成都地區泥巖盾構掘進常見問題及處置方法

俞豐平 （中鐵城市發展投資集團有限公司，四川 成都 610000）

成都地鐵在骨干線路日趨完善后，市區加密線路開始修建，隨之線路埋深也進一步加深，盾構施工地層由富水砂卵石地層向泥巖地層轉換，泥巖地層盾構施工雖擺脫了滯后沉降、卵石卡刀盤、沉倉等砂卵石地層常見問題，但隨之也帶來新的問題，例如刀盤結泥餅、管片上浮、盾構掘進姿態異常等問題。

1 泥巖地層的特性

成都地區分布的軟巖為白堊系中統灌口組(K2g)泥巖。泥巖具有如下4個特性。

1.1 軟巖，遇水軟化

通過查詢資料，強風化泥巖抗壓強度為1.28MPa，軟化系數為0.18；中等風化泥巖的飽和抗壓強度為3.49MPa，軟化系數為0.21；微風化泥巖的飽和抗壓強度平均值為8.31MPa，軟化系數為0.31。由此可見，無論強風化泥巖還是微風化泥巖均屬于極軟巖和軟化巖石。

1.2 微膨脹性

根據地勘報告顯示，泥巖為弱膨脹巖，室內試驗統計，泥巖的自由膨脹率18%，膨脹力39.2kPa。

1.3 基巖裂隙水

富含基巖裂隙水，水量主要受裂隙發育程度、連通性及裂隙充填特征等因素的控制，水量一般不大，局部地段水量豐富。

1.4 粘土質礦物

泥巖的主要礦物成分為粘土質礦物。

2 刀盤結泥餅

2.1 主要現象

盾構在推進過程中，出現慢速、低扭矩、大推力，渣溫高，在正常加水的情況下，出現噴涌，出渣不連續，渣樣呈磨碎狀。

2.2 典型案例：

成都地鐵7號線某區間在掘進第325環開始，盾構機推進過程中出現持續噴涌現象，噴涌現象較為嚴重，噴涌壓力較大掘進速度在5～20mm之間波動頻繁。盾構掘進推力大，達到1800t左右；掘進速度慢，不到2cm/min;扭矩低,平均只有2500kN·m。開倉后發現刀盤中心區已結泥餅，周邊開口部分結餅。

2.3 原因分析

泥餅的形成主要受礦物顆粒間的粘結力、壓力、溫度等的影響，在泥巖地層盾構施工時，刀盤將土體切削成大小不一的碎塊和碎屑，在遇水軟化崩解后，渣土中細顆粒增加，依靠表面吸附力吸附于刀盤表面和土倉壁上，特別在中心部位，開口小，線速度低，更易形成泥餅。

2.4 解決方法與預防措施

①對已出現輕微結餅的，可采取分散性泡沫進行渣土改良，同時加大用水量，適當降低倉位，促使渣土快進快出。

如情況仍未好轉，在推進過程中，在膨潤土箱中加入水：分散劑=10∶1的混合液注入土倉，減少渣土的粘聚力。

情況持續惡化的情況下采用純分散劑或者剝離劑泡倉。

②在結餅嚴重的情況下，直接開倉進行處理。

2.5 預防措施

①在粘性顆粒較多的泥巖地層原液比例2%～3%、膨脹率10～12倍、流量300L/min左右。

②通過刀盤前方加入大量水，改良渣土的流動性，一般流量選擇中心8～12m3/h，周邊4～6m3/h。同時利用土倉壁上的刀盤加水，對倉內的渣土進行沖刷。刀盤前方的加水量和土倉內加水量控制在2∶1左右的比例。

③適當提高刀盤轉速至1.7～1.8轉，控制掘進過程中貫入度，由于18寸滾刀高度為187.7mm，焊接撕裂刀的高度為150mm，刀高差37.7mm，因此貫入度控制在40cm以內。

