構機姿態失穩原因，并針對性提出了姿態失穩糾偏控制措施。復雜地層中的盾構施工應遵循“勤糾、緩糾”糾偏措施，并嚴格控制掘進速度，保持盾構機姿態穩定；針對地下水和注漿造成的姿態上浮問題，可通過加強止水和優化注漿處理。曲線段掘進施工中，通過合理制定糾偏方案，有效解決了盾構機姿態失穩問題。

關鍵詞 軌道交通；隧道盾構；盾構機姿態失穩；盾構機糾偏

中圖分類號 U455.43文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0082-03

0 引言

當前，在盾構施工過程中，受掘進復雜斷面地層變化影響，盾構機姿態控制可能出現偏離，嚴重時可能造成隧道偏離設計軸線，導致隧道管片錯臺、局部破損和滲漏水等病害[1]，嚴重影響隧道工程施工質量和使用壽命。相關研究表明，盾構機姿態偏差主要原因為地質條件變化；在泥巖、圓礫地層盾構施工中，盾構機姿態控制難度大、易超限[2]，并造成刀具偏磨、姿態上升、糾偏困難等問題，以及管片上浮問題上浮量較大等問題。該文結合成都軌道交通30號線一期工程，深入研究了軟弱地層盾構姿態失穩原因及處理措施，旨在為軌道交通工程盾構施工提供有益參考。

1 工程概況

成都市軌道交通30號線一期工程全長26.284 km，軌道交通路線自雙流機場2航站樓站延伸至洪家橋站。該工程總體呈西南東北走向，全程為地下線，共規劃設計23座車站，其中包括14座換乘站。最大站間距為1 792.486 m，最小間距為362.176 m，平均站距為922 m。

根據規劃設計，該工程劃分為3站3區間，3站為趙家山站（302.72 m×20.9 m×14.5 m）、錦逸站（原皇經樓站）（145 m×20.3 m×31.38 m）、嬌子立交站（159 m×22.7 m×36.5 m）。區間隧道襯砌外徑6.0 m、內徑5.4 m，管片寬幅1.5 m、厚度300 mm，由6片管片組成。施工區段內全部為盾構施工。

2 工程巖土水文條件研究

根據巖土勘察文件揭示，擬建工程沿線地表第四系堆積層廣泛分布，表層土多為第四系全新統人工填土，以雜填土為主；嬌子立交站及周圍為第四系全新統沖積層，錦逸站區間及周圍為第四系上更新統冰水沉積、沖積層。巖土層自上而下依次為：黏性土、砂類土、卵石土、全風化泥巖、強風化泥巖、中風化泥巖。軌道交通盾構主要穿越泥巖層，由于泥巖具有巖質極軟、強度低、遇水軟化、失水崩解等特點[3]。軌道交通施工中受泥巖性質影響，起始站基坑覆土層易沿泥巖滑動，造成基坑失穩崩塌；盾構施工中泥巖層節理裂隙發育、圍巖自穩性差，易出現隧道拱頂失穩、側壁開裂、基底隆起變形等問題。

根據水文勘測，待建場址范圍內的地下水上層以賦存滯水的雜填土、砂石土、卵石土為主，地下以第4系孔隙水和基巖裂隙水為主。其中，第四系孔隙水賦存于場地第四系全新統和上更新統砂卵石土層中，受上層滯水和河湖下滲補給，是對車站基坑和淺埋隧道有較大影響的一種強透水層?；鶐r裂隙水主要在強風化基巖中賦存，富水段局部存在，隧道盾構施工穿越該層時，受地下水影響較大。因此，在隧道中施工時，會產生較大的裂隙水。

3 盾構機姿態失穩及原因分析

3.1 盾構機姿態失穩

工程盾構施工中，施工單位采用2臺盾構機在棬子樹站始發。施工單位在隧道開挖后，嚴格按照“提前管理，嚴格注漿，短掘進，強支護，快封閉，勤測量，嚴把每一根循環進尺，確保前期支護及時到位，確保工序銜接”的原則進行施工。盾構隧道受力條件得到改善，隧道建設安全得到保障。然而，盾構機在行駛至351環時，出現姿態異常上浮問題，導致盾構機隨掘進呈逆時針方向滾動、呈“波浪線”水平姿態變化；由201環+18 mm變為227環-66 mm，再變為248環+20 mm，出現“甩尾”問題，變動周期約為50環。在現場盾構掘進施工中，盾構機垂直姿態呈現上浮趨勢，施工單位嘗試下壓盾構機姿態，在下壓過程中出現尾點“甩尾”的情況，導致盾構機姿態上浮、下壓難以調整，從而導致管片姿態上浮，浮量在30～80 mm，最大浮量出現在249環，最大點上浮+89 mm。盾構機上浮、姿態調整困難直接影響盾構隧道的調線調坡，并引發管片成形錯臺、管片連接破損、隧道止水滲漏等問題[4]，對盾構隧道工程質量產生不利影響。

