海域高靈敏度軟硬復合地質中的網格式盾構施工*

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

0 前言

網格式擠壓盾構法特別適合在軟弱土層中盾構掘進，并具有經濟適用性強、操作簡便，施工速度快等優點，在我國沿海地區電廠取排水隧道中廣泛應用。隨著國家建設工程的大范圍展開，實施施工中的土質復雜性等對盾構機設備性能及盾構施工技術又提出了更高要求，如網格式盾構機必須適應在不良地質及軟硬不均的復雜土層中掘進，并需具備清障能力等。本文結合浙能六橫電廠取排水隧道面臨土體靈敏度高、軟硬土層分布不均等復雜地質條件，通過對盾構設備改良及盾構施工技術改進，進一步完善網格式盾構施工工藝，并為后續取排水隧道解決復雜地質條件施工提供了實用經驗[1]。

1 概述

1.1 工程概況

浙能六橫電廠循泵房及取排水建（構）筑物工程，工程取排水隧道為4 條內徑4 200 mm、壁厚300 mm的自流引水管，采用盾構法施工，盾構機為4 臺改良型氣壓平衡網格式盾構機。1#取水隧道長約583.30 m，2#取水隧道長約579.70 m；排水隧道2 條，每條長約300.70 m。

1.2 地質條件

盾構隧道施工涉及地質土層主要為②淤泥質粉質黏土、④粉質黏土。其中淤泥質粉質黏土特性為承載力低、靈敏度高，滲透系數小。④粉質黏土的壓縮系數小、承載力高，屬硬土層，主要位于取水隧道特殊管片段。

2 風險分析

2.1 土體軟、靈敏度高，施工風險大

取排水隧道均在②淤泥質粉質黏土中掘進，此層土體較軟、承載力低，盾構隧道施工時，盾構機姿態難以控制，施工中為保證盾構機有足夠的推力進行糾偏，確保盾構機姿態及隧道軸線偏差在可控范圍內，必須進行擠土掘進，對土體擾動較大。而②淤泥質粉質黏土具有高靈敏度特性，土體一旦擾動后承載力急劇降低，且重新穩定固結時間較長，對隧道安全穩定帶來極大風險。

2.2 軟弱不均土層盾構姿態控制難度大

取水隧道后期特殊段掘進時，盾構開挖面為軟硬復合地質（即盾構軸線上既有②淤泥質粉質黏土軟弱土層，又有④粉質黏土硬土層），對盾構軸線控制難度較大。

3 可調節式網格氣壓平衡盾構機研發

針對背景工程的高靈敏度、軟硬復合的復雜地質條件，常規網格式盾構機已無法滿足施工要求，為此自主研發可調節式網格氣壓平衡盾構機（圖1），以適應復雜地質工況。

3.1 盾構機主要參數

盾構外徑為4 930 mm，總長6 790 mm，盾構內徑4 850 mm，盾尾間隙2×25 mm，靈敏系數為1.38，配備26 臺12 000 kN千斤頂，最大總推力為31 200 kN，推進速度為4.2 cm/min。

圖1 可調節式網格氣壓平衡盾構機

3.2 盾構機改良技術

3.2.1 可調節式網格盾構機胸板

網格盾構胸板由24 塊小胸板組合而成（圖2），每塊小胸板用螺栓連接至盾構機主體上，通過小胸板單獨拆裝，調整胸板開口率，以調控進泥效果；同時，可拆卸小胸板上設置閥門，通過此閥門，既可探測盾構機前方土質變化，亦可釋放壓力，保證拆卸人員安全。從而解決網格盾構處理軟硬復合地質條件及障礙物的難題[2]。

