极软流塑地层盾构施工技术研究

郑剑锋/ZHENG Jian-feng

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

极软流塑地层是指标贯值＜5、液性指数＞1的地层，在该工况下地铁盾构施工，变形控制难度大，容易出现上浮、姿态偏离、收敛超限、沉降过大等问题，对既有结构也会产生不同程度的影响[1～2]。极软流塑条件下盾构施工已经有很多学者开展了不少研究，取得了大量的成果。卓旭炀[3]通过填充高风险范围内的溶洞、对软塑红粘土层进行加固以及在岩面倾斜过大的地方增设抗滑桩等措施有效防范了软塑土隧道下沉风险。宁纪维等[4]结合淤泥质地层的特性，采取设定油缸压力等措施，将盾构机的偏差控制在合理范围之内；舒瑶等[5～6]分析了管片上浮机理，认为可等效梁模型的上浮量计算结果与既有现场反馈的实测数据相结合来预测上浮及检验施工参数的合理性，从而指导盾构施工。董赛帅等[7]等分析了盾构隧道掘进过程中管片上浮的机理，提出了施工过程中盾尾后方管片上浮的对策和针对性措施。季昌等[8]通过施工试验段数据分析了不同因素对管片上浮的影响规律。叶俊能等[9]通过对施工中的管片结构形式分析，认为管片结构形式对施工期容许上浮量影响很大。张君等[10]根据管片受力状态和受力情况，将管片上浮原因归为四大类。上述文献对盾构在软塑层地层工况下的施工开展了一定研究，但是大部分集中在盾构上浮及其机理方面，对管片开裂、渗漏水及盾尾形变等涉及较少，本文结合杭州地铁车站盾构在极软塑地层施工案例，在分析管片上浮及其控制措施的基础上，对管片开裂机理及防治措施和盾尾形变控制措施进行了详细的归纳，具有较强的推广和应用前景。

1 工程概况

杭州地铁SG5-8 标三坝村站～益乐路站区间盾构区间左右线区间长度均为1 313·994 m。盾构穿越土层主要为：④2 淤泥质粉质粘土夹粉土、⑥1 淤泥质粘土夹粉土、⑥2 淤泥质粉质粘土。其中⑥2 层淤泥粉质粘土土层标贯值为1·8～4·1（平均2·6)，属高含水量（39·6%)，高压缩性，低强度，低渗透性的饱和极软流塑土层，具有较高的灵敏度和触变特性。在施工过程中，区间上行线隧道环破损率高达69·4%，下行线环破损率为71·2%。区间地质条件极其复杂，其中88%区段处于小半径圆曲线及缓和曲线上，89%区段需穿越⑥2 层淤泥质极软流塑地层，54%区段处于大坡度或大坡度变坡阶段，同时地表沿线基本均为重要建（构)筑物、河流。

2 盾构在极软流塑地层中施工难题

2.1 盾构施工上浮问题

盾构隧道主要穿越砂质粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土等土层，施工过程中出现了4 次较大的上浮，上浮位置分别位于“100～170 环”、“215～246 环”、“299～325 环”和“354～372 环”4个区段。具体上浮情况如图1 所示。

图1 停机状态下上行线部分盾构上浮数据

2.2 管片破损、渗漏

通过对现场管片破裂情况统计分析，管片破损部位主要发生在内弧表面的弧部，尤其是隧道上半部与后一环封顶块相接部位最为突出，隧道腰部（B2)纵缝之间破损率相对较小。

盾构上浮之后，导致管片和盾构机姿态之间吻合度差，不能良好匹配，使得在盾构推进时，千斤顶不能垂直密贴管片，以至于出现导致管片开裂、破损的径向分力（图2)。

图2 管片破损部位示意图

2.3 盾尾形变

在极软流塑地层施工遇到大大坡度转弯时，由于盾构机的下部空间狭小，长期承受较大压力，同时由于盾构机尾部的组装焊接方式，导致前期大坡度施工时出现了盾尾横竖差为3·1cm（上行)、1·3cm（下行)。在后续施工中盾构尾部变形持续增加，上下行盾尾横竖差分别达到4·2cm和3·8cm，上浮和盾尾变形交替影响，使得盾构姿态控制难度更大。

3 极软流塑条件下盾构施工控制技术

3.1 大坡度、极限小半径状态急转弯线型掘进

1)做好管片型号调整 受条件限制，区间局部转弯半径较小，仅有304m，很容易出现错台、破损等问题。同时该项目采用的管片仅有不足50mm 的楔形量，导致施工控制更加困难。因此实际施工时必须做好转弯位置的管片定位和选择，以确保有足够的条件实现盾构姿态控制和间隙预留的要求。

