沈阳砾砂及圆砾地层土压平衡盾构掘进施工技术

2018-02-14张士民ZHANGShimin

建筑机械化 2018年9期

张士民/ZHANG Shi-min

（中铁上海工程局集团市政工程有限公司，上海 200331）

随着盾构法隧道施工技术在设计理念、施工方法和盾构设备的进步，其成为软弱地层中修筑隧道和管道等工程的主导技术，因地层地质、含水量、密实度、强度等各种因素的不同，在盾构选型、掘进参数以及其他施工技术上都有所区别。本文通过对沈阳砾砂、圆砾地层掘进情况分析，对盾构掘进技术进行总结。

1 工程及设备概况

沈阳地铁10号线万泉公园站～泉园一路站盾构区间全长1 561.137m，开始76.197m采用矿山法施工，其余为盾构法施工。根据地勘报告，盾构区间穿越地层主要为④-4砾砂、④-5圆砾、⑤-4砾砂、⑤-5圆砾、④-3中粗砂，基本为中密～密实，砾砂地层矿物成分以石英、长石为主，圆砾地层以砂岩、花岗岩、结晶岩为主，标准贯入试验平均值在30左右，重力触探试验平均值12～14。

设备型号：CTE6250E-1200，被动铰接。

刀盘开挖直径：∅6 280mm。

盾体直径：前盾∅6 250mm，中盾∅6 240mm，尾盾∅6 230mm。

驱动系统：电驱，∅3 000主轴承，驱动功率1 200kW，6组电机，主驱动的额定扭矩为5 770kNm，脱困扭矩为7 200kNm，a系数为23以上，额定转速为2.64rpm，最高转速为4rpm。

总推力：3 700t，30根 20组 200/180-2 150mm推进油缸。

总铰接力：1 285t，18根180/80～150mm铰接油缸，并增加高低压切换系统。

螺旋机直径：∅750，轴式，尾部中心驱动。

泡沫改良系统：4路单管单泵泡沫，4路都可到达掌子面。膨润土改良系统：1台15kW膨润土挤压泵，能力分别是20m3/h，2路可达到掌子面。盾壳膨润土：1台7.5kW的膨润土挤压泵，中盾及尾盾各有6个注入孔。

2 砾砂及圆砾地层掘进时土压控制

沈阳典型砾砂、圆砾地层，具有一定的自稳性，掘进施工过程中即使形成空隙短期时间内在自然拱的条件下不会沉降、塌陷。此种地层盾构掘进的主要特点是欠压掘进。大部分砾砂、圆砾地层掘进，一般地表沉降不容易控制，采取满仓保压掘进模式。而沈阳的砾砂、圆砾地层，尤其是埋深较大（隧道顶埋深18m以上）的地层，如果采取满仓保压模式掘进，则掘进速度非常慢，极易凝结“泥饼”，且对刀盘磨损很大。

欠压不代表不保压，正常的做法是：计算的上部水土压力1.5bar，掘进时上部土压保持在0.5～0.8bar，掘进完成前最后几厘米将上部土压保到1.6～1.7bar，以保证停机时的地层稳定。

3 始发段管片上浮原因分析及控制措施

3.1 始发段管片上浮现象

衬砌管片脱离盾尾后，管片上浮是盾构隧道施工过程中普遍存在的问题。直径6m左右的盾构隧道管片上浮量一般在0～60mm之间，但有些情况下局部地段上浮量超过了限定值100mm，引起衬砌结构侵入建筑界限。本工程施工中，尤其是始发段，发生了管片上浮量较大的不良现象。即盾构推进时，盾构姿态与设计轴线比较，基本控制在轴线下0～30mm，但后面管片测量时，发现管片上浮量较大，连续几十环在轴线上方40～60mm，对施工造成困扰。

测量结果显示，盾构的姿态显示是正确无误的，管片在脱离盾尾前有少量的上浮，即下坡段上部的盾尾间隙小；管片脱离盾尾后的几环，管片上浮量是逐步增大的；大概2天后管片上浮量基本固定，只有微量变化。管片上浮主要发生在管片脱离盾尾到掘进后2天的时间段内。

3.2 始发段管片上浮原因分析

始发段管片上浮较大的现象对施工造成极大困扰，针对这一状况，项目部主要从地下水浮力、盾构姿态、同步注浆浆液性能、管片螺栓复紧等方面查找原因。通过一段时间的试验，管片上浮的主要原因如下。

1）地下水作用力砾砂地层水渗透系数大，属强透水层，相当于盾构掘进完成后，管片外侧的建筑间隙充满水（或浆液），管片处于悬浮状态。那么管片在悬浮状态下受到的浮力是多少呢？以本项目管片设计参数为例计算：管片外径6 000mm，厚度300mm，宽1 200mm，则一环管片自重G=161kN（混凝土密度按照2.5t/m3计算），一环管片所受到的浮力F=339kN（管片排开水的体积33.9m3），F＞G。管片受到的浮力大于本身的自重，在全断面地下水（或未凝固的浆液）的工况条件下，管片本身就有上浮的趋势。

2）同步注浆浆液性能上一条提到了管片在未凝固的浆液中浮力大于自身重力，管片有上浮的趋势。管片壁后同步注浆的浆液性能对防止地层变形、管片上浮都有非常大的影响。理论上要求同步注浆浆液性能应满足：①具有充填性能；②具有一定的和易性且不离析；③尽早凝固（理论上越快越好，不考虑凝固太快极易造成堵管）；④合适的稠度，以不被地下水稀释。但考虑到堵管、原材等各方面的原因，同步注浆的浆液质量达不到理想的性能指标。浆液的初凝时间在10h左右、浆液配合比不合适造成离析和被水稀释等。由于浆液离析，电瓶机车水平运输造成的震动进一步加剧离析，易于沉淀的砂沉到管片背后间隙的下部，推着管片上移，是管片上浮的又一原因。

