软弱地层小直径土压盾构垂直姿态辅助纠偏技术

（粤水电轨道交通建设有限公司,广东 广州 510610）

盾构法作为暗挖法施工中的一种全机械化施工方法,广泛应用在城市轨道交通、铁路、公路、水利水电等各类地下空间开发领域。由于掘进过程中盾构承受土压力的不均衡性以及地下土层变化等因素的影响,实际轴线无法与理论轴线保持一致。工程实践表明,盾构掘进过程中时有出现轴线偏差情况,且通过合理控制盾构掘进参数结合注浆技术及其他措施,一般都能有效控制盾构姿态。但是,在软弱地层中,由于穿越土层的低强度、高灵敏度和易触变、流变等特性,地层自稳性极差,加之盾构设备中心靠前,盾构姿态控制问题更是突出,姿态控制困难,越是控制越易造成较大的扰动,甚至盾构整体下沉或栽头的情况,将导致管片应力集中、管片开裂及过大地层沉降等不良后果,严重影响到周边建（构）筑物的安全和隧道质量。本文以某电力隧道工程盾构掘进垂直姿态偏线为背景,探讨了软弱地层小直径盾构掘进垂直姿态辅助纠偏方法,为类似工程的建设提供一定的参考和帮助。

1 工程概况

1.1 工程整体概况

某电力隧道工程项目隧道区间总长2 212.3m,由工作井始发至接收井到达接收,隧洞埋深7.5～17.4m,平面最小曲线半径约为150m,最小竖曲半径为1 000m,最大坡度为58‰。采用∅4 360mm 土压平衡盾构掘进,盾构水平铰接角度最大7.5°,满足水平30m 转弯半径,垂直铰接角度仅0.2°左右,无下俯功能。

1.2 地质水文情况

根据地勘资料,盾构始发后主要在软弱地层中掘进,洞身穿越地层主要为<3-1>粉-细砂层、<3-2>中粗砂层、<3-3>砾砂层,局部为<4N-1>软塑状粉质粘土层、<4N-2B>可塑状粉质粘土层、<5C-2>硬塑状粉质粘土层、<6C>全风化炭质灰岩、<8C-1>中风化炭质灰岩,其中砂层占40.5%,上软下硬地层占10%（表1）。

表1 主要土层物理力学指标

根据盾构始发工作井相近处的详勘孔地质资料,在5.5～13.65m 深度范围的粉细砂液化指数总和为28.3～34.8,属于严重砂层液化,根据设计要求,隧道在通过<3-1>淤泥质粉细砂层后,需在管片壁后进行砂层液化注浆加固处理。

2 盾构姿态偏线情况及原因分析

2.1 盾构姿态偏线情况

盾构自始发至掘进完成400 环的掘进过程中盾构垂直姿态出现两次较大的“下沉”偏线情况。第一次盾构姿态偏线在盾构始发试掘进穿越端头地下连续墙时出现,至38 环位置处达到最大,盾构垂直姿态为切口-1 113mm、盾中-1 177mm、盾尾-1 230mm,与设计轴线垂直偏差达1 237mm。此处隧道埋深12.1～12.7m,隧道洞身主要穿越<3-1>液化粉细砂、<4-2B>淤泥质土层,盾构姿态和所处位置范围地质剖面情况,如图1 所示。第二次盾构姿态偏线在盾构掘进至210环左右出现,在230 环位置左右处到达最大,盾构垂直姿态为切口-178mm、盾中-248mm、盾尾-269mm,与设计轴线垂直偏差达328mm。该处隧道埋深11.4～11.7m,隧道洞身位于<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-3>砾砂及<4N-2B>淤泥质土,如图2 所示。

图1 盾构垂直姿态变化曲线及所处位置范围地质剖面图

图2 盾构垂直姿态变化曲线及所处位置范围地质剖面图

2.2 原因分析

2.2.1 始发结构原因

盾构出洞前,洞门结构施做存在偏差,实际位置向左偏移34mm,向下偏移36mm。盾构始发掘进时根据洞门实际位置调整盾构姿态,使得盾构出洞前形成下坡趋势。盾构刀盘进入端头加固区时,盾体仍作用在始发台架上,无法通过增大主动铰接角度来满足盾构姿态纠偏。

