硬塑粉质粘土地层中的土压平衡盾构掘进技术

舒 璐/SHU Lu

（中铁隧道集团专用设备中心，河南 洛阳 471000）

近年来，随着城市建设的快速发展，土压平衡盾构在城市地铁隧道建设中的应用范围越来越广。而且随着施工范围扩大，所遇到地层的复杂程度不断增加。本文通过无锡地铁1号线江海路站至无锡火车站盾构区间前期施工情况，总结了土压平衡盾构在无锡典型地质条件下，遇到硬塑粉质粘土地层的掘进技术，为类似地层的施工提供参考。

1 工程和地质概况

1.1 工程概况

本工程位于无锡市北塘区、崇安区，线路大致呈“S”形南北走向，沿线地面多为厂区、民房建筑，多次下穿河流、桥梁、楼房桩基、锡沪西路、地下通道等建（构）筑物。隧道沿线地面以下管线密布、错综复杂，有雨水管线、污水管线、上水管线、燃气管线、电信管线、电力管线等多种管线，埋置深度深浅不一。区间左线1 308.878m、区间右线1 296.115m，最小转弯半径为350m，隧道纵坡呈“V”型，最大纵坡为24.4‰，最小纵坡为4.0‰。

盾构隧道采用装配式钢筋混凝土管片衬砌，管片外径6 200mm，内径5 500mm，厚350mm，环宽1.2m，为“3+2+1”型（3块标准块、2块邻接块和1块封顶块），拼装时采用错缝拼装、弯曲螺栓连接。

本工程采用1台土压平衡盾构，开挖直径为6 390mm，面板式刀盘，刀盘驱动功率660k W，额定扭矩5 400k Nm。

1.2 地质概况

隧道断面穿越土层大部分为粉质粘土、粘土层，部分断面上部位于粉土夹粉质粘土层(图1)。其中(6)1-1粉质粘土层：暗绿～灰黄色，可塑(局部硬塑)，含铁锰结核。切面有光泽，干强度及韧性高，无摇震反应。地层特性为：含水率26.59%，天然密度1.98g/cm3，孔隙比0.75，渗透系数3.09E-06cm/s,承载力160k Pa。(6)1粘土层：灰黄色，硬塑(局部可塑)，含铁锰结核。切面有光泽，干强度及韧性高，无摇震反应。地层特性为：含水率24.57%，天然密度1.99g/cm3，孔隙比0.71，渗透系数3.61E-06cm/s,承载力200k Pa。上述2种地层沿线均有分布，约占区间地层分布的78%。

图1 区间地质纵剖面图

2 土压平衡盾构在(6)1和(6)1-1粘土中掘进

2.1 施工前对设备进行改造

在盾构始发前，对区间地质情况进行了详细分析，发现(6)1粘土(图2)和(6)1-1粘土具有硬度高，粘性大，可渗透性差等特点，针对这些特性，对盾构进行了以下改造。

图2 (6)1粘土

1）增加一台驱动电机，刀盘驱动功率由原来的550k W增加至660k W。刀盘额定扭矩由原来的4 600k Nm增加至5 400k Nm，以便设备能够满足粘土地层带来的扭矩负荷。

2）将刀盘上的主动搅拌棒由原来的4根增加至5根，土仓内被动搅拌棒由原来的4跟增加至8根，被动搅拌棒主要增加在主轴承附近。通过搅拌棒的增加，减少刀盘背面结泥饼的概率和加大对土仓内渣土的搅拌。

2.2 盾构掘进施工

2.2.1 掘进参数

刀盘转速rpm 1.1～1.15

刀盘扭矩k Nm 3 500～4 500

掘进速度mm/m in 15～25

螺旋输送机压力bar 100～150

泡沫剂比例% 3～5

注浆压力bar 3.5～4.5

注浆量m33.3～3.5

2.2.2 曲线段盾构掘进

盾构由江海路站进行始发，盾构在始发阶段就处于半径350m的曲线上，盾构在小半径曲线上始发和接收对于盾构与设计轴线的拟合控制、盾构的姿态控制、防止超欠挖控制、防止洞门漏水、防止始发基座和反力架位移变形都提出了很高的技术要求。采用曲线割线始发技术，控制盾构轴线偏差在规范允许范围内的直线始发线路掘进，来规避盾构在小半径曲线上的各种施工风险；曲线段盾构施工时，盾构推进操作控制方式是把液压推进油缸进行分区操作，使盾构按照预期的方向进行调向，另外盾构本身配置的铰接形式更利于盾构姿态的调整，在曲线段推进时需注意以下几点：①在始发阶段，将盾构姿态按照要求安装在始发基座上，姿态符合割线始发要求；②根据每环管片的盾尾间隙、推进油缸行程差、铰接油缸位移情况以及当前盾构姿态与隧道轴线的关系等来确定合适的管片的型号，选择盾构推进油缸分区的推力分布；③为防止管片外斜，必须保证背衬同步注浆的效果，使盾构千斤顶的偏心推力有效地发挥作用。确保曲线推进效果，较少管片的损坏和变形；④密切注意盾尾以及盾体铰接位置是否出现泄漏，发现泄漏情况及时加注油脂；⑤加强工序衔接，避免长时间的停机。