3 管片上浮

3.1 主要現象

成型管片在脫離盾尾，脫離臺車后發生上浮現象，上浮量超過3cm以上，部分可達8～10cm。

3.2 典型案例

成都地鐵某盾構區間5d內4次測量成型管片垂直姿態，最高上浮115mm。

3.3 原因分析

盾構開挖直徑為6304mm，盾尾直徑為6230mm，管片外徑為6000mm，因此開挖與管片間存在152mm的空隙。而泥巖地層又有一定的自穩性，空隙未能被地層填充。拼裝完成的管片處于地下水和漿液的浸泡中。即使在同步注漿跟上的同時，初凝的6～8h內，管片處于一個活動狀態。

3.4 解決方法及預防措施

①控制盾構掘進姿態，后點垂直姿態根據總結的管片上浮量，有意識的控制在負值，一般取-40～-20mm左右。

②脫出管片后3～5環及時進行二次注漿，二次注漿采用雙液漿，注漿點位為上部，錯開封頂塊，注漿方量一般控制在0.3～0.5m3。

③做好螺栓復緊工作，3次或多次復緊。

④調整同步漿液凝結時間，采用高密度、良好充填性，體積收縮率低，保證漿液不分層、不離析。優先選擇上部注漿管路進行注漿。

⑤對于長下坡的隧道，間隔15環～20環全環注漿，形成環箍，切斷后方可水源補給。

⑥采用定位隼或者槽鋼拉結的方式，讓管片形成整體，增加自重。

4 長時間停機后姿態控制困難

4.1 主要現象

長時間停機后盾構恢復推進，推進油缸正常壓差條件下，盾構姿態不受控制，調整分區油壓后仍然不受控。推力增加，特別是鉸接壓力上漲較快。

4.2 典型案例

成都地鐵7號線某區間，由于春節停機放假，盾構機于2015年2月5日掘進至326環停機，停機時水平姿態前點+9，后點+2，趨勢+1。2015年2月25日恢復掘進（停機20d），恢復掘進后盾構機水平姿態一直向曲線外側發展，每環變化速率約7～10mm/環，掘進至335環，水平姿態變化為前點-46，后點-8，趨勢-8mm/m。在采用增加左右千斤頂油壓差的措施情況下盾構機水平姿態繼續向曲線外側發展，盾構機姿態仍無法控制。

4.3 原因分析

造成姿態控制困難的主要原因為開挖后圍巖松弛，另外泥巖的微膨脹性導致盾體受到束縛，同步注漿漿液在長時間停機后凝固，與盾構機殼體形成一體，從而開挖輪廓無法滿足盾體通過的要求。

4.4 解決方法

①優化管片選型，使隧道軸線、盾構機軸線、管片軸線三線一致，必要時選用1.2m管片，加快調整速率。

②加大上下油壓差，在特殊情況下，可拔除電磁閥或增加輔助油缸，進一步加大油壓差。

③做好盾構潤滑工作，可通過中盾徑向孔注入膨潤土或油脂，減少盾尾與地層的摩擦阻力。

④開倉增加超挖刀，用撕裂刀替換最外側的滾刀，一般替換兩把，擴挖半徑較之前增加約5cm。

4.5 預防措施

①對停機地點應提前進行籌劃，停機前3環，同步注漿液調整為惰性漿或者膨潤土，避免盾尾包裹。

②在停機期間，應適當向前掘進，可選擇1d向前掘進20cm～40cm，避免長時間圍巖松弛和膨脹力將盾體裹住。

③在停機時，通過中盾徑向孔注入膨潤土，潤滑盾體。

④在停機后恢復推進階段，應高度關注姿態的變化，及時調整掘進參數。

上述為泥巖地層常見的主要問題及處置方式，盾構推進是一個動態的過程，很多問題的出現是有諸多征兆的，在推進過程中，我們更應該關注細節和參數的變化，從變化中尋找規律，從規律中尋找解決辦法。