細(xì)中砂地層掘進(jìn)施工盾構(gòu)“叩頭”分析與對(duì)策

王 龍，劉恒杰

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450015）

細(xì)中砂地層掘進(jìn)施工盾構(gòu)“叩頭”分析與對(duì)策

王 龍，劉恒杰

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450015）

以石家莊地鐵一號(hào)線某盾構(gòu)隧道區(qū)間施工為例，通過對(duì)該區(qū)間施工中遇到三次盾構(gòu)叩頭的原因進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出針對(duì)細(xì)中砂地層中盾構(gòu)掘進(jìn)叩頭問題的處理方法，其處理措施可供類似工程參考。

細(xì)中砂地層；被動(dòng)鉸接；盾構(gòu)掘進(jìn)；處理方法

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，繁雜的地下管線、構(gòu)建筑物的逐步增多等進(jìn)一步增加了地鐵盾構(gòu)施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)。雖然盾構(gòu)施工已經(jīng)有一百多年的歷史[1]，但是城市地鐵盾構(gòu)施工依然困難重重；一方面取決于施工單位的施工經(jīng)驗(yàn)和施工水平，另一方面是由于地面空間的限制和地質(zhì)勘測水平影響導(dǎo)致我們對(duì)隧道區(qū)間范圍內(nèi)的地質(zhì)情況缺少一個(gè)全面的掌握[2]。因此，施工中的過程控制就顯得尤為重要。本文通過總結(jié)石家莊地鐵1號(hào)線某區(qū)間的施工經(jīng)驗(yàn)，分析并驗(yàn)證了一系列細(xì)中砂地層盾構(gòu)掘進(jìn)解決盾構(gòu)“叩頭”的措施。

1 工程概況

某區(qū)間右線盾構(gòu)區(qū)間全長598m，共計(jì)498環(huán)。該區(qū)間覆土厚度約10.2～12.6m，線路平面有兩處曲線（均為R=1200m），線路縱向坡度呈V字坡。盾構(gòu)區(qū)間穿越的地層主要為：粉細(xì)砂④1層、粉質(zhì)粘土⑤1層、細(xì)中砂⑥1層中，拱頂主要以粉細(xì)砂為主，隧道縱斷面示意圖見圖1。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，穿越的細(xì)中砂⑥1的標(biāo)貫平均值N=31，地基承載力160～280kPa（應(yīng)用與該區(qū)間的盾構(gòu)要求地基承載力不小于52kPa）。區(qū)間沿線45m深度范圍內(nèi)地下水類型以潛水為主，區(qū)間隧道位于水位線以上。地質(zhì)補(bǔ)勘時(shí)，發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道上方正穿污水管、雨水管、橫穿三處熱力管溝。

2 盾構(gòu)“叩頭”原因與現(xiàn)場處理方法

2.1 第一次“叩頭”

圖1 隧道縱斷面示意圖

在盾構(gòu)掘進(jìn)第107環(huán)時(shí)，盾構(gòu)主機(jī)逐漸呈現(xiàn)“V”字型，盾構(gòu)向下趨勢增大。掘進(jìn)過程中扭矩最大達(dá)到2000kN/m，推力在22000kN左右，掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)速度明顯下降。鉸接壓力增加到200bar（正常掘進(jìn)時(shí)100bar左右）。本臺(tái)盾構(gòu)配有14支鉸接油缸?160×80行程150mm，鉸接總拉力計(jì)算如下

1）原因分析 盾構(gòu)呈現(xiàn)“V”字型（尾盾和前中盾軸線出現(xiàn)較大夾角）一方面是由于掘進(jìn)過程中姿態(tài)調(diào)整幅度過大[3]；另一方面是由于盾尾間隙不良造成盾尾單側(cè)受力。從掘進(jìn)參數(shù)的反映情況來看，緊鄰的幾環(huán)掘進(jìn)并未大幅度調(diào)整姿態(tài)；從掘進(jìn)速度逐漸減小，鉸接拉力持續(xù)增大可以明確推斷出盾構(gòu)盾尾受力異常。當(dāng)前掘進(jìn)工況和掘進(jìn)地質(zhì)并未改變。檢查發(fā)現(xiàn)盾尾與管片上部間隙為零。由于前期未進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，且地質(zhì)條件也無突變。因此，盾尾間隙變小且盾構(gòu)呈現(xiàn)主要可能是管片選型引起。

