泥巖地層中盾構(gòu)尾盾背漿后變形問(wèn)題研究

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

盾構(gòu)法是城市軌道交通隧道施工常用工法，具有施工安全、自動(dòng)化程度高、不受地面交通及氣候條件影響、施工精度高等優(yōu)點(diǎn)。在工程實(shí)踐中，由于地質(zhì)條件、施工環(huán)境、設(shè)備故障、施工操作等原因，盾構(gòu)無(wú)法保證正常連續(xù)掘進(jìn)，甚至?xí)霈F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象。在停機(jī)過(guò)程中，如果停機(jī)措施不到位、注漿操作不合理，極易造成盾體被同步漿液或二次注漿漿液包裹[1]，形成“盾體背漿”。在泥巖地層中，尤其是大坡度的下坡段，盾構(gòu)頻繁或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)極易造成背漿，輕則掘進(jìn)參數(shù)異常、姿態(tài)難以控制，重則出現(xiàn)盾構(gòu)被困、尾盾變形等問(wèn)題。為提高對(duì)盾構(gòu)盾體背漿問(wèn)題判斷的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，需要對(duì)盾構(gòu)在盾體背漿前后的主要參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，以排除其他因素干擾，合理選擇安全經(jīng)濟(jì)的處理方案，最大程度地降低損失。

目前，針對(duì)盾構(gòu)被困以及脫困導(dǎo)致尾盾變形的案例研究較多[2～4]，但盾構(gòu)在被困前尾盾先行發(fā)生變形的案例比較少見(jiàn)。本文結(jié)合某地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工案例，介紹洞內(nèi)開(kāi)天窗孔處理盾體背漿及盾尾變形的方法，為類(lèi)似工程問(wèn)題提供借鑒。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)區(qū)間，左線(xiàn)793m，右線(xiàn)794m，線(xiàn)間距13～16m，隧道最大埋深20m，最淺埋深5.4m。區(qū)間主要穿越地層為古近系半成巖地層，巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖（⑦1-3）、粉砂巖（⑦2-2）、泥質(zhì)粉砂巖（⑦2-3），可塑性強(qiáng)，遇水易膨脹。自始發(fā)站起，區(qū)間先以2‰、28‰、6.13‰的下坡在粉砂泥巖層中施工到線(xiàn)路最低點(diǎn)，隨后依次以28‰和2‰坡度上升在泥巖及粉砂巖層中施工至接收站，中間依次下穿鐵路、高鐵框架橋。區(qū)間采用1 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)（EPB6250）施工，盾構(gòu)最大扭矩6 000kNm，脫困扭矩7 200kNm，額定推力3 991t，刀盤(pán)為面板+輻條式，開(kāi)口率40%，尾盾外徑6 230mm，鉸接采用被動(dòng)鉸接。

該區(qū)間在145～242 環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，先后出現(xiàn)路基隆起超限、盾構(gòu)姿態(tài)超限、推力過(guò)大、盾尾變形等問(wèn)題。該區(qū)段位于28‰及6.13‰的下坡段，地層為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖（⑦1-3）。根據(jù)地勘資料顯示，該處泥巖、粉砂質(zhì)泥巖（⑦1-3）巖土呈青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，呈半巖半土狀，風(fēng)干開(kāi)裂，遇水易軟化，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為0.33～3.33MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為1.21MPa，最大烘干狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)3.68MPa。自由膨脹率平均值36.15%，屬A 類(lèi)膨脹土，相對(duì)膨脹率平均值1.25%，膨縮總率平均值4.10%，為中等膨縮土。掘進(jìn)中揭示該地層為弱透水層，含水量較少。

2 盾體背漿及尾盾變形過(guò)程

2.1 盾構(gòu)停機(jī)情況

區(qū)間于135 環(huán)處開(kāi)始下穿鐵路，但受鐵路加固進(jìn)度的影響，左線(xiàn)盾構(gòu)在100 環(huán)處開(kāi)始間歇性停機(jī)，至121 環(huán)開(kāi)始恢復(fù)正常掘進(jìn)。間歇停機(jī)期間，為防止盾體被包裹，每周掘進(jìn)4～5 環(huán)，并在停機(jī)時(shí)采取盾體上方注入膨潤(rùn)土等措施。區(qū)間在121～134 環(huán)段，隧道埋深13～16m，處于28‰的下坡段，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)推力增大至24 000kN，加強(qiáng)渣土改良措施，但推力降低不明顯。

