淺析大直徑土壓平衡盾構泥巖地層施工技術

李振軍

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

1 項目簡介

1.1 工程概況

成自鐵路錦繡隧道盾構施工采用1 臺復合式土壓平衡盾構機，開挖直徑為12.79m，隧道管片外徑12.4 米，內徑11.3 米，幅寬1.8 米，管片厚度0.55 米，襯砌環由9 塊管片組成，采用通用環管片拼裝，管片楔形量為65mm。

盾構施工物料運輸采用連續皮帶機+無軌運輸方式，隧道最小轉彎半徑為654 米，線路縱坡設計為“V”字坡，縱坡最大坡度為-30‰，盾構隧道主要穿越地層為弱風化泥巖（天然單軸抗壓強度3.7～19.3Mpa，平均7.9Mpa），部分為強風化泥巖層。(如圖1 所示)

圖1 地質剖面圖

1.2 盾構機情況

隧道采用鐵建重工生產的大直徑土壓平衡盾構機，采用復合式刀盤設計，開挖直徑12.79m（配有兩把超挖刀，超挖直徑12.89 米），刀盤設計開口率40%，注入口16 個，刀具配置主要有80 把滾刀、108 把切刀；盾體采用錐形設計，前盾直徑12740mm/中盾直徑12725mm/盾尾直徑12710mm；盾尾間隙40mm（不含盾尾刷護板厚度45mm）；盾構機無鉸接設計，設計轉彎能力為半徑600米；推進油缸采用分6 區25 組雙缸設計，最大行程3米。

2 小曲線半徑姿態控制糾偏

2.1 盾構水平姿態左偏情況

盾構機在隧道DK3+689.9 (正45 環) 處開始以R=654m 進入右轉曲線半徑，此處的地層為強風化泥巖15-1（W3，強風化泥巖，約占比26%）和弱風化泥巖15-1（W2，弱風化泥巖，約占比74%）中，盾構姿態開時相對設計軸線向左偏移，且向左趨勢逐步增大，水平姿態。（如圖2 所示）。

圖2 盾構機水平姿態

2.2 姿態左偏原因分析

2.2.1 管片選型可能存在問題，導致右側盾尾間隙過小，盾尾無法向左擺，導致盾頭向右擺困難；

2.2.2 按照成都泥巖地層盾構施工經驗，由于前期中盾未注泥，盾尾可能存在包裹現象；

2.2.3 盾構設計本身轉彎半徑不大，現掘進654m 圓曲線半徑，給出的余量較小。

2.3 理論模型糾偏分析

2.3.1 按照前盾最前端盾尾最后端在設計隧道中心線上，盾體中心距離設計隧道中心線偏差為29.9mm；

2.3.2 管片中心在盾尾中心，推進油缸行程差為3719.3-3604.6=114.7mm；理論上推進油缸行程差為114.7mm 才在理論中心上；

2.3.3 圓曲線654m，1 米所需楔形量為18.96mm，1 環管片理論所需楔形量為34.13mm，如果為轉彎環與直徑環比值為1.1:1；

2.3.4 假設盾尾最后端為管片中心，管片前端面與后端面都在設計隧道中心線上，此時盾尾最后端管片間隙為標準間隙，管片前端面左側間隙比右側間隙差值為-16mm。如果管片前端面上再拼裝1 環管片（即盾構掘進完成再拼裝1 環管片），此環管片前、后端面假設還是在設計隧道中心線上，此時拼裝的管片前端面左側間隙比右側間隙差值為-40.4mm。[1]

總結：為了保證盾尾刷處（盾尾最后端）管片間隙在標準間隙，盾構掘進完成時管片前端面左側間隙比右側間隙小16mm，盾構掘進完成并拼裝管片完成管片前端面左側間隙比右側間隙小40.4mm。

2.4 姿態控制糾偏措施

2.4.1 控制左側分區推進油缸壓力最大化，屏蔽右側分區油缸，并采用間歇性推進方式，推進過程中，每推進50cm，左側千斤頂分組卸力后再掘進；

2.4.2 控制盾構機左右分區推進油缸行程差不小于114.7mm（左側大于右側）；

2.4.3 啟用超挖刀功能，控制超挖量為50mm，采用全斷面超挖；2.4.4 降低盾構機推進速度，盡量控制在15mm 以內。

3 管片錯臺控制技術

3.1 管片拼裝錯臺原因分析

3.1.1 盾構掘進姿態控制

盾構在進入R=654m 右轉彎曲線段時，盾構機姿態難以控制，以每環10～20cm 的左偏移，并最大向右偏移200mm 以上，期間過程出現管片錯臺；為盡快控制姿態，盾構掘進姿態糾偏過快，每環掘進向右糾偏量達到10cm以上，糾偏過程出現錯臺。[2]

3.1.2 管片拼裝過程中產生

管片在拼裝過程中，管片選型不當，管片中心與盾構機中心不一致，或拼裝出現橢變，管片與盾尾間隙發生擠壓，產生錯臺；盾尾清理不徹底，首塊管片定位困難，或管片螺栓難以穿進，造成錯臺。

