极软弱地层盾构施工关键技术探析

陈 馈，冯欢欢

（盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001）

1 工程概况

石家庄轨道交通1号线8标包括两站（朝晖桥站、白佛站）、两区间（朝晖桥站～白佛站区间、谈固站～朝晖桥站区间）。朝晖桥站～白佛站区间位于中山东路下方，沿中山东路东西向敷设，采用盾构法施工，全长598m。朝白区间顶覆土约10.2～12.6m，线路平面有两处曲线（均为R=1 200m），线路纵向坡度呈V字坡。右线盾构于2014年6月18日正式掘进，截至9月12日仅掘进383环共459.6m，月平均进度仅162m，施工中盾构姿态控制困难，在107环、220环、290环、371附近先后4次出现较大的盾构叩头现象，7月28日、8月12日、8月16日、8月30日先后组织召开了4次专家会，并成立了专家管控组全面管控指导盾构施工，但仍未有效解决盾构叩头问题。9月12日，再次组织召开了专家会，对盾构叩头问题进行了深入分析论证，并提出了专项措施，实施效果良好。

1.1 地质概况

盾构区间穿越的地层主要为：粉细砂④1层、粉质粘土⑤1层、细中砂⑥1层中，拱顶主要以粉细砂为主。根据地质勘察报告，地下水开采较为严重,地下水类型以潜水为主。但由于大气降水、上穿污水管道渗漏等原因，沿线局部存在上层滞水。

1.2 沿线管线及建筑物

朝白区间正穿中山东路，该路面年久失修，路面龟裂、坑洼严重。同时交通流量大，过往的公交车等重型车辆多。道路两侧建筑物距离隧道结构较远，区间隧道与周边邻近建筑物最小间距15m左右。

区间隧道上方正穿污水管、雨水管、横穿3处热力管沟。污水管周边渗水严重（图1a），管道回填土压实差。根据现场补勘，管线周围渗漏比较严重，导致拱顶上部土层地面以下3.5m含水率高，成泥状（图1b），并有水囊。

2 盾构叩头分析

2.1 叩头现象

1）220环附近 盾构掘进至220环时，盾构上部盾尾间隙开始呈现逐步减小的趋势，且无法调整，推进过程中推力达到2 100～2 400t，推进速度缓慢，盾构垂直姿态下降，出现叩头趋势。每环推进过程中姿态整体下降约2～3mm，在进行管片拼装时，前点下降约4～5mm，后点姿态基本无变化。针对出现的盾构叩头现象，主要通过对上部推进油缸卸力，同时加大下部推力，从而增大俯仰角，以使盾构姿态上抬，但因盾构总推力过大，改善效果不佳。当盾构掘进至229环时，盾构垂直姿态累计下降70mm，同时在管片拼装过程中，盾体下降速度更快，达到每环3～8mm。在掘进至230环时，仍采取对上部推进油缸卸力，使姿态上抬，但实施后效果不明显，由于盾尾持续下降较快，导致仰俯角由-2mm/m变为0，且在管片拼装过程中，盾构垂直姿态出现异常，也伴随着下降了3mm。

2）371环附近 盾构掘进至371环时，盾构垂直姿态再次出现整体下降，371环垂直姿态：前点16mm、后点3mm；372环垂直姿态：前点10mm、后点-2mm；盾构垂直姿态前点下降趋势大于后点，开始逐渐形成叩头趋势。375环垂直姿态：前点-13mm、后点-11mm，仰俯角变为负值。377环垂直姿态：前点-28mm、后点-24mm，379环垂直姿态：前点-50mm、后点-39mm，381环垂直姿态：前点-58mm、后点-58mm，382环垂直姿态：前点-63mm，后点-67mm。379～383环推进过程中，每环姿态前点下降约2～3mm，后点约5～6mm；在收油缸进行管片拼装时，前点下降约2mm，后点姿态基本无变化。