2.2 鐵路路基隆起情況

區(qū)間在135～151 環(huán)處為下穿鐵路段，隧道正下穿鐵路路基，垂直最小凈距約5.4m，為淺覆土下穿[5～8]。鐵路為客貨兩用線(xiàn)，有砟碎石道床，鐵路兩側(cè)采用混凝土重力式擋墻及片石混凝土擋墻護(hù)坡。該段地層主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。按照設(shè)計(jì)要求，為保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，鐵路采用D 便梁扣軌加固措施。掘進(jìn)過(guò)程中，受鐵路天窗點(diǎn)制約，每日掘進(jìn)4 小時(shí)，其余時(shí)間停機(jī)。盾構(gòu)掘進(jìn)至139 環(huán)出現(xiàn)鐵路路基隆起超限，隆起量18.8mm，掘進(jìn)至141 環(huán)處隆起最大值達(dá)到90.6mm?？紤]該處隧道埋深及隧道上方地層變化，及時(shí)調(diào)整參數(shù)：推進(jìn)速度降至25mm/min，土倉(cāng)壓力由0.9bar 依次降至0.6bar、0.3bar，但隆起均未見(jiàn)收斂，推力較大，姿態(tài)未見(jiàn)異常。

2.3 盾構(gòu)姿態(tài)異常情況

區(qū)間掘進(jìn)至159 環(huán)時(shí)，垂直姿態(tài)前/后已達(dá)到為-55mm/-46mm，超出掘進(jìn)過(guò)程中控制值。先后采取調(diào)整上下部油缸推力、開(kāi)啟超挖刀等措施，均無(wú)明顯效果。前后點(diǎn)均無(wú)法抬升，呈現(xiàn)盾體整體下沉的趨勢(shì)，最終垂直姿態(tài)超出-100mm。在此過(guò)程中，盾構(gòu)總推力呈震蕩式變化，總趨勢(shì)增大，最大達(dá)到30 975kN，但仍能繼續(xù)掘進(jìn)。

2.4 盾構(gòu)姿態(tài)異常情況

區(qū)間掘進(jìn)至230 環(huán)時(shí)，盾尾間隙開(kāi)始變小。掘進(jìn)至238 環(huán)，量取盾尾間隙上部較小，上下和值為92mm，比理論值130mm 減少38mm，同時(shí)管片拼裝較為困難，管片的封頂塊局部開(kāi)始出現(xiàn)破損。盾構(gòu)掘進(jìn)至242 環(huán)時(shí)，量取上部油缸處盾尾間隙為38mm，盾尾上下間隙和為88mm，比理論值減少42mm，尾盾與推進(jìn)油缸已無(wú)空隙，尾盾頂部靠近中盾位置出現(xiàn)明顯凹陷。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)12 點(diǎn)位尾盾變形已達(dá)63mm，該處管片已無(wú)法拼裝，立即停機(jī)對(duì)尾盾變形進(jìn)行處理。

2.5 盾尾變形處理情況

尾盾中部鉆孔取芯，芯樣中發(fā)現(xiàn)砂漿固結(jié)物，厚度60mm。在不處理背漿的情況下，安裝2個(gè)200t 千斤頂對(duì)尾盾直接變形矯正，尾盾變形無(wú)收斂，對(duì)尾盾鋼板熱處理也無(wú)效果。采取內(nèi)部開(kāi)天窗的方法，先行處理尾盾背漿，再使用千金頂矯正，尾盾變形收斂并完成修復(fù)?；謴?fù)正常掘進(jìn)后，總推力由20 000kN 左右降至8 000kN 左右，鉸接壓力從200～250bar 降到了20～50bar，掘進(jìn)姿態(tài)恢復(fù)正常。

3 盾構(gòu)推力及姿態(tài)分析

3.1 盾體背漿后的推力分析

正常情況下，盾構(gòu)盾體可以簡(jiǎn)化為有內(nèi)支撐的圓筒構(gòu)件。當(dāng)盾體背漿后，盾體變成不規(guī)則的椎臺(tái)結(jié)構(gòu)，受力情況發(fā)生變化[9～10]。

