浅析大直径土压平衡盾构泥岩地层施工技术

李振军

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000）

1 项目简介

1.1 工程概况

成自铁路锦绣隧道盾构施工采用1 台复合式土压平衡盾构机，开挖直径为12.79m，隧道管片外径12.4 米，内径11.3 米，幅宽1.8 米，管片厚度0.55 米，衬砌环由9 块管片组成，采用通用环管片拼装，管片楔形量为65mm。

盾构施工物料运输采用连续皮带机+无轨运输方式，隧道最小转弯半径为654 米，线路纵坡设计为“V”字坡，纵坡最大坡度为-30‰，盾构隧道主要穿越地层为弱风化泥岩（天然单轴抗压强度3.7～19.3Mpa，平均7.9Mpa），部分为强风化泥岩层。(如图1 所示)

图1 地质剖面图

1.2 盾构机情况

隧道采用铁建重工生产的大直径土压平衡盾构机，采用复合式刀盘设计，开挖直径12.79m（配有两把超挖刀，超挖直径12.89 米），刀盘设计开口率40%，注入口16 个，刀具配置主要有80 把滚刀、108 把切刀；盾体采用锥形设计，前盾直径12740mm/中盾直径12725mm/盾尾直径12710mm；盾尾间隙40mm（不含盾尾刷护板厚度45mm）；盾构机无铰接设计，设计转弯能力为半径600米；推进油缸采用分6 区25 组双缸设计，最大行程3米。

2 小曲线半径姿态控制纠偏

2.1 盾构水平姿态左偏情况

盾构机在隧道DK3+689.9 (正45 环) 处开始以R=654m 进入右转曲线半径，此处的地层为强风化泥岩15-1（W3，强风化泥岩，约占比26%）和弱风化泥岩15-1（W2，弱风化泥岩，约占比74%）中，盾构姿态开时相对设计轴线向左偏移，且向左趋势逐步增大，水平姿态。（如图2 所示）。

图2 盾构机水平姿态

2.2 姿态左偏原因分析

2.2.1 管片选型可能存在问题，导致右侧盾尾间隙过小，盾尾无法向左摆，导致盾头向右摆困难；

2.2.2 按照成都泥岩地层盾构施工经验，由于前期中盾未注泥，盾尾可能存在包裹现象；

2.2.3 盾构设计本身转弯半径不大，现掘进654m 圆曲线半径，给出的余量较小。

2.3 理论模型纠偏分析

2.3.1 按照前盾最前端盾尾最后端在设计隧道中心线上，盾体中心距离设计隧道中心线偏差为29.9mm；

2.3.2 管片中心在盾尾中心，推进油缸行程差为3719.3-3604.6=114.7mm；理论上推进油缸行程差为114.7mm 才在理论中心上；

2.3.3 圆曲线654m，1 米所需楔形量为18.96mm，1 环管片理论所需楔形量为34.13mm，如果为转弯环与直径环比值为1.1:1；

2.3.4 假设盾尾最后端为管片中心，管片前端面与后端面都在设计隧道中心线上，此时盾尾最后端管片间隙为标准间隙，管片前端面左侧间隙比右侧间隙差值为-16mm。如果管片前端面上再拼装1 环管片（即盾构掘进完成再拼装1 环管片），此环管片前、后端面假设还是在设计隧道中心线上，此时拼装的管片前端面左侧间隙比右侧间隙差值为-40.4mm。[1]

总结：为了保证盾尾刷处（盾尾最后端）管片间隙在标准间隙，盾构掘进完成时管片前端面左侧间隙比右侧间隙小16mm，盾构掘进完成并拼装管片完成管片前端面左侧间隙比右侧间隙小40.4mm。

2.4 姿态控制纠偏措施

2.4.1 控制左侧分区推进油缸压力最大化，屏蔽右侧分区油缸，并采用间歇性推进方式，推进过程中，每推进50cm，左侧千斤顶分组卸力后再掘进；

2.4.2 控制盾构机左右分区推进油缸行程差不小于114.7mm（左侧大于右侧）；

2.4.3 启用超挖刀功能，控制超挖量为50mm，采用全断面超挖；2.4.4 降低盾构机推进速度，尽量控制在15mm 以内。

3 管片错台控制技术

3.1 管片拼装错台原因分析

3.1.1 盾构掘进姿态控制

盾构在进入R=654m 右转弯曲线段时，盾构机姿态难以控制，以每环10～20cm 的左偏移，并最大向右偏移200mm 以上，期间过程出现管片错台；为尽快控制姿态，盾构掘进姿态纠偏过快，每环掘进向右纠偏量达到10cm以上，纠偏过程出现错台。[2]

3.1.2 管片拼装过程中产生

管片在拼装过程中，管片选型不当，管片中心与盾构机中心不一致，或拼装出现椭变，管片与盾尾间隙发生挤压，产生错台；盾尾清理不彻底，首块管片定位困难，或管片螺栓难以穿进，造成错台。