2.2 叩头分析

1）人员原因 第一次出现叩头时，前期由于盾构施工人员对极软弱地层施工经验不足，导致盾构掘进在由粉质粘土层进入承载力较差的细砂软弱地层时，盾构操作人员对地层预判不足，掘进参数选取不理想，造成盾构姿态相对较差[1]。

2）停机原因 在盾构检修、故障排查、盾构叩头处理等原因造成盾构的非正常停机时间较长，由于区间隧道为粉细砂层、细中砂层，地层自稳性差，在盾构恢复掘进时，盾壳受周边土体固结以及盾构下沉等影响，对土体扰动较大[2-3]。

3）地质原因 本项目所在的朝晖桥、白佛客运站，均为石家庄市汇水最低处，导致朝白区间地层极软弱。朝白区间隧道上方正穿DN 1000mm雨水道、DN 500mm污水管，监测点处受雨水和污水管道渗漏长期浸泡，周边渗水严重，同时管道回填土压实差，后期需要持续沉降。经打孔勘查上部土体存在淤泥层和水囊。

朝白佛站区间覆土约10.2～12.6m，盾构掘进底部高程为16.45～18.85m，根据补勘该层持力层主要为⑥层细砂。⑥层细砂层勘察期间局部见该层中含水量较大，砂质不纯，局部为粉砂、中砂及少量薄层粉土。薄层粉土分布不均，多呈0.2～0.3m的透镜体状，局部呈软塑状态。

由于盾构掘进持力层为细砂层，夹杂0.2～0.3m透镜体状薄层粉土。该地层承载力较低、压缩性中等。盾构掘进碴土改良致使土体含水率变化，部分地基土承载力、压缩性等力学性质产生较大变化，造成承载力骤减。

4）姿态原因 为避免盾构叩头，在部分粉细砂层、细中砂层易叩头地段，较一般地层需增大仰俯角，同时加大下部推力和减小上部油缸推力，造成管片与盾尾轴线不居中，盾尾倾角导致盾尾与管片摩擦力增大，致使盾构掘进时总推力较大，掘进速度较慢。

5）纠偏原因 在极软弱地层掘进，盾构底部地层具有可压缩性，盾构的自重几乎全靠盾尾和推进油缸支撑在管片上，类似于悬臂式受力，从而造成顶部的盾尾刷极易变形和损坏，造成顶部盾尾间隙过小及盾构整体下沉[4]。

6）拼装原因 拼装管片时，盾尾底部的隧道清洗浆或杂质未清理干净，在管片拼装时进入盾尾刷，造成盾构下部的盾尾密封失效，同步注浆液进入盾尾刷造成聚积凝结，导致管片下部盾尾间隙进一步加大，铰接油缸压力较大，造成有效推力减少，不能形成抬头的推力差。

3 初步措施与效果

3.1 成立专业管控组

成立了由具有类似地层丰富施工经验的盾构技术人员组成的专业管控组，全程管控指导盾构掘进施工，对出现的施工问题及时分析并采取针对性措施。

3.2 加强管理措施

1）加强对盾构及配套设备的维保，尽量减少设备故障率造成的停机，缩短盾构叩头处理等非正常停机时间。同时加强现场管理，合理组织，缩短因工序转换造成的停机时间。

2）加强对作业队长、盾构操作司机、机电工程师、测量工程师等盾构施工主要管理人员的配置和培训，并进行专项考核[5]。

3.3 设备系统检测

针对盾构多次出现叩头问题，委托第三方检测中心对盾构进行了设备状态检测评估。对推进系统及铰接系统进行了检测评估。经检测，设备运行过程中各组推进油缸、铰接油缸油压及行程实测值与上位机显示值一致，推进系统与铰接系统运行正常可控。对各系统进行了状态检测，通过振动测试仪、温度测试仪、内窥镜、温湿度计、油品快速检测仪、秒表等仪器诊断各系统使用状况。通过对主机及后配套设备运行状态功能进行检验、辅助设备旋转振动测试、液压泵及主驱动机械振动测试对盾构设备状态进行了评估，通过油品检测分析了各部件的磨损情况，从专业、系统角度全面分析了设备状况，并给出了维保建议。经状态检测评估，整机状况能够保证正常掘进施工。