總推力計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)1為盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤(pán)上的水平推力引起的推力；F3為刀盤(pán)切土推力；F4為盾尾與管片之間摩阻力；F5為后方臺(tái)車(chē)阻力。

3.1.1 尾盾未變形的情況

推力變化主要受F1變化影響，F(xiàn)2、F3、F4、F5基本未變化或影響相對(duì)較小，即ΔF=ΔF1。

該地層泥巖標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度f(wàn)泥巖=1.21MPa，且泥巖遇水軟化使強(qiáng)度降低，而同步注漿砂漿凝結(jié)后實(shí)際抗壓強(qiáng)度f(wàn)砂漿可以達(dá)到1.4～4MPa，且強(qiáng)度較穩(wěn)定。因f泥巖＜f砂漿，在盾體背漿掘進(jìn)時(shí)，已凝結(jié)砂漿并不會(huì)破壞，擠壓泥巖使之產(chǎn)生塑性變形。在掘進(jìn)過(guò)程中，渣土也在不斷填充上部空隙，上部與下部土體對(duì)盾體產(chǎn)生徑向的擠壓力F0。盾體裹覆水泥漿后，土體與盾體摩擦系數(shù)μ增大，盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力F1=μF0增大，盾構(gòu)總推力F呈增大趨勢(shì)，如圖1所示。

圖1 尾盾變形前推力變化

3.1.2 尾盾發(fā)生變形后受力情況

尾盾內(nèi)部無(wú)剛性支撐，當(dāng)土體對(duì)尾盾產(chǎn)生的作用力大于尾盾鋼板的許用應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)大于尾盾鋼板屈服強(qiáng)度時(shí)，尾盾即發(fā)生塑性變形。此時(shí)，盾尾間隙變小，管片與盾尾之間的摩擦力增大，對(duì)盾構(gòu)推力產(chǎn)生作用，總推力F受到F1和F4變化的共同影響。隨著尾盾變形，土體的擠壓力有所釋放，F(xiàn)1先減小后增加，F(xiàn)4不斷增大，盾構(gòu)總推力先震蕩，后呈增大趨勢(shì)，如圖2 所示。

圖2 尾盾變形后推力變化曲線(xiàn)

3.2 盾體背漿后的姿態(tài)分析

盾構(gòu)在設(shè)計(jì)軸線(xiàn)開(kāi)挖或使盾構(gòu)實(shí)行施工軸線(xiàn)糾偏時(shí)，盾構(gòu)開(kāi)挖空間須符合盾構(gòu)盾體能有效通過(guò)[11～12]，即盾體有上下左右的調(diào)整的自由度，如圖3 所示。當(dāng)盾體背漿掘進(jìn)時(shí)，盾體上方已被砂漿及渣土填塞密實(shí)，盾構(gòu)豎向自由度受到限制，造成豎向“卡殼”現(xiàn)象，如圖4 所示。

圖3 正常掘進(jìn)盾體與開(kāi)挖面關(guān)系

圖4 背漿掘進(jìn)盾體與開(kāi)挖面關(guān)系

當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，盾體上方土體作用力不足以抵消盾體對(duì)上部土體擠壓力F0′時(shí)，上部土體被擾動(dòng)，開(kāi)挖面及盾體上方即出現(xiàn)地面隆起。

當(dāng)隧道覆土較深時(shí)，盾體上方土體作用力遠(yuǎn)大于盾體對(duì)上部土體的擠壓力，作用于盾體的擠壓力持續(xù)增大，出現(xiàn)盾構(gòu)被困或尾盾變形的情況，同時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)明顯異常。此時(shí)，盾尾位置形成一個(gè)固定垂直姿態(tài)偏差Δ1=OO′，其大小取決于盾體上方水泥砂漿結(jié)塊厚度。盾體在上部砂漿、上部土體擠壓及盾體自身重力作用下，前點(diǎn)垂直姿態(tài)一直保持向下趨勢(shì)。即使采取向上糾偏措施，因盾體上部已無(wú)向上糾偏的空間，前點(diǎn)姿態(tài)無(wú)法抬升，出現(xiàn)盾體前后點(diǎn)同時(shí)下沉的現(xiàn)象。