圖2 盾構機剖面示意

3.2.2 增設氣壓清障功能

為確保盾構機工作面水土壓力平衡及具備氣壓清障功能，盾構機內設置氣壓倉、過渡倉及一套氣壓設備，可對盾構機頭部進行局部加壓。

內胸板上設有上部、下部2 只氣密門，按3 kPa的氣密標準設計。內胸板至拼裝機之間設計氣閘倉1 只，耐壓3 kPa（圖3）[3]。

3.2.3 硬土層改良技術措施

針對④粉質黏土的壓縮系數小、承載力高硬土層的性質，掘進時盾構糾偏及出泥難度較大，采取以下改良措施[4]：

1）④粉質黏土具有黏性大、土質硬的特點，常規盾構機配套的水力機械（水槍壓力為200～250 N）難以破碎土體，出土效果較差。增加配備一套750 N高壓水槍，并將所有水槍加長，近距離切割硬土層，加強出土效果。

2）由于上軟下硬土層及硬土層中，盾構機頭容易上抬，姿態難以控制。利用盾構機設置的4 只8 英寸海底閥，進行高壓水槍沖泥，松動盾構機外殼下部硬土，便于盾構機糾偏，控制姿態。

圖3 氣壓清障功能設置示意

3）對千斤頂頂力控制系統進行調整，由原常規的1 000 kN千斤頂改增為1 200 kN千斤頂，增大盾構機推力，為盾構在硬土層推進提供足夠推力。

4 關鍵施工技術

4.1 土體改良加固

由于盾構掘進土層為高靈敏度軟弱土層，此類型土體一旦擾動后，強度大幅削弱，且恢復期較長。網格式盾構掘進方式為擠壓出土，掘進過程中不可避免地對周邊土體產生擾動，由此產生如下不良后果：

1）由于土體承載力大幅削弱，隧道管片會產生不均勻沉降，且后期沉降較大；

2）隧道周邊土體約束力降低，隧道管片易上浮，導致隧道軸線及盾構軸線難以控制；

隧道掘進過程中，及時對已完成的隧道管片采用快硬型漿液進行圍巖注漿，加固隧道周邊土體，穩固隧道管片，從而解決上述問題。

4.1.1 注漿加固范圍

對全線隧道管片進行全斷面加固，加固范圍為隧道外徑+（3～4）m（圖4）。

圖4 圍巖注漿范圍示意

4.1.2 注漿加固方式

利用每環管片預留注漿孔（每環16 孔）向外注漿，采取外插管注漿，將注漿管插至管片外進行分層注漿。

4.1.3 注漿漿液

注漿漿液為水泥漿與水玻璃混合雙液漿，水泥漿液采用P.O 42.5水泥，水灰比0.8∶1。水泥漿每立方米加入水700 kg、水泥890 kg，水玻璃每立方米加入267 kg。加固土體水泥用量150 kg/m3。

4.1.4 注漿加固方法

為防止可硬性漿液進入盾尾，導致盾尾鋼絲刷止水失效，在盾尾后10 環開始從管片預留注漿孔打入適當數量的注漿管，注漿管深度為3.0～4.0 m。注漿管打入后，進行分層注漿加固。

加固注漿采用分層注漿，先外層后內層，每孔分層注漿可達5～6 次。注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，注漿流量控制在10～15 L/min。

注漿施工步驟為：

1）在管片的注漿孔上安裝防噴裝置，通過防噴裝置打穿注漿孔，將注漿管打入設計位置，并安裝球閥；

2）接好注漿管路，壓力傳感器；

3）啟動拌漿機，進行拌漿；

4）加固土體50 cm范圍啟拔注漿管一次，實施分層注漿；

5）注漿結束先關閉管片注漿孔上的球閥，再拆除管路。

4.2 高靈敏度土層施工技術

由于盾構掘進土層低承載力的軟弱土層，網格式盾構機掘進過程中，周邊土體可提供的土體抗力較小，盾構機姿態難以控制。同時由于土層靈敏度（土體靈敏度是衡量黏性土結構性對強度的影響，當土體受到外力擾動作用，其結構遭受破壞時，土的強度降低，壓縮性增高。土的靈敏度越高，其結構性越強，受擾動后土的強度降低就越明顯）較高，一旦擾動過大，土體承載力明顯降低，對周邊環境及隧道本體安全產生較大風險[5]。我們采取了以下針對性措施對盾構施工進行嚴格控制。