3.4 针对220环附近

3.4.1 应对措施

主要从盾尾刷清理与更换、千斤顶辅助纠偏等方面采取了应对措施。

1）停机检查，同时利用盾构径向孔向盾壳外注入膨润土或聚氨酯，以包裹盾构与土体孔隙，防止盾构停机困住。

2）推进第231环，油缸行程推进至2 000mm，对盾尾进行检查清理（图2）。

图2 盾尾刷检查清理情况

3）拼装231环时，拼装点位在7点。先后拆除了K、B1、B2块，对盾构刷进行了检查。对部分失效的盾尾刷进行了更换，并手涂盾尾油脂。

4）调整铰接油缸，将铰接锁住，并采用辅助千斤顶进行调整到位后固定。在后续施工中辅助千斤顶措施实施情况：①利用2个100t液压油缸加2个100t机械千斤顶辅助调整铰接油缸，停机时先将全部推进油缸收回2cm，将2个100t油缸加在7号、8号、9号推进油缸之间、2个100t机械顶分别加在6号、7号推进油缸和9号、10号推进油缸之间，液压油缸与机械千斤顶同时加力，液压泵站加压达到250MPa、人力搬动机械千斤顶时收缩铰接油缸，多次尝试后铰接油缸行程无变化；②推进过程中尝试利用2个100t液压油缸加2个100t机械顶辅助调整铰接油缸，实施过程中发现机械千斤顶伸出速度过慢，跟不上推进千斤顶及辅助液压千斤顶伸出速度，起不到辅助效果，2个辅助液压千斤顶辅助效果不佳；③采用辅助千斤顶调整铰接油缸无效果后，在掘进过程中，加大盾构仰俯角至+10mm/m左右，然后将盾构机头下压（为避免盾构叩头超限，决定将盾构竖直姿态抬高至+50mm左右），使得上部铰接油缸伸出，通过铰接油缸的浮动，并在铰接压力降低至100bar以下及时收缩铰接油缸的方式进行调整，利用该措施至341环时，铰接油缸行程：左上12mm、左下39mm、右上9mm、右下39mm，此时盾构铰接油缸行程差达到近期最好状态。

3.4.2 实施效果

后续盾构继续推进至231环、232环，盾构掘进总推力已降低至1 800～2 100t，同时仰俯角变为+4mm/m，已有抬头趋势。

3.5 针对371环附近

3.5.1 应对措施

主要从掘进方向控制、同步注浆、盾构掘进参数控制等方面，采取了技术措施：

1）以线型控制为主，为避免管片姿态超标，加大下部油缸推力，并根据地层情况卸除1号、2号、14号、15号上部部分油缸，增大上下部推力差（右侧A组、左侧C组压力在260bar，下部B组压力在320bar，上部D组压力在20bar），必要时增加辅助千斤顶，选择合适的盾构俯仰角。

2）根据施工现场情况不定期对盾尾进行清理，必要时更换盾尾刷以保证尾刷的正常使用。每次停机前利用盾构径向孔注入高质量钠3膨润土，减少盾体与周边土体的包裹和固结，及利用膨润土清洗注浆管路，防止盾构停机困住及注浆管路堵塞。

3）严格控制同步注浆量和浆液质量，合理控制注浆压力。根据盾构掘进速度，合理调整同步注浆时间、注浆压力，保证同步注浆与盾构掘进同时完成。目前盾构掘进同步注浆为每环注浆一次，注浆量为5.5～7m3，注浆压力0.15～0.3MPa，注浆时间25～50m in。二次注浆根据监测情况在地表沉降较大监测点里程范围内进行，按每3～5环注浆一次，注浆量为2.5～3m3，时间为 25～40m in。