2.2.3 姿态调整与纠偏

由于各种原因，盾构推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差。因此应及时调整盾构姿态、纠正偏差。

1）姿态调整 分区操作推进油缸来调整盾构姿态，纠正偏差，将盾构的方向控制调整到符合要求的范围内。

2）滚动纠偏 允许滚动偏差≤1.5°，当超过1.5°时，盾构报警，提示操纵者必须切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。

3）竖直方向纠偏 控制盾构方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。

4）水平方向纠偏 与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时应加大左侧千斤顶的推进压力，右偏时则应加大右侧千斤顶的推进压力。

5）方向控制时注意措施 ①合理控制区域油压。盾构的轴线控制是盾构施工中的一个重要环节，盾构依靠千斤顶的推力向前推进。为便于轴线控制，将千斤顶设置分成不同区域，推进时通过调整各区域油压，实现盾构沿设计轴线方向推进。在切口平衡压力正确设定的前提下，严格控制各区域油压，同时控制千斤顶的行程，合理纠偏，做到勤纠，减小单次纠偏量。②正面平衡压力控制。由于地质条件、地面附加载荷等诸多因素不同的制约，将导致刀盘前方土压力有所差异，为此需及时调整和管理。③均衡施工。盾构推进应尽可能做到连续性，减少不必要的停机，以防止盾构下沉。④勤纠偏。修正及纠偏时应缓慢进行，控制纠偏过度，纠偏量控制在5mm/环之内，如修正过程过急，蛇行反而更加明显。在曲线推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

2.2.4 渣土改良

由于(6)1、(6)1-1粘土的特性，使得盾构在掘进过程中，必须做好渣土改良工作，才能更好地实现推进。针对(6)1、(6)1-1粘土渣土改良的主要手段是添加泡沫和水，泡沫的原液添加比例是3%～5%，，注入流量在400～500L/m in，但在掘进过程中不能长时间的添加泡沫，长时间的添加泡沫可以有效地降低刀盘扭矩，当会造成渣土在皮带上打滑的现象出现，需要同时添加部分的水，通过膨润土注入孔，水的添加量一般为2～3m3/h。

2.2.5 掘进中遇到的问题及应对措施

1）刀盘扭矩大 在施工过程中，由于(6)1、(6)1-1粘土硬度高，且粘性大，造成刀盘扭矩接近额定值5 400k Nm，此时的掘进速度仅为20～25mm/m in，为降低刀盘负荷，采用以下措施进行渣土改良，降低刀盘扭矩：往土仓内添加适量的泡沫和水，可以将刀盘扭矩降低至4 000k Nm左右。

2）渣土在输送带上打滑 由于渣土硬度较高，在通过螺旋输送机的过程中，不能轻易地将渣土排除，造成渣土在螺旋输送机内严重挤压，渣土在螺旋输送机出口处掉落时，呈大块装，且因在土仓内添加的泡沫和水不能完全渗透到渣土中，仅能够在渣土表面渗透，造成渣土表面湿滑，输送带本身在前端就处于上坡状态，造成渣土在皮带上打滑的现象。采取以下措施进行改进：首先是在螺旋输送机闸门下方焊接网格状的钢筋，间距约200mm，让掉落的渣土强制行变小；其次调整泡沫和水的注入比例，以加水改良为主，泡沫改良为辅；最后将输送带前端位置进行改造，向上抬高100mm，减小输送带的坡度。

3）螺旋输送机堵塞 由于渣土的可渗透性不高，造成渣土改良效果不理想，导致渣土在螺旋输送机内部不能被轻易地排出。螺机压力和扭矩上升非常快，当出现螺旋输送机堵塞情况时，首先通过对螺旋输送机内部添加泡沫和水，使内部的渣土变软，同时要注意观察土仓的压力变化，因为有可能会出添加的泡沫和水进入土仓的现象。在将土逐渐泡软的过程中，不间断地进行螺旋输送机的伸缩和正反转，直至将其疏通。为避免螺旋输送机出现堵塞的现象，要求盾构操作手在掘进过程中必须密切观察螺旋输送机的压力变化，当出现压力上升加快时，可停止推进，进行疏通，至扭矩和压力降低方可继续推进。

3 结 语

通过江锡区间前期的施工，得出以下几点经验：①在(6)1、(6)1-1粘土中掘进，合理的掘进参数设置和良好的渣土改良状态是施工顺利进行的有力保证；②在曲线段掘进，必须合理地选择管片类型，一方面要符合隧道设计轴线，另一方面要符合盾构的姿态，避免管片与盾尾发生干扰；③在特殊地层下曲线段施工，盾构存在超挖现象，为避免地表出现沉降现象，必要选择合理的同步注浆配比、注入压力以及注入量。 O