2.2.2 盾构设备原因

盾构设备的质量分布可形象地描述为“头重脚轻”,只依赖掘进推力与工作面的摩檫力不足以维持盾构的姿态,往往盾构自身具有“下沉”的倾向。项目采用的盾构全长98m,总重约300t,其中盾体重174t,盾体长度7.713m,重心偏靠前位于切口后方3.493m。受盾体重心向前及主动铰接推进模式的影响,盾尾向下趋势小于前盾,盾构姿态呈现向下趋势。

2.2.3 地层条件原因

工程所穿越地层的特性和物理指标都大不一样,盾构姿态必定受到各土层物理性质的制约和影响。由于断面内岩层软硬不均,推力及扭矩变化较大,盾构主机有着向地层较软的一侧偏移的惯性。盾构两次垂直姿态偏线情况,一是在始发试掘进阶段,二是在盾构恢复正常掘进期间,由图1～图2 可知,盾构姿态偏线位置隧洞主要穿越粉细砂、下淤泥质土层,为设计规定的液化注浆加固处理区,盾构通过该段区域时其垂直姿态极可能呈向下趋势。考虑到盾构掘进对下卧土层的扰动及注浆加固处理效果的不确定性,无疑加剧了盾构机头下倾的趋势。

3 常用的纠偏方法

3.1 刀盘旋转纠偏

盾构的旋转偏差可通过改变刀盘的旋转方向,形成反方向的旋转力偶进行修正。实际操作过程中,必须根据旋转角的测量数据在一定调整范围内正确选用。

3.2 千斤顶分区控制纠偏

盾构掘进是在千斤顶推力作用下完成的,合理选择千斤顶的作用区域、个数及推力,能保证盾构沿设定的隧道轴线推进。在盾构姿态趋势与线路线型趋势一致的基础上,可通过设置盾构千斤顶作用分区并调整各区压力值来实现盾构姿态的实时调整,使姿态缓慢纠偏靠近设计轴线。

3.3 铰接纠偏

盾构铰接装置可以使盾构前后弯曲,产生一定角度的折角,以适应曲线段掘进,分主动型和被动型两类。当盾构姿态需要调整时,可通过调整铰接装置的铰接角度,使盾构能够向所需要的方向掘进。

3.4 注浆纠偏

盾体周边地层注浆,一方面能减少周围土体的扰动,增强土体的承载能力,提高盾体与周围土体的摩擦阻力；另一方面可利用注浆压力调整改变管片姿态；从而达到增强管片稳定性和盾构姿态纠偏的目的。

4 纠偏方案确定及实施效果

4.1 纠偏方案确定

盾构刀盘进入端头加固区（第一次盾构垂直姿态偏线）,盾体重心在始发台架约3.4m,盾体重力作用在始发台架上,受洞门结构施做偏差影响,通过增大主动铰接角度无法满足盾构姿态纠偏。盾尾脱离端头加固连续墙约2.4m 时,盾体重心向下趋势明显,受盾构防扭转销限制,垂直最大铰接角度仅0.2°,纠偏效果不明显；之后通过优化盾构防扭转销来扩大盾构垂直纠偏范围（使铰接角度可在0.6°范围内调整）,但从图1 盾构垂直姿态曲线和图3 盾构垂直姿态每环变化情况上看,盾构在15～25 环掘进过程中垂直姿态每环变化率在-40mm/环左右浮动,盾构垂直姿态仍呈下沉趋势,并未能有效纠偏。

盾构掘进至210 环左右时（第二次盾构垂直姿态偏线）,通过垂直铰接纠偏取得了一定的效果,盾构垂直姿态每环变化情况有所降低,但盾构姿态仍呈下沉趋势；同时,因盾构姿态偏线范围地面为地铁施工围蔽区域,无法满足地面加固条件,后期通过采取加强洞内注浆、加大垂直铰接角度、调整千斤顶分区及其他盾构掘进参数等措施,从图2 盾构垂直姿态曲线和图4 盾构垂直姿态每环变化情况上看,盾构在掘进过程中垂直姿态每环变化率基本在-20～-10mm/环范围,盾构垂直姿态下沉趋势未能得到有效控制。

图3 盾构垂直姿态每环变化情况（0～30环）

图4 盾构垂直姿态每环变化情况（210～230环）

从实际纠偏效果看,采取上述纠偏措施虽有一定的纠偏效果,但纠偏效果不甚理想,盾构垂直姿态仍呈下沉趋势。为控制盾构姿态和隧道轴线,提出了利用往盾构周边地层定向泵送黏土辅助盾构铰接控制、掘进参数控制、注浆控制等的盾构姿态控制纠偏方法。