3.2 盾構機姿態失穩原因分析

盾構機姿態失穩的原因，主要包括地質原因、地下水和漿液浮力、掘進速度以及盾構機逆向推力等原因，可以根據現場盾構機姿態“上浮”的變化規律，結合工程地質實際情況進行分析。

3.2.1 地質條件原因

該工程典型的盾構隧道區間巖土為砂卵石和泥巖地層，巖層呈泥狀分布。由于砂卵石巖層巖質自穩性差，在盾構機掘進施工中，砂卵石地層受擾動和自身重力作用影響，導致部分巖土層坍落，影響盾構機姿態控制。在進行泥巖地質施工時，風化泥巖密實，有一定強度，略有膨脹性，但遇水易軟化，自穩性較差，不利于控制小曲線姿態。因此，在泥巖地質施工過程中，泥巖較難通過風化處理而使泥巖變得光滑。在砂卵石、泥巖分布不均、圍巖變軟、盾構姿態變化頻繁情況下，盾構機姿態控制難度增大且難以控制，導致盾構機姿態糾偏難度增大，即使油缸分區壓力差≥200 bar（1 bar=0.1 MPa）時，盾構機糾偏仍困難[5]。

3.2.2 地下水和漿液浮力

工程擬建場地的地下裂隙水含量豐富，第四系孔隙水和基巖裂隙水交互作用強。受地下水浮力和漿液浮力影響，盾構機、管片出現上浮現象。

同時，地下水對盾構機姿態調整產生不利影響。該工程采用小直徑盾構機，局部富水區間上浮作用顯著，加之注漿漿液可能通過盾體與圍巖的間隙進入土倉，導致漿液不飽滿、浮力增大，進而造成盾構機姿態上浮、調整難度大。根據工程設計，盾構刀盤與管片之間存在建筑空間，管片完全脫出盾尾后需及時填充該空間，以達到約束管片位移的目的。該工程中，盾構開挖直徑6.2 m、管片內徑5.4 m、厚300 mm、寬1.5 m；按管片混凝土比重23 kN/m3、漿液密度1 825 g/m3、水密度1 000 kg/m3計算管片體積為42.39 m3，管片自重為196 kN；計算砂漿浮力為758.14 kN，地下水浮力為414.54 kN。由此可見，漿液浮力和地下水浮力大于管片自重，漿液和地下水浮力受盾尾（盾構機自重350 t）約束；另一端受已固結水泥漿液約束不能上浮，而剛脫出盾尾的管片處于未固結漿液內，可將盾尾管片視為兩端固定的“簡支梁”，管片脫出盾尾后失去剛性約束并受軟弱圍巖影響，由此導致盾構隧道施工中脫尾管片上浮問題。

3.2.3 掘進速度

盾構施工中，當掘進速度進尺過快，同步注漿與盾構掘進速度不匹配時，可能造成同步注漿量不足，漿液受重力作用影響流入盾構機下部，不能有效填充盾構頂部建筑間隙，造成漿液不能及時固結和固定管片，加劇了盾構機上浮浮力和姿態調整難度，從而導致盾構機姿態上浮和管片上浮。

3.2.4 曲線段掘進

在區間盾構掘進施工中，當盾構機長期處于曲線段掘進時，盾構推進油缸與隧道設計軸線產生夾角，由“上軟下硬”地層提供偏轉附加扭矩，但受掌子面泥巖變軟、地層對刀盤提供扭矩不滿足要求等影響，導致盾構機相對設計線路偏轉（如圖1所示）、傾斜，造成盾構機姿態控制難度增大。

4 盾構機姿態控制措施研究

針對軌道隧道施工中盾構機姿態控制難點問題，施工單位針對性制定了盾構機姿態控制措施，以預防和控制盾構機上浮、管片上浮等問題。

4.1 盾構推進油缸分區控制和掘進姿態控制

工程直線段盾構施工中，施工單位應結合掘進地質條件、覆土厚度、試掘進技術參數對直線段掘進參數進行優化，通過優化刀盤扭矩、千斤頂推力等指令調整盾構機姿態；針對因巖土層性質變化導致盾構機出現的小偏差，應及時對盾構機姿態進行調整，通過優化刀盤扭矩、千斤避免盾構機“蛇”形掘進，減少盾構掘進對巖土層的擾動，單次糾偏≤4 mm/環。