4）拼装过程中严格控制盾构推进油缸的压力和伸缩量，按各块管片位置缩回相应位置的推进油缸。管片拼装手尽量加快拼装速度，拼装完成后，立即掘进10cm，保证停机时上部土压在0.8bar以上，避免停机时千斤顶卸力、土压过低造成盾体下降。

5）盾构掘进中经常复核隧道轴线、盾构姿态、管片姿态，发现偏差及时纠正。盾构姿态控制采取“勤纠、少纠”原则，每环掘进偏移量不宜大于5mm。当偏差过大时，在较长距离内分次限量逐步纠偏。纠偏过程中提高人工管片姿态测量频率，掘进时控制在3～5环一测，并及时出具管片姿态成果，指导下一步掘进施工。若在纠偏过程中部分管片垂直姿态超限，及时与设计人员进行沟通汇报，确定处理方案，必要时采取管片二次补注浆进行上抬处理。

3.5.2 效果分析

出现叩头趋势后主要采取的措施：在掘进374环时油缸行程推至1 900mm，对盾尾进行彻底检查清理，仅有少量杂物。在后续掘进时增大下部推进油缸推力至320bar，对2号、13号、14号推进油缸卸力。至377环考虑到盾构姿态下降较明显，按照专家组意见立即停止了正常掘进。期间为避免长期停机造成盾体受周边土体固结和包裹问题，9月5日～10日间断掘进至383环。379～382环推进过程中，每环姿态前点下降约2～3mm，后点约5～6mm；在收油缸进行管片拼装时前点下降约2mm，后点姿态基本无变化。

当前在推进381环时垂直姿态：前点-58mm、后点-58mm、仰俯角为0，382环时盾构垂直姿态：前点-63mm、后点-67mm、仰俯角为+1mm/m，383环时盾构垂直姿态：前点-63mm，后点-69mm，仰俯角为+1mm/m，根据目前的姿态变化可判断出盾构已有抬头趋势。根据现场实测管片姿态，管片姿态较盾构姿态每环有约20～30mm上浮量。根据前期叩头情况预计纠偏需8～10环，按照仰俯角情况每环后点下沉约3～5mm，可推断出纠偏8～10环后，后点将下沉至-93～-119mm，考虑到管片上浮，预计管片最大垂直偏差为-60～-90mm。

4 专项措施与实施效果

4.1 施工措施与实施效果

9月12日，组织召开了第5次专家会，对盾构叩头问题进行了深入分析论证。分析认为，本工程标段所在的朝晖桥、白佛客运站，均为石家庄市汇水最低处，属极软弱地层。在粉细砂、细中砂地层，地层承载能力差，过于软弱；同时，盾构掘进时的碴土改良致使土体含水率变化，地层的承载力、压缩性等力学性质也会产生较大变化，最终导致承载力骤减。

石家庄朝白区间盾构下沉的主要原因是本工程的极软弱地质。在极软弱地层掘进，盾构底部地层具有可压缩性，盾构的自重几乎全靠顶部的盾尾刷和底部的推进油缸支撑在管片上，一方面造成顶部的盾尾刷极易变形和损坏，导致顶部盾尾间隙过小及盾构整体下沉；由于盾构下沉，会造成盾体顶部与地层间隙进一步增大，顶部砂土易坍塌，坍塌后进一步增加了推进阻力，如果同步注浆不能有效充填坍塌后的地层空洞，还会造成地表的后期沉降。另一方面，为控制盾构姿态，减少了上组推进油缸的推力，增大了下组油缸的推进，造成管片环的下部受力过大，如果同步注浆液不能及时稳定管片，管片在推进油缸推力和管片上浮力的综合作用下，靠近盾尾最前面的管片会呈下俯趋势，这就是即使加大下组推进油缸的推力，盾构叩头仍不能有效解决的原因。