4.2 方案实施

方法主要通过在盾构偏线方向地层泵送拌制好的黏土,不断加压填充,以增强盾构偏线方向地层土体的承载力和作用,辅助盾构主动铰接控制、掘进参数控制、管片壁后注浆控制等措施进行盾构姿态调整及控制。

1）黏土定向泵送 根据盾构偏线情况,在盾构前盾底部5、7 点位设置2 个注入孔。盾构在向前掘进的同时,在5、7 点注入孔一起定向注入拌制好的黏土,每向前推进200mm,注入压力达到3MPa 时,稳压10min,黏土泵送量要求能够满足掘进机纠偏要求；一次泵送压力和黏土泵送量不能过大,避免过度纠偏。在泵送过程中,每注入0.03m3或每掘进200mm 测量一次盾构姿态,每掘进一环测量一次地表沉降。黏土在现场或者隧道内采用立式搅拌桶拌制而成,拌制过程中密切关注黏土状态,黏土含砂率不大于1%,砂的细度模数为1.6～2.2,平均粒径不大于0.25～0.35mm。

2）盾构掘进参数控制 根据地质资料,预判并不断优化调整盾构掘进参数。在软弱地层采用不转动和低速转动刀盘的方式掘进,减少对地层的扰动。盾体仰角略大于比设计轴线,盾构推力控制在5 000～19 000kN,刀盘扭矩控制在300～1 500kNm 范围,土仓压力维持在100～230kPa。严格控制盾构排土量,采用滞排土模式推进,盾构每环理论土方量为14.9m3,根据实际改用渣土斗计量及控制出渣量,提高土仓压力,减少盾构推进对地层的扰动。

3）盾构垂直铰接控制 对盾构防扭转销不断优化调整,通过垂直铰接角度,改善铰接纠偏范围及效果,经优化垂直铰接向上角度达到0.75°,可满足300m 竖向转弯半径。

4）同步注浆及二次注浆 确保同步注浆及时且饱满,同步注浆理论方量1.7m3,根据掘进经验,每环注浆量应不少于4.5m3,每一环的注浆方量都进行严格管控,确保注浆量饱满；同时对于出土略有异常的位置,盾尾到达时加大注浆量,做到及时填充和闭合。必要时及时在管片相应位置进行二次补浆,以达到盾体周边土体挤压密实的目的,提高土体承载能力。

4.3 纠偏效果

通过采取上述盾构姿态控制辅助纠偏方法,实施效果良好,纠偏前后盾构垂直姿态变化曲线及过程中每环变化情况如图5～图7 所示。从图中可以看出,在第一次盾构姿态偏线及纠偏实施过程中,盾构在掘进至25 环左右位置时盾构偏线下沉趋势得到控制,垂直姿态每环变化率开始由负转正并在之后基本维持在0～30mm/环,在38环位置盾构垂直姿态开始向上纠偏,掘进至143环位置盾构垂直姿态纠偏至隧道轴线设计范围；在第二次盾构姿态偏线及纠偏实施过程中：盾构掘进至230 环左右时,盾构垂直姿态变化情况由方法实施前的-20～-10mm/环降低至-6～3mm/环,垂直姿态下沉趋势得到有效控制；之后盾构在掘进过程中每环垂直姿态变化情况平均在+3mm/环左右,盾构垂直姿态开始得到往上纠偏,盾体与隧道设计轴线垂直偏差逐步减小,在掘进至290 环左右时成功纠偏至隧道轴线设计范围。

图5 盾构垂直姿态变化曲线（0～400环）

图6 盾构垂直姿态环变化情况（0～160环）

图7 盾构垂直姿态环变化情况（210～330环）

5 结语

1）提出了软弱地层小直径土压盾构隧道掘进姿态辅助纠偏技术,有效解决软弱地层盾构掘进垂直姿态控制难的问题。实施结果表明,通过定向泵送黏土辅助纠偏,盾构姿态得以控制,隧道轴线得到了有效保证,保障了盾构施工安全及质量。

2）根据已完成隧道施工情况,盾构掘进姿态控制是一个动态的过程,受地层因素影响大,不可能在一环或几环内完成姿态纠偏。考虑后续电力隧道与地铁隧道存在多处交叉施工,应根据各段地质情况对各项掘进参数不断调整,因地制宜采取合适有效的纠偏方法或措施。