2）處理措施 加強(qiáng)管片選型管理，合理計(jì)算出設(shè)計(jì)線路與當(dāng)前盾構(gòu)姿態(tài)對(duì)管片超前量的需求。當(dāng)盾構(gòu)呈現(xiàn)嚴(yán)重“V”字型時(shí)，管片選型必須要考慮推進(jìn)油缸行程差和鉸接油缸行程差，結(jié)合盾尾間隙[4]，從兩組行程差計(jì)算出當(dāng)前盾構(gòu)姿態(tài)所需管片超前楔形量。大的原則是讓管片軸線盡量適應(yīng)尾盾，保持良好的盾尾間隙[5]～[6]。這樣能夠很好地解決由于盾尾間隙過小導(dǎo)致的盾構(gòu)姿態(tài)難以控制的現(xiàn)象。

2.2 第二次“叩頭”在盾構(gòu)掘進(jìn)至220環(huán)時(shí)，推進(jìn)過程中推力逐漸增大到24000kN，同時(shí)鉸接壓力逐漸升高到290bar偶爾會(huì)達(dá)到停機(jī)壓力設(shè)定值。但推進(jìn)速度幾乎為零，盾構(gòu)垂直姿態(tài)每環(huán)推進(jìn)整體下降約7～10mm。從螺機(jī)出渣看，地層含水明顯增多。在管片拼裝的過程中盾尾姿態(tài)基本能夠保持，但刀盤切口處垂直姿態(tài)下降約2～3mm。伴隨著姿態(tài)不好控制地表沉降量也出現(xiàn)了異常，刀盤上方沉降速率明顯增大。經(jīng)檢查盾尾與管片間隙良好，相鄰幾環(huán)盾尾油脂注入量和注入壓力正常。

1）原因分析 盾構(gòu)掘進(jìn)至220環(huán)時(shí)該段為全斷面細(xì)中砂地層，且隧道上方距離隧道軸線3m有1根承插式混凝土污水管道。由于地表沉降較大，在地面上探孔注漿時(shí)取芯如圖2所示，發(fā)現(xiàn)該處隧道上方3～5m范圍地層富含地下水。由于石家莊地區(qū)地下水位較低，隧道開挖范圍內(nèi)可能存在少量地表潛水，由于掘進(jìn)期間并非雨季。因此初步推斷此處污水管道由于年久失修出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。細(xì)中砂地層遇水自穩(wěn)定性大大降低，在盾構(gòu)通過時(shí)快速收斂，導(dǎo)致盾體包裹力增大，同時(shí)又無法加大推力（推力加大，鉸接壓力報(bào)警停機(jī)）。最終導(dǎo)致推進(jìn)無速度，土倉壓力無法維持平衡出現(xiàn)地表沉降。

圖2 區(qū)間無水地層芯樣(上)、無水滲漏區(qū)域地層芯樣(下)

2）處理措施 針對(duì)盾體包裹嚴(yán)重，可利用盾體周圍預(yù)留的盾殼膨潤土注入管注入優(yōu)質(zhì)膨潤土。如果地層富水滲透性高可適當(dāng)考慮用同樣的方法注入潤滑油脂幫助盾構(gòu)脫困。在注入盾殼膨潤土的同時(shí)需要手動(dòng)小幅度收放鉸接，同時(shí)要嚴(yán)格控制螺機(jī)出土量，嚴(yán)格把控土倉壓力，避免出現(xiàn)欠壓超挖造成的地表沉降。在遇到地質(zhì)條件突變，地層含水量增大的情況下需要及時(shí)調(diào)整同步注漿參數(shù)，縮短漿液初凝時(shí)間，確保同步注漿的效果。

2.3 第三次“叩頭”

盾構(gòu)掘進(jìn)345環(huán)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)開始不可控，總推力不變的情況下推進(jìn)速度有所下降。在保持原有推進(jìn)油缸壓力差的情況下，盾構(gòu)“叩頭”明顯，通過調(diào)整壓差，“叩頭”現(xiàn)象略微得到控制，但是盾構(gòu)逐漸呈現(xiàn)較為明顯的“V”型，并且盾尾間隙惡化。通過管片選型無法調(diào)出良好的盾尾間隙。