3.1.3 管片拼裝后產生

盾構在泥巖地層中掘進，弱風化泥巖地層圍巖比較穩定，在盾構掘進速度較快時砂漿無法快速固定，造成管片錯臺，尤其在隧道管片的上部會發生連續的跌落錯臺。

3.2 管片錯臺防治措施

3.2.1 施工參數的控制

掘進過程中出現姿態糾偏過程中，一定控制掘進參數，姿態糾偏不易過快，要勤糾慢糾，正常每環糾偏量控制在2～4mm 為宜；管片點位的選擇，根據姿態及盾尾間隙合理選擇管片的點位，避免出現盾尾卡管片現象，保留一定的間隙調整，盾尾間隙控制在2～4cm 為宜。[3]

3.2.2 管片拼裝過程控制

采用定位隼直螺栓拼裝，每環管片使用3 根縱向螺栓，定位隼套穿在直螺栓，定位管片手孔，減小管片環間錯臺，定位隼安裝如圖；管片螺栓進行3 次復緊，拼裝前螺栓緊固，推進過程中進行第二次復緊，脫出盾尾后進行第三次復緊；加強管片拼裝人員管理，提高拼裝手的技術水平，嚴格按照操作規程操作。（如圖3 所示）

圖3 定位隼

3.2.3 管片拼裝后控制

嚴格控制同步注漿質量，采取注漿壓力及注漿量雙控，脫出盾尾及時補注砂漿，保證管片壁后填充飽滿，及時固定管片；管片脫出盾尾后采用二次注雙液漿，或在管片腰部以上實施管片固定樁作業，防止管片上浮引起錯臺。[4]

4 同步注漿及二次補漿、同步化學漿液施工技術

同步盾尾注漿為及時填充盾尾間隙，防止因盾尾間隙的存在導致地層發生較大變形，盾尾脫離管片后，土體與管片存在間隙，此時漿液迅速填充空隙，可大大減少土層的移動，從而減少地表的變形。注漿效果的質量往往因填充不密實，導致管片上浮；注漿壓力過大，砂漿容易擊穿盾尾刷，導致盾尾漏漿，或砂漿包裹盾尾，導致盾構姿態糾偏困難。[5]本項目就針對同步注漿施工作業，對同步注漿進行了改進，增加了同步注漿+二次補漿及同步注漿+同步化學漿液優化，及保證了注漿量，又縮短了砂漿凝固時間，起到及時包裹管片作用。[6]

4.1 同步注漿+二次補漿。在同步注漿泵出口處，設置三通，其中一路為正常了盾尾同步注漿，另一路為通盾尾后第4 環管片二次注漿孔，在此位置設置注漿壓力表、泄壓閥，主要目的解決同步注漿不飽滿問題，填充管片壁后的空洞。（如圖4、圖5 所示）

圖4 同步注漿

圖5 二次補漿

4.2 同步注漿+化學漿液

在盾構機上增加一套B 液攪拌設備，通過柱塞泵與同步注漿管相連，設置部位在同步注漿管進入盾尾處設置三通混合，A 液（砂漿）：B 液（化學漿液）=20:1，B 液為（聚丙酰胺與水按照1:200 的混合液），如圖6、圖7 所示。砂漿與化學漿液在盾尾注漿管中充分混合并注入管片壁后，使砂漿由流體轉換為塑性體，并失去流動性，從而起到固定管片的作用。[7]

圖6 同步注漿

圖7 化學漿液

5 成型隧道管片上浮控制技術

5.1 管片壁后二次注漿

為避免管片在泥巖中砂漿浮力過大，導致管片上浮，需及時進行二次注漿，注漿時間為盾尾之后4-5 環。二次注漿分為單液漿和雙液漿，單液漿主要作為地層填充使用，水灰比為1:1。雙液漿主要作為地層止水環使用，5-10 環進行一次，采用水泥漿+水玻璃組成的雙液漿，漿液配比：水泥漿采用42.5R 普通硅酸鹽水泥，水灰比為1:1；水玻璃采用波美度35 的溶液與水按1：1.5 進行稀釋。注漿壓力控制在比該位置水土壓力增加1-2bar，使漿液具有一定的擴散能力，并及時凝固起到對管片的約束固定作用。[8]

5.2 管片固定樁實施

管片固定樁裝置連接于管片注漿孔，注漿時，漿液填充注漿囊袋，于管片與圍巖土之間形成支護水泥樁，固定隧道管片，解決了以往二次注漿易被地下水沖散或流向隧道底部而無法有效快速抑制隧道上浮和小半徑掘進隧道變形這兩大問題，實現盾構施工時對隧道管片進行及時固定。固定樁材料采用雙液漿注入，水泥：水玻璃原液為1:1，注漿前取雙液現場實驗凝固時間，控制在15-20 秒。（固定效果如圖8 所示）[9]

6 結論

成自高鐵項目錦繡隧道大直徑土壓平衡盾構機在弱風化泥巖掘進過程中，小曲線半徑姿態糾偏控制，管片拼裝錯臺控制，同步注漿技術，管片上浮控制等問題都與成型隧道施工質量密切相關，本文通過項目出現的問題分析，總結發生問題的根本原因，對盾構姿態糾偏采取超挖技術、管片錯臺采取控制上浮技術、管片上浮采取嚴格的注漿控制等相輔相成關聯施工，為后續大直徑土壓平衡盾構機在泥巖中的掘進提供寶貴經驗。