3.1.3 管片拼装后产生

盾构在泥岩地层中掘进，弱风化泥岩地层围岩比较稳定，在盾构掘进速度较快时砂浆无法快速固定，造成管片错台，尤其在隧道管片的上部会发生连续的跌落错台。

3.2 管片错台防治措施

3.2.1 施工参数的控制

掘进过程中出现姿态纠偏过程中，一定控制掘进参数，姿态纠偏不易过快，要勤纠慢纠，正常每环纠偏量控制在2～4mm 为宜；管片点位的选择，根据姿态及盾尾间隙合理选择管片的点位，避免出现盾尾卡管片现象，保留一定的间隙调整，盾尾间隙控制在2～4cm 为宜。[3]

3.2.2 管片拼装过程控制

采用定位隼直螺栓拼装，每环管片使用3 根纵向螺栓，定位隼套穿在直螺栓，定位管片手孔，减小管片环间错台，定位隼安装如图；管片螺栓进行3 次复紧，拼装前螺栓紧固，推进过程中进行第二次复紧，脱出盾尾后进行第三次复紧；加强管片拼装人员管理，提高拼装手的技术水平，严格按照操作规程操作。（如图3 所示）

图3 定位隼

3.2.3 管片拼装后控制

严格控制同步注浆质量，采取注浆压力及注浆量双控，脱出盾尾及时补注砂浆，保证管片壁后填充饱满，及时固定管片；管片脱出盾尾后采用二次注双液浆，或在管片腰部以上实施管片固定桩作业，防止管片上浮引起错台。[4]

4 同步注浆及二次补浆、同步化学浆液施工技术

同步盾尾注浆为及时填充盾尾间隙，防止因盾尾间隙的存在导致地层发生较大变形，盾尾脱离管片后，土体与管片存在间隙，此时浆液迅速填充空隙，可大大减少土层的移动，从而减少地表的变形。注浆效果的质量往往因填充不密实，导致管片上浮；注浆压力过大，砂浆容易击穿盾尾刷，导致盾尾漏浆，或砂浆包裹盾尾，导致盾构姿态纠偏困难。[5]本项目就针对同步注浆施工作业，对同步注浆进行了改进，增加了同步注浆+二次补浆及同步注浆+同步化学浆液优化，及保证了注浆量，又缩短了砂浆凝固时间，起到及时包裹管片作用。[6]

4.1 同步注浆+二次补浆。在同步注浆泵出口处，设置三通，其中一路为正常了盾尾同步注浆，另一路为通盾尾后第4 环管片二次注浆孔，在此位置设置注浆压力表、泄压阀，主要目的解决同步注浆不饱满问题，填充管片壁后的空洞。（如图4、图5 所示）

图4 同步注浆

图5 二次补浆

4.2 同步注浆+化学浆液

在盾构机上增加一套B 液搅拌设备，通过柱塞泵与同步注浆管相连，设置部位在同步注浆管进入盾尾处设置三通混合，A 液（砂浆）：B 液（化学浆液）=20:1，B 液为（聚丙酰胺与水按照1:200 的混合液），如图6、图7 所示。砂浆与化学浆液在盾尾注浆管中充分混合并注入管片壁后，使砂浆由流体转换为塑性体，并失去流动性，从而起到固定管片的作用。[7]

图6 同步注浆

图7 化学浆液

5 成型隧道管片上浮控制技术

5.1 管片壁后二次注浆

为避免管片在泥岩中砂浆浮力过大，导致管片上浮，需及时进行二次注浆，注浆时间为盾尾之后4-5 环。二次注浆分为单液浆和双液浆，单液浆主要作为地层填充使用，水灰比为1:1。双液浆主要作为地层止水环使用，5-10 环进行一次，采用水泥浆+水玻璃组成的双液浆，浆液配比：水泥浆采用42.5R 普通硅酸盐水泥，水灰比为1:1；水玻璃采用波美度35 的溶液与水按1：1.5 进行稀释。注浆压力控制在比该位置水土压力增加1-2bar，使浆液具有一定的扩散能力，并及时凝固起到对管片的约束固定作用。[8]

5.2 管片固定桩实施

管片固定桩装置连接于管片注浆孔，注浆时，浆液填充注浆囊袋，于管片与围岩土之间形成支护水泥桩，固定隧道管片，解决了以往二次注浆易被地下水冲散或流向隧道底部而无法有效快速抑制隧道上浮和小半径掘进隧道变形这两大问题，实现盾构施工时对隧道管片进行及时固定。固定桩材料采用双液浆注入，水泥：水玻璃原液为1:1，注浆前取双液现场实验凝固时间，控制在15-20 秒。（固定效果如图8 所示）[9]

6 结论

成自高铁项目锦绣隧道大直径土压平衡盾构机在弱风化泥岩掘进过程中，小曲线半径姿态纠偏控制，管片拼装错台控制，同步注浆技术，管片上浮控制等问题都与成型隧道施工质量密切相关，本文通过项目出现的问题分析，总结发生问题的根本原因，对盾构姿态纠偏采取超挖技术、管片错台采取控制上浮技术、管片上浮采取严格的注浆控制等相辅相成关联施工，为后续大直径土压平衡盾构机在泥岩中的掘进提供宝贵经验。