2)控制好姿态 在进入曲线段之前调整好盾构机姿态，然后采用低扭矩、小推力、慢速的方法推进，从而减小推进对管片和地层的扰动。

3)把控注浆措施 同步注浆参数和时机要严格控制，这样可以有效地降低地表沉降。同时要把控好向圆曲线外侧二次注浆压力，以有效平衡推力，建设盾构外偏移量（图3)。

图3 盾构转弯时注浆示意图

3.2 盾构上浮原因分析

极软流塑土层流塑性大，甚至会像液体一样给其中的盾构提供很大的浮力，当浮力大于盾构机自身重力，盾构本身无法提供抗力而导致上浮。尤其是复杂工况下盾构掘进过程中姿态控制需要频繁调整，使得盾构机掘进时蛇形前进，超挖量更大，这就更加增加了盾构和管片上浮的可能。

3.3 盾构上浮及管片破损开裂控制措施

3.3.1 掘进前控制措施

1)盾构增重 增重即提供向下分力即提供一个向下分力。本项目施工时在中盾位置增加了一个重达20～30t 配重铁块，在一定程度上增大了向下的分力，以有助于减缓盾构机上浮。

2)上超控制 根据施工经验，上超出现时为避免上超力过大而导致出现过大反力，项目部施工时在上部千斤顶上方增加钢楔形块以增加上部压力，实现既能满足推力又能保证盾构不出现上浮。

3)贴超控制 贴超一般都是通过设置石棉板来改善受力状况，提高缓冲阻力，达到减少管片破裂的目的。

3.3.2 掘进中控制措施

1)推力分配 推力分配主要是通过一定的手段减小推力差以有助于降低管片局部压力差，提高施工后的管片质量。

2)减小推力 上浮段地质情况复杂，调整盾构施工姿态很难达到施工要求，此时最好采用减小推力进而控制掘进速度的办法来控制掘进线形，达到满足设计要求的目的。同时可考虑注入膨润土等减阻措施提高纠偏效果。

3)同步注浆 同步注浆的配合比是控制施工质量的关键，在该种地层条件下应该增加水泥和砂的用量，提高浆液的粘稠度。

4)姿态控制 此时盾构姿态控制首先是降低速率，然后通过增加上浮量、提供姿态监控密度等措施来达到，“早纠、勤纠、勤复测”的目标。

5)土压力 当发现盾构有上浮征兆时，提前通过降低推力进而降低土压力的方法来减小因姿态调整而导致管片破损情况的出现。

3.3.3 掘进后控制措施

1)二次注浆 本项目采用跟踪二次注浆，在注浆的同时将盾尾10 环通过环箍固定在一起，以保证管片稳定，降低了纠偏时管片上浮的可能性。

2)管片拼装 掘进时，每环都要提供足够大的拼装空间，这样既能保证管片拼装质量，又减少对临近管片的破坏。拼装时，首先要保证管片首先拼装块的位置精确性，这样才能保证后续管片位置的精确性。

3)管片复紧 为有效提高管片的拼装质量，拼装时要按照初次拧紧、推进一定距离后再次复紧的方式施工。复紧施工时要确保复紧力度符合要求，防止因受力不均而出现管片破坏。

3.4 管片开裂钢环加固措施（图4）

图4 管片加固示意图

本项目钢环宽度为800mm 环向分为10块，NO·1、NO·2、NO·3 长度为2 000mm，NO·4～NO·10（共7 块)长度为1 610mm，纵向分为宽400mm 的两块组成。加固主要按以下原则进行：①裂缝宽度大于0·3mm；②管片有贯通裂缝；③管片错台大于20mm；④水平收敛大于60mm；⑤剥落深度超过保护层厚度出现钢筋裸露。

4 结语

地铁盾构在复杂工况下极软流塑地层中施工案例较少，经验不足，对该地层的复杂性和风险性的认识深度也不够，通过对该项目在极软流塑地层盾构施工防盾构上浮、管片开裂和加固及大坡度、极限小半径状态急转弯线型施工经验总结，得出以下结论。

1)考虑到极软流塑土层的特性，为有效控制盾构上浮及其造成的管片开裂，可采取增加盾构机重量或配重的方式来克服力学平衡的临界点，同时刀盘开口率较大更能适应此种地层。

2)极软流塑地层隧道变形较大，增加盾构施工的数据监测，做好风险预控，是保证盾构在该种地层安全施工很有必要的措施。