4 尾盾背漿、尾盾變形處理

4.1 尾盾背漿處理措施

借鑒以往盾尾背漿、變形問(wèn)題處理經(jīng)驗(yàn)，采用尾盾內(nèi)部開(kāi)孔處理方案，具體操作流程如下。

1）尾盾后方第10 環(huán)位置采用洞內(nèi)注雙液漿作止水環(huán)，阻止管片背后的后方來(lái)水。

2）采用磁力鉆在盾尾頂部變形處鉆觀察孔，孔徑20mm，并垂直向上取芯，觀察水泥漿液包裹情況及地下水情況，確定內(nèi)部開(kāi)天窗的安全性。

3）經(jīng)測(cè)量測(cè)算出變形最大影響范圍為尾盾正上方800×1100mm 區(qū)域，在此區(qū)域中心位置劃線(xiàn)明確擬開(kāi)天窗孔的位置，天窗孔為300×400mm的方孔，如圖5 所示。

圖5 開(kāi)窗孔示意圖

4）開(kāi)孔前，在天窗孔位置安裝一塊400×10×500mm 的活動(dòng)鋼板作為閘板，具體做法如圖6 所示。若發(fā)生土體塌落及其他突發(fā)情況，立刻將閘板關(guān)閉以確保安全。

圖6 閘板示意圖

5）按照天窗孔的劃線(xiàn)切割開(kāi)孔，利用沖擊鉆、洛陽(yáng)鏟等工具清理盾尾與土體間砂漿凝結(jié)塊及渣土，清理厚度不小于100mm，清理范圍為測(cè)量所得變形影響最大的800×1 100mm 區(qū)域。

4.2 尾盾變形處理

1）拆除242 環(huán)管片，盾尾底部鋪細(xì)砂。安裝底部3 塊管片，確保底部管片與盾尾間隙用細(xì)砂填充密實(shí)。

2）管片拼裝機(jī)后退，在螺旋機(jī)與管片安裝機(jī)間隙處安裝3 排井字形反力支架，采用450H 型作主支撐，20H 型鋼作橫梁、斜撐，支撐、橫梁及斜撐滿(mǎn)焊連接。在反力支架頂部安裝2 個(gè)200t千斤頂，千斤頂距離尾盾頂部高度為35cm。

3）連接千斤頂及液壓泵站油管管路后，用千斤頂向上頂盾體變形處，并用鋼尺測(cè)量盾尾與頂部推進(jìn)油缸的間隙變化。油壓達(dá)到40MPa 時(shí)，持續(xù)保壓20 分鐘，并測(cè)量觀察盾尾變化。

4）盾尾變形矯正完成后，對(duì)尾盾修復(fù)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，最大變形量控制在15～20mm 范圍內(nèi)，盾尾間隙和值可以達(dá)到120mm 左右，滿(mǎn)足盾構(gòu)掘進(jìn)要求。

5）測(cè)量復(fù)核完成后對(duì)天窗孔焊接封堵，開(kāi)坡口層層堆焊密實(shí)，并委托檢測(cè)單位對(duì)焊縫100%探傷檢測(cè)，探傷結(jié)果為合格。

6）拆除支架、底部管片，清理尾盾底部雜物，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在自穩(wěn)較好的地層進(jìn)行大坡度盾構(gòu)施工，如果注漿措施不當(dāng)極易造成背漿。盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)出現(xiàn)總推力明顯增大，且呈波動(dòng)性變化，垂直姿態(tài)異常而水平姿態(tài)相對(duì)變化不大，對(duì)土體擾動(dòng)大且易造成地面隆起等現(xiàn)象，可作為進(jìn)一步判斷是否背漿的依據(jù)。

2）軟弱泥巖地層發(fā)生背漿后，已凝結(jié)的水泥漿塊無(wú)法靠土體擠壓力清除，極易在盾構(gòu)被困前先行造成尾盾變形，而在其他地層則較為少見(jiàn)。在泥巖地層掘進(jìn)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)盾體背漿，建議及時(shí)處理，不要盲目推進(jìn)，以免造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏以及尾盾變形等更難以處理的問(wèn)題。

3）尾盾是整個(gè)盾體最薄弱的部分，內(nèi)部無(wú)結(jié)構(gòu)支撐，易發(fā)生變形，但具備內(nèi)部處理背漿、變形的空間。對(duì)于尾盾背漿、變形的處理，建議優(yōu)先采用尾盾內(nèi)部開(kāi)天窗方案，可有效避免開(kāi)挖豎井造成的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)、工期延誤以及不良社會(huì)影響。