4.2.1 盾構軟土層推進和地層變形的控制

隧道掘進采用泥水切削氣壓平衡式盾構掘進機，主要利用出泥倉前端格柵上安裝的活動胸門的啟閉來調節進泥量，進而調節盾構機正面土體受擠壓程度，從而調節正面土壓力值的大小。這里面包含著推力、推進速度和進土量三者相互關系，對地層變形量的控制有重要作用，因此在盾構掘進時，應根據沉降觀測數據及時調整土壓力，同時結合格柵外土層壓力傳感器數值，控制掘進速度和進土量，進而達到對軸線和地層變形的控制。由于過大堤后對海底面沉降無專門要求，主要是處理好軸線和推進速度、進泥量、推進頂力之間的關系，并保持軸線的穩定。

網格式盾構機在軟弱土層中控制地面變形主要有以下幾種措施：

1）對盾構機切口前方地層變形，可采用調整盾構機開挖面土壓力來控制，這主要通過控制盾構機前端進泥倉內安裝的液壓閘門開啟大小來調整網格開口大小和盾構推進速度實現。

2）因土質較軟，如開挖面涌泥量較大，正面壓力難以穩定，可在進泥倉內施加局部氣壓，用來穩定盾構機開挖面，從而防止開挖面塌方，達到有效控制地層變形的效果。

3）在盾構掘進過程中進行同步注漿，填充管片與土體間空隙，以控制盾構掘進后的地面變形。

4）加強沉降監測，根據監測數據，及時進行二次補漿，防止后期變形。

4.2.2 盾構掘進速度

盾構掘進速度控制在3.0～4.0 cm/min，盡量保持推進速度平穩，確保盾構勻速地掘進，以減少對周邊土體的擾動影響。

1）盾構啟動時，盾構操作機工必須檢查千斤頂是否靠足，開始推進和結束推進前速度不宜過快。每環掘進開始時，應逐步提高掘進速度，防止啟動速度過大。

2）一環掘進過程中，掘進速度值應盡量保持恒定，減少波動，以保證切口水土壓力穩定和送、排泥管的暢通。

3）推進速度需與同步注漿保持同步。

4）在調整掘進速度的過程中，應保持開挖面穩定。

5）每環掘進的距離為1 m左右，以便于安裝管片為宜。

4.2.3 土壓力調整

網格式盾構掘進機主要利用通過調整盾構掘進速度和調整出泥倉前端格柵上安裝的活動閘門的開啟大小來調節盾構機正面土體受擠壓程度，從而調節正面土壓力值的大小。由于土質軟弱，若在推進過程中遇到土體涌土量較大現象，為保證開挖面的穩定，應采取氣壓掘進的方式控制土壓力，依靠壓力倉內的氣壓力來平衡正面土體的壓力，從而達到對盾構正前方開挖面支護的目的，此時可采用設定壓力倉內氣壓值來調節土壓力大小。

4.2.4 盾構機姿態控制

盾構在進行平面或高程糾偏的過程中，會增加對土體的擾動，因此在盾構掘進過程中，必須嚴格控制盾構推進軸線，盡量少糾偏，杜絕急糾偏、大糾偏。

本工程盾構隧道在②淤泥質粉質黏土（承載力低、含水量大、靈敏度高）掘進過程中，盾構姿態容易上抬，采用土倉下半部放滿土壓重，只開上倉門出土措施，確保盾構按設計軸線掘進。

4.2.5 管片拼裝

在安裝管片時，為將盾構機姿態變化控制在最小范圍內，每塊管片安裝好后，千斤頂立即將安裝管片頂緊，頂緊油壓相當于掘進油壓的80%左右；拼裝過程中，回縮的千斤頂應盡可能少，以滿足管片拼裝即可。對襯砌連接螺栓采取一次緊固，二次復緊的工藝。

4.2.6 盾尾密封

為保證盾尾密封良好，在盾構掘進前對盾尾3 道密封鋼絲刷內擦滿密封油脂。在盾構掘進過程中，通過密封油脂的壓入量和壓力來控制盾尾密封效果，并實時觀察盾尾有無漏水、漏漿現象，一旦出現，對滲漏區域增加油脂壓入量進行封堵。此外，盾構機內配備泡沫條，作為盾尾漏漿應急物資。