根据分析论证，提出了以下专项措施。一是为避免长期停机造成地面沉降及盾构下沉，建议尽快恢复掘进，并尽量快速通过，项目部按专家意见于9月13日恢复掘进，并按专家意见控制掘进参数；二是按专家意见优化了同步注浆浆液配比，增大了含砂量，掺入了高性能膨润土，减少水掺量，将初凝时间缩短至8h；三是合理控制仰俯角，确保隧道线型满足设计要求，项目部按专家意见对仰俯角进行调整；四是掘进过程中采用全土压模式掘进；采用以上专项措施后，在进行第384环试推进时，仰俯角上抬较明显；掘进过程中，仰俯角由384环的+2mm/m调整为403环+8mm/m；每天掘进进度控制在8～10环，如果不是业主要求控制进度，盾构施工进度仍有较大上升空间。

4.2 盾构适应性改造建议

盾构在极软弱地层掘进时，虽然通过采取施工专项措施，能够缓解盾构叩头现象，但仅是权宜之计，不能从根本上有效解决问题。

石家庄地铁8标的地质不同于石家庄地铁1标、2标、3标、11标等标段，地铁8标的地质属极软弱地层，盾构在极软弱地层施工时，必须严禁超挖，刀盘开挖直径宜等于或稍小于前盾直径，这是确保盾构在极软弱地层顺利掘进的基本设计条件。本标段所采用的盾构，其开挖直径大于前盾30mm，这是造成盾构叩头的原因之一；同时，盾构主机偏重、盾构主机的重心靠前等因素，也是造成盾构产生叩头趋势的原因。

因此，除采取专项施工措施外，有必要在盾构到达后，对盾构进行适应性改造。一是刀盘开挖直径不宜大于盾构外径；二是尽量减轻主机和刀盘重量，可以取消刀盘上的小辐板。尽管本标段的盾构刀盘开口率是完全满足工程地质的，但仍可以进一步增大开口率。对极软弱地层，适应性最好的是辐条式刀盘，取消小辐板，不仅能减轻刀盘重量，以减缓盾构叩头趋势，而且刀盘开口率增大后能进一步减少结泥饼和降低刀盘切削阻力和搅拌扭矩，盾构掘进效率会进一步提高。

另一方面，在盾构到达后，应对盾尾的整圆度进行检测，以确保推进油缸与盾构轴线同心。根据项目部的检测，目前盾尾椭变约3cm，建议在盾构到达后对盾尾进行整圆。同时，盾构到达后应检查和更换损坏的盾尾刷，要进行盾尾刷的综合性能测试试验，确保所选用的盾尾刷具有较好的弹性和耐磨性。

5 结 语

粉细砂、粉质粘土、细中砂等是石家庄地铁1号线8标朝白区间右线盾构掘进过程中所遇到的主要地质条件，施工过程中盾构姿态难以控制，经常出现严重的盾构叩头现象。通过专家深入论证并采取专项施工措施后，顺利完成了掘进任务，但这不能从根本上解决问题，叩头现象无法杜绝。如果盾构的正常施工需要时刻依靠专项措施来保证，说明盾构需进行必要的地质适应性改造。经研究分析，盾构开挖直径大于盾体直径，是造成盾构在极软弱地层下沉的根本原因，因此需结合极软弱地层特点，对盾构刀盘进行适应性改造，以期从根本上解决盾构叩头问题。 O

[1] 鲍永亮，郑七振，唐建忠．上海软土地层盾构始发施工技术[J]．铁道工程学报，2010，(3):118-122．

[2] 林存刚，吴世明，张忠苗，等．盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响[J]．岩土力学，2012，(8)：2472-2482．

[3] 李志帅．软土地层盾构掘进姿态控制技术研究[D].北京：北京交通大学，2013．

[4] 贾大鹏．盾构偏角始发施工技术[J]．市政技术，2014，(4)：103-106．

[5] 陈 馈．论城市地铁项目的现场管理[J]．建筑机械化，2014，(9)：74-78．