成都地区泥岩盾构掘进常见问题及处置方法

俞丰平 （中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000）

成都地铁在骨干线路日趋完善后，市区加密线路开始修建，随之线路埋深也进一步加深，盾构施工地层由富水砂卵石地层向泥岩地层转换，泥岩地层盾构施工虽摆脱了滞后沉降、卵石卡刀盘、沉仓等砂卵石地层常见问题，但随之也带来新的问题，例如刀盘结泥饼、管片上浮、盾构掘进姿态异常等问题。

1 泥岩地层的特性

成都地区分布的软岩为白垩系中统灌口组(K2g)泥岩。泥岩具有如下4个特性。

1.1 软岩，遇水软化

通过查询资料，强风化泥岩抗压强度为1.28MPa，软化系数为0.18；中等风化泥岩的饱和抗压强度为3.49MPa，软化系数为0.21；微风化泥岩的饱和抗压强度平均值为8.31MPa，软化系数为0.31。由此可见，无论强风化泥岩还是微风化泥岩均属于极软岩和软化岩石。

1.2 微膨胀性

根据地勘报告显示，泥岩为弱膨胀岩，室内试验统计，泥岩的自由膨胀率18%，膨胀力39.2kPa。

1.3 基岩裂隙水

富含基岩裂隙水，水量主要受裂隙发育程度、连通性及裂隙充填特征等因素的控制，水量一般不大，局部地段水量丰富。

1.4 粘土质矿物

泥岩的主要矿物成分为粘土质矿物。

2 刀盘结泥饼

2.1 主要现象

盾构在推进过程中，出现慢速、低扭矩、大推力，渣温高，在正常加水的情况下，出现喷涌，出渣不连续，渣样呈磨碎状。

2.2 典型案例：

成都地铁7号线某区间在掘进第325环开始，盾构机推进过程中出现持续喷涌现象，喷涌现象较为严重，喷涌压力较大掘进速度在5～20mm之间波动频繁。盾构掘进推力大，达到1800t左右；掘进速度慢，不到2cm/min;扭矩低,平均只有2500kN·m。开仓后发现刀盘中心区已结泥饼，周边开口部分结饼。

2.3 原因分析

泥饼的形成主要受矿物颗粒间的粘结力、压力、温度等的影响，在泥岩地层盾构施工时，刀盘将土体切削成大小不一的碎块和碎屑，在遇水软化崩解后，渣土中细颗粒增加，依靠表面吸附力吸附于刀盘表面和土仓壁上，特别在中心部位，开口小，线速度低，更易形成泥饼。

2.4 解决方法与预防措施

①对已出现轻微结饼的，可采取分散性泡沫进行渣土改良，同时加大用水量，适当降低仓位，促使渣土快进快出。

如情况仍未好转，在推进过程中，在膨润土箱中加入水：分散剂=10∶1的混合液注入土仓，减少渣土的粘聚力。

情况持续恶化的情况下采用纯分散剂或者剥离剂泡仓。

②在结饼严重的情况下，直接开仓进行处理。

2.5 预防措施

①在粘性颗粒较多的泥岩地层原液比例2%～3%、膨胀率10～12倍、流量300L/min左右。

②通过刀盘前方加入大量水，改良渣土的流动性，一般流量选择中心8～12m3/h，周边4～6m3/h。同时利用土仓壁上的刀盘加水，对仓内的渣土进行冲刷。刀盘前方的加水量和土仓内加水量控制在2∶1左右的比例。

③适当提高刀盘转速至1.7～1.8转，控制掘进过程中贯入度，由于18寸滚刀高度为187.7mm，焊接撕裂刀的高度为150mm，刀高差37.7mm，因此贯入度控制在40cm以内。

3 管片上浮

3.1 主要现象

成型管片在脱离盾尾，脱离台车后发生上浮现象，上浮量超过3cm以上，部分可达8～10cm。

3.2 典型案例

成都地铁某盾构区间5d内4次测量成型管片垂直姿态，最高上浮115mm。

3.3 原因分析

盾构开挖直径为6304mm，盾尾直径为6230mm，管片外径为6000mm，因此开挖与管片间存在152mm的空隙。而泥岩地层又有一定的自稳性，空隙未能被地层填充。拼装完成的管片处于地下水和浆液的浸泡中。即使在同步注浆跟上的同时，初凝的6～8h内，管片处于一个活动状态。

3.4 解决方法及预防措施

①控制盾构掘进姿态，后点垂直姿态根据总结的管片上浮量，有意识的控制在负值，一般取-40～-20mm左右。

②脱出管片后3～5环及时进行二次注浆，二次注浆采用双液浆，注浆点位为上部，错开封顶块，注浆方量一般控制在0.3～0.5m3。

③做好螺栓复紧工作，3次或多次复紧。

④调整同步浆液凝结时间，采用高密度、良好充填性，体积收缩率低，保证浆液不分层、不离析。优先选择上部注浆管路进行注浆。

⑤对于长下坡的隧道，间隔15环～20环全环注浆，形成环箍，切断后方可水源补给。

⑥采用定位隼或者槽钢拉结的方式，让管片形成整体，增加自重。

4 长时间停机后姿态控制困难

4.1 主要现象

长时间停机后盾构恢复推进，推进油缸正常压差条件下，盾构姿态不受控制，调整分区油压后仍然不受控。推力增加，特别是铰接压力上涨较快。

4.2 典型案例

成都地铁7号线某区间，由于春节停机放假，盾构机于2015年2月5日掘进至326环停机，停机时水平姿态前点+9，后点+2，趋势+1。2015年2月25日恢复掘进（停机20d），恢复掘进后盾构机水平姿态一直向曲线外侧发展，每环变化速率约7～10mm/环，掘进至335环，水平姿态变化为前点-46，后点-8，趋势-8mm/m。在采用增加左右千斤顶油压差的措施情况下盾构机水平姿态继续向曲线外侧发展，盾构机姿态仍无法控制。

4.3 原因分析

造成姿态控制困难的主要原因为开挖后围岩松弛，另外泥岩的微膨胀性导致盾体受到束缚，同步注浆浆液在长时间停机后凝固，与盾构机壳体形成一体，从而开挖轮廓无法满足盾体通过的要求。

4.4 解决方法

①优化管片选型，使隧道轴线、盾构机轴线、管片轴线三线一致，必要时选用1.2m管片，加快调整速率。

②加大上下油压差，在特殊情况下，可拔除电磁阀或增加辅助油缸，进一步加大油压差。

③做好盾构润滑工作，可通过中盾径向孔注入膨润土或油脂，减少盾尾与地层的摩擦阻力。

④开仓增加超挖刀，用撕裂刀替换最外侧的滚刀，一般替换两把，扩挖半径较之前增加约5cm。

4.5 预防措施

①对停机地点应提前进行筹划，停机前3环，同步注浆液调整为惰性浆或者膨润土，避免盾尾包裹。

②在停机期间，应适当向前掘进，可选择1d向前掘进20cm～40cm，避免长时间围岩松弛和膨胀力将盾体裹住。

③在停机时，通过中盾径向孔注入膨润土，润滑盾体。

④在停机后恢复推进阶段，应高度关注姿态的变化，及时调整掘进参数。

上述为泥岩地层常见的主要问题及处置方式，盾构推进是一个动态的过程，很多问题的出现是有诸多征兆的，在推进过程中，我们更应该关注细节和参数的变化，从变化中寻找规律，从规律中寻找解决办法。