4.3 軟硬復合土層施工技術

隧道在特殊段將遇到軟弱土層②淤泥質粉質黏土與硬土層④粉質黏土的軟硬復合地質條件，由于④粉質黏土性質為黏性強、土層硬，常規網格式盾構機難以處理，在此復合地質條件下，盾構掘進困難，姿態很難控制[6]。

1）對密封隔倉進行加氣壓保持盾構機前方土體穩定，保證安全的前提下再拆裝胸板：

（1）拆裝胸板前，先將壓氣管路由地面接至盾構機，管路接好以后進行試加壓，加壓過程中施工人員沿管路逐個檢查是否有漏氣的地方，如有漏氣，應在補漏以后再進行試加壓，直至滿足使用條件；

（2）專人負責加壓、泄壓閥門操作，并與地面空氣壓縮機操作人員保持通信聯系。

2）拆除盾構機前端胸板增加開口率，盡可能多的沖泥出泥，降低盾構機掘進速度，減少盾構機頂力：

（1）根據盾構頭部土體變化情況，盾構機頭部網格在閘門開口可任意調整的情況下，盾構機胸板網格分成24 塊小胸板可單獨拆裝，調整胸板開口率（9%～32%），以調控進泥效果；

（2）胸板自下而上拆卸，左右兩邊同時對稱進行；（3）拆卸過程中作業人員要收集拆下的胸板螺栓，以備裝回胸板時使用；

（4）拆除胸板過程中，派專人負責觀察前方土體情況，有異常情況立即通知作業人員撤出；

（5）每拆完一塊胸板，作業人員應仔細觀察胸板開口處前方土體情況，確認土體穩定后方可進行下一塊胸板的拆除作業；

（6）若前方土體不穩定，在拆除胸板的時候應加氣壓，土體穩定后方可由氣壓工進行胸板拆除作業。

3）利用750 N高壓水槍設備及管路設施，增加水槍壓力，切割沖刷硬土：

（1）頂進過程中若土體不易擠壓進泥水倉，應停止頂進，先使用高壓水槍將開口處前方土體清空，減小頂力后再頂進；

（2）頂進過程中若局部出土，應將大部分水槍集中沖刷不出土的地方，保證盾構機姿態，平穩推進。

4）由硬土層過渡到淤泥質土的時候，易發生涌土現象，為保證施工順利和安全，需要將拆除的胸板裝回：

（1）頂進過程中施工人員應時刻觀察泥水倉內情況和盾構機頂力，若頂力變小、前方土體土質變軟，應停止頂進并研究地質條件后判斷是否回裝胸板；若土體突然變軟涌入泥水倉，導致水力機械來不及抽吸泥水，此時應立即停止頂進并加氣壓穩住前方土體，用高壓水槍將泥水倉內泥土沖盡，并回裝胸板；

（2）回裝胸板施工前，應先確認前方土體是否穩定，若不穩定應加氣壓再進行回裝胸板作業。

5）在上軟下硬土層及硬土層中，盾構機頭容易上抬，姿態難以控制。利用盾構機設置的4 只8 英寸海底閥，進行高壓水槍沖泥，松動盾構機外殼下部硬土，便于盾構機糾偏，控制姿態。

5 結語

本文結合背景工程的高靈敏度、軟硬復合復雜地質條件的特點，對盾構機設備及盾構施工技術開展研究，得到以下成果：

1）自主研發、設計、制造了適應于復雜地質條件的可調節式網格氣壓平衡盾構機，可適用于不良性質土層（高靈敏度）、軟硬不均地質條件下的隧道施工，并具有氣壓清障功能，并為網格式盾構施工適用于各類復雜地質條件提供了設備支持。

2）開發高靈敏度土層及軟硬不均地質條件下盾構施工技術，進一步完善盾構施工工藝及施工技術，為今后解決不良性質土質、復雜地質條件隧道工程提供技術支撐。

本文的研究成果將實現網格式盾構法適用于各類復雜地質條件隧道工程，在火電工程建設中更為廣泛應用，其社會效益和經濟效益十分明顯。