1）原因分析 通過參數(shù)分析，盾構(gòu)刀盤扭矩，渣溫等基本正常，初步排除刀盤結(jié)泥的可能。從渣土土樣分析結(jié)果來看，在細(xì)砂中含有部分結(jié)團(tuán)，結(jié)團(tuán)中心屬于硬塑狀粉質(zhì)黏土，可以判斷當(dāng)前掘進(jìn)細(xì)砂層中含有粉質(zhì)黏土夾層，從地質(zhì)詳勘資料也得到了印證。從圖3參數(shù)曲線圖可以看到，出現(xiàn)上述原因的主要原因在掘進(jìn)地層開始變化時(shí)只是一味地糾偏，沒有綜合考慮管片選型，最終出現(xiàn)不均勻地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的通病——盾構(gòu)抬頭掘進(jìn)（向上趨勢較大），姿態(tài)無法維持。

2）處理措施 當(dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)姿態(tài)偏差時(shí)，光靠調(diào)整推進(jìn)油缸壓差并非能夠解決問題。前期糾偏的同時(shí)就要兼顧盾構(gòu)的整體趨勢。在361環(huán)之前掘進(jìn)過程中上下油缸壓差維持在55左右，姿態(tài)基本可以維持穩(wěn)定，從358環(huán)開始，盾尾間隙逐漸減小，幾乎為零。伴隨著盾尾間隙的變化，姿態(tài)開始下滑，即使提高推進(jìn)壓差也無法控制。通過6環(huán)的間隙調(diào)整，直到364環(huán)間隙有了好轉(zhuǎn)的情況下姿態(tài)開始慢慢有了回升跡象。在保證盾尾間隙的前提下，有一個(gè)穩(wěn)定的推進(jìn)油缸壓差即可維持不均勻地層盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。

圖3 部分掘進(jìn)參數(shù)曲線圖

3 結(jié) 語

盾構(gòu)在軟土地層中掘進(jìn)造成“叩頭”的原因有多種，主要可歸納為以下幾點(diǎn)：①不均勻地層造成；②盾構(gòu)司機(jī)操作不當(dāng)造成；③盾體被包裹無法建立正常土壓所造成的；④管片選型不當(dāng)導(dǎo)致盾尾被卡造成；⑤地質(zhì)突變所造成。

常見的處理措施按照“叩頭”發(fā)生的機(jī)制主要分為：①提前做好盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)補(bǔ)堪工作，對(duì)較為軟弱或有孔洞的地方做好注漿加固等預(yù)處理；②選擇合理優(yōu)良的渣土改良方案，避免出現(xiàn)由于渣土改良不當(dāng)造成的螺機(jī)噴涌伴隨的土壓劇降盾構(gòu)“叩頭”現(xiàn)象；③切記在軟土尤其是細(xì)中砂地層長時(shí)間停機(jī)，如果不可避免，應(yīng)提前做好停機(jī)準(zhǔn)備，停機(jī)前在土倉和盾殼注入適量性能優(yōu)良的膨潤土；④遇到姿態(tài)偏離，切記大幅度糾偏。在糾偏的同時(shí)要改變原始預(yù)定的管片選型策略，以防盾尾被卡造成盾構(gòu)“叩頭”。

[1]陳 饋，洪開榮，吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]周立波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]潘國榮，白昀，李懷鋒.鉸接盾構(gòu)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)測量方法[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2012，32(3)：55-58.

[4]王 朔，王西林，賈向斌，等.盾構(gòu)姿態(tài)控制及導(dǎo)向測量技術(shù)[J].中國科技博覽，2012，(8)：99-100.

[5]王歡貴.盾構(gòu)隧道姿態(tài)控制措施[J].低碳世界，2015，(5)：232-233.

[6]周 鑫.淺析土壓平衡盾構(gòu)施工軸線控制[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，(28)：234.

（編輯 張海霞）

Analysis and countermeasures of fi ne medium sand formation driving construction shield “knock head”

WANG Long, LIU Heng-jie

TU621

B

1001-1366(2015)09-0060-03

2015-07-15