3）盾构反向推力盾构姿态、盾尾姿态与管片姿态，这3个姿态在掘进过程中不可能完全重合，存在着一定的夹角。始发段是下坡，在自稳性较好的砾砂地层下坡掘进，推进系统的上部分组压力不一定小于下部分组压力，甚至会大一些。在下坡段掘进时，盾构推进系统的推力方向本身就是“斜后方并向上”，根据力学原理，推进力可分解为一个水平方向和一个竖直方向的分力。管片在竖直方向分力的作用下向上位移，最终表现为管片在高程方向的上浮现象。

4）管片螺栓复紧。成型管片环向和纵向都是以管片螺栓连接，管片前期在同步注浆浆液凝固前的固定就依靠管片螺栓。管片螺栓松动，加剧管片错台和上浮。

3.3 始发段管片上浮控制措施

针对始发段管片上浮问题，查找原因，并提出相应的控制措施，有效控制管片上浮现象。

1）适当的注浆方法考虑地下水（未凝结的浆液）的原因，只要管片浸泡在盾构掘进形成的建筑空间内的“液体”(地下水、浆液)内，管片就永远存在上浮的趋势。由于管片螺栓的刚性固定作用，管片刚脱离盾尾的2～3环长度内，由于受到盾尾的约束力，管片不会上浮。这时只要浆液及时凝固，管片上浮的趋势就会被遏制。从浆液的凝固时间上，同步注浆系统注入双液浆，可使浆液尽快凝固，遏制管片上浮。但国内生产盾构大部分都是注入的水泥砂浆，设备本身性能上不满足此项要求。要求浆液在尽可能短的时间内凝固，就要在水泥砂浆性能上和注入方式上来解决问题。一是调整合适的水泥砂浆配合比，增加浆液的和易性、降低离析，初凝时间控制在4～6h；二是掘进过后，及时在盾尾后5～10管片上部进行二次注浆（双液浆最好）。

2）控制盾构参数掘进日进尺过快，与同步注浆浆液的快速凝结是矛盾的。掘进速度快，同步注浆浆液不能及时凝固，管片悬浮造成上浮现象。因此，同步注浆采取水泥砂浆的盾构设备，掘进速度一定要控制，每天8～12环为宜。盾构过量的蛇形运动势必造成频繁的纠偏，这个过程就是管片环面受力不均的过程，极易造成盾构姿态、盾尾姿态、管片姿态的不匹配，造成管片竖直向上分力的加大。掘进过程中必须控制好盾构的姿态，尽可能使其沿设计轴线前行，若发生偏差，纠偏时不能猛纠急纠，人为造成管片环面受力不均。

3)管片螺栓复紧盾构掘进施工中，采取管片螺栓三环复紧措施。管片螺栓复紧措施人为控制因素很大，这就需要经常性的检查，确保措施到位。为了防止管片螺栓松动，要求现场从刚拼装成环的管片到一号拖车操作室前的所有螺栓全部复紧。另外，需要注意的是管片螺栓直径问题，若螺栓直径小于设计直径，螺栓穿入管片的螺栓孔后，间隙量比较大，紧固后的螺栓极易松动，造成错台、上浮。

4 盾尾铰接拖拉故障

盾尾铰接为被动铰接，18根∅180/80～150mm铰接油缸，总拉力1 285t。为减小盾构的总推进力和铰接拉力，安装了盾壳膨润土注入系统。万泉公园站～泉园一路站盾构区间施工过程中，发生多次盾尾停滞无法掘进的状况，即除盾尾外的主机部分在推进力的作用下可以向前推进，但盾尾铰接压力达到最大值设定400bar，铰接油缸持续伸长，而盾尾无法前行，致使掘进施工停滞。具体施工情况如下。

1）左线施工在盾构掘进完成197环时，设备故障停机约10h，恢复掘进时，盾尾铰接压力持续最大设定值400bar，盾尾停滞。后来将4根铰接油缸更换为厚度60mm的钢板硬连接，才得以脱困。之后的掘进施工，多次出现盾尾铰接压力达到400bar的情况，对掘进造成比较大的影响。原因分析：通过现场掘进情况以及沈阳其他标段的了解，前期发生这种状况的原因主要是盾尾没有安装止浆板，砾砂、圆砾地层埋深较大的条件下有一定的自稳性，同步注浆时有向前的通道，浆液包裹在盾尾壳体外部，增大摩擦阻力；其他方面如浆液配合比、注浆压力、注浆量等发面也有一定的影响。

2）右线施工盾构右线始发前，盾尾尾部安装了止浆板，前期掘进趋于正常，掘进600多环后开始出现盾尾铰接拖拉故障，压力持续最大设定值400bar，致使推进停滞。处理措施还是拆除铰接油缸更换为60mm厚钢板进行硬拖拉，最恶劣的情况是，60mm厚钢板被拖拉变形，更换80mm厚钢板，由于铰接销轴直径是固定的，为了增大受力，在铰接油缸更换的钢板受力后，停机将钢板与铰接座子进行焊接，整体受力。原因分析：通过左右线的掘进，盾尾铰接拖拉故障致使掘进停滞，原因主要有以下几个方面：①盾尾止浆板的安装与否以及质量问题；②注浆压力和注浆量的过分饱和，造成浆液对盾构壳体的外壁包裹过紧，摩擦阻力加大；③曲线段盾构掘进姿态不良，地层自稳性较好的情况下，盾尾与地层干涉大，阻力大。