區間盾構掘進采用的是土壓平衡式盾構掘進機，盾構機掘進姿態控制關鍵在于平衡壓力參數的確定。工程中，施工單位應在盾構機正面、盾構體上方、盾構體下方安裝土壓傳感器，并根據土壓傳感器、隧道埋設深度、土層性質等因素，及時調整土壓，計算土倉內土壓，使土壓保持在計算數值的1.05～1.10倍之間，以減少土層變化對盾構姿態的影響，減少盾構施工對土層的擾動。同時，通過及時糾偏，保持土壓平衡，使盾構機保持平穩姿態。

4.2 地下水處理和注漿參數確定

在盾構施工中，由于盾構施工局部區間地下水富集，砂卵石層和泥巖受地下水影響軟化、塑化，施工至227環時盾構姿態出現偏轉，初步分析盾尾脫出管片上浮，帶動盾構機姿態偏轉，造成盾構機姿態浮動。針對這一問題，施工單位針對泥巖厚度較大、地下水量較少的區間，采用封水環法止水，在管片脫出盾尾4～5環后，再進行2～3環向封；環向封采用多孔管片，并用雙液漿進行注漿；通過采用不同的砂漿配比，調整漿液凝結時間，達到控制管片上浮的目的；并在管片內進行封水環法止水，在管施工單位對管片脫出盾尾4～5環后，采用封水環法施工。施工中，施工單位通過二次注漿加強管片約束的方式，采用快凝型水泥和水玻璃雙液漿注漿，以防止盾構機姿態失穩現象的進一步加重。

針對地下水富集對圍巖結構、盾構姿態、管片上浮的影響，可以通過洞內抽放的方式降低洞內水壓。針對局部富水區域，施工單位自管片底部吊裝處開孔。盾構施工期間，盾構機注漿管共有4路，其中上部注漿管2根，下部注漿管2根，上部注漿壓力與下部注漿比例為2∶1～3∶1，以減少盾構姿態控制和管片上浮對同步注漿的沖擊。

為保證注封水環法止水質量，施工單位應加強注漿質量控制（如表1所示），漿液初凝時間4～6 h，終凝時間8～12 h；固結體抗壓強度≥0.3 MPa的24 h，抗壓強度≥2.5 MPa的28 d；固結率≥95%，固結收縮率<5%。

4.3 掘進速度控制

盾構掘進過程中，針對掘進速度過快造成的盾構機姿態控制難點問題，施工單位應嚴格控制盾構掘進速度，砂卵石、泥巖巖層每班掘進速度≤5環，每環掘進時間控制在2～2.5 h，推進速度20～30 mm/min，并確保盾構機掘進速度與注漿量匹配，泥巖巖層注漿量≥5 m3、砂卵石巖層注漿量≥6 m3，確保同步注漿飽滿、充分。

4.4 曲線段姿態調整

針對曲線段巖層提供扭矩不足的問題，施工單位在錦嬌區間曲線段進行盾構機上浮姿態調整時增加2組推進油缸，油缸直徑為325 mm，最大推力為320 t，行程200 mm增設推進油缸之間焊接T字板；盾構機需偏轉掘進時，應推進油缸施加側向推力，油缸油壓差≤50 bar，千斤頂伸出長度差≤50 mm，為盾構機姿態調整提供扭矩。增設油缸后，盾構機姿態逐步穩定，并逐漸恢復偏轉，軸線偏移速度減緩，盾構角姿態開始恢復，曲線段上浮偏差減小，盾構軸線趨于穩定。

曲線段盾構機姿態控制中，施工單位應加強盾構、管片測量，盾構機姿態偏差≥50 mm時停止掘進，二次注漿處理；對管片浮度≥30 mm/d進行加密測量，停止掘進，浮度≥50 mm/d進行二次注漿處理；單環糾偏≤5 mm，避免“急糾、猛糾”，防止盾構機糾偏幅度過大造成盾構機姿態偏轉。

5 結語

在砂卵石、泥巖巖層盾構隧道施工中，受地質、地下水等因素影響，盾構機姿態易出現上浮、滾動等問題，造成盾構機姿態失穩。施工單位在軟弱巖層盾構施工中應用工程施工經驗，加強盾構機姿態控制和掘進速度控制，采取“勤整緩糾”糾偏措施，保持盾構機姿態穩定。針對地下水和泥漿造成的姿態上浮問題，可采取優化注漿參數、加強止水等措施進行處理。同時，曲線段盾構施工中，可通過增設油缸頂推措施糾偏，確保盾構機姿態穩定，預防和控制管片上浮問題。

參考文獻

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