軟弱地層小直徑土壓盾構垂直姿態輔助糾偏技術

（粵水電軌道交通建設有限公司,廣東 廣州 510610）

盾構法作為暗挖法施工中的一種全機械化施工方法,廣泛應用在城市軌道交通、鐵路、公路、水利水電等各類地下空間開發領域。由于掘進過程中盾構承受土壓力的不均衡性以及地下土層變化等因素的影響,實際軸線無法與理論軸線保持一致。工程實踐表明,盾構掘進過程中時有出現軸線偏差情況,且通過合理控制盾構掘進參數結合注漿技術及其他措施,一般都能有效控制盾構姿態。但是,在軟弱地層中,由于穿越土層的低強度、高靈敏度和易觸變、流變等特性,地層自穩性極差,加之盾構設備中心靠前,盾構姿態控制問題更是突出,姿態控制困難,越是控制越易造成較大的擾動,甚至盾構整體下沉或栽頭的情況,將導致管片應力集中、管片開裂及過大地層沉降等不良后果,嚴重影響到周邊建（構）筑物的安全和隧道質量。本文以某電力隧道工程盾構掘進垂直姿態偏線為背景,探討了軟弱地層小直徑盾構掘進垂直姿態輔助糾偏方法,為類似工程的建設提供一定的參考和幫助。

1 工程概況

1.1 工程整體概況

某電力隧道工程項目隧道區間總長2 212.3m,由工作井始發至接收井到達接收,隧洞埋深7.5～17.4m,平面最小曲線半徑約為150m,最小豎曲半徑為1 000m,最大坡度為58‰。采用?4 360mm 土壓平衡盾構掘進,盾構水平鉸接角度最大7.5°,滿足水平30m 轉彎半徑,垂直鉸接角度僅0.2°左右,無下俯功能。

1.2 地質水文情況

根據地勘資料,盾構始發后主要在軟弱地層中掘進,洞身穿越地層主要為<3-1>粉-細砂層、<3-2>中粗砂層、<3-3>礫砂層,局部為<4N-1>軟塑狀粉質粘土層、<4N-2B>可塑狀粉質粘土層、<5C-2>硬塑狀粉質粘土層、<6C>全風化炭質灰巖、<8C-1>中風化炭質灰巖,其中砂層占40.5%,上軟下硬地層占10%（表1）。

表1 主要土層物理力學指標

根據盾構始發工作井相近處的詳勘孔地質資料,在5.5～13.65m 深度范圍的粉細砂液化指數總和為28.3～34.8,屬于嚴重砂層液化,根據設計要求,隧道在通過<3-1>淤泥質粉細砂層后,需在管片壁后進行砂層液化注漿加固處理。

2 盾構姿態偏線情況及原因分析

2.1 盾構姿態偏線情況

盾構自始發至掘進完成400 環的掘進過程中盾構垂直姿態出現兩次較大的“下沉”偏線情況。第一次盾構姿態偏線在盾構始發試掘進穿越端頭地下連續墻時出現,至38 環位置處達到最大,盾構垂直姿態為切口-1 113mm、盾中-1 177mm、盾尾-1 230mm,與設計軸線垂直偏差達1 237mm。此處隧道埋深12.1～12.7m,隧道洞身主要穿越<3-1>液化粉細砂、<4-2B>淤泥質土層,盾構姿態和所處位置范圍地質剖面情況,如圖1 所示。第二次盾構姿態偏線在盾構掘進至210環左右出現,在230 環位置左右處到達最大,盾構垂直姿態為切口-178mm、盾中-248mm、盾尾-269mm,與設計軸線垂直偏差達328mm。該處隧道埋深11.4～11.7m,隧道洞身位于<3-1>粉細砂、<3-2>中粗砂、<3-3>礫砂及<4N-2B>淤泥質土,如圖2 所示。

圖1 盾構垂直姿態變化曲線及所處位置范圍地質剖面圖

圖2 盾構垂直姿態變化曲線及所處位置范圍地質剖面圖

2.2 原因分析

2.2.1 始發結構原因

盾構出洞前,洞門結構施做存在偏差,實際位置向左偏移34mm,向下偏移36mm。盾構始發掘進時根據洞門實際位置調整盾構姿態,使得盾構出洞前形成下坡趨勢。盾構刀盤進入端頭加固區時,盾體仍作用在始發臺架上,無法通過增大主動鉸接角度來滿足盾構姿態糾偏。

2.2.2 盾構設備原因

盾構設備的質量分布可形象地描述為“頭重腳輕”,只依賴掘進推力與工作面的摩檫力不足以維持盾構的姿態,往往盾構自身具有“下沉”的傾向。項目采用的盾構全長98m,總重約300t,其中盾體重174t,盾體長度7.713m,重心偏靠前位于切口后方3.493m。受盾體重心向前及主動鉸接推進模式的影響,盾尾向下趨勢小于前盾,盾構姿態呈現向下趨勢。

2.2.3 地層條件原因

工程所穿越地層的特性和物理指標都大不一樣,盾構姿態必定受到各土層物理性質的制約和影響。由于斷面內巖層軟硬不均,推力及扭矩變化較大,盾構主機有著向地層較軟的一側偏移的慣性。盾構兩次垂直姿態偏線情況,一是在始發試掘進階段,二是在盾構恢復正常掘進期間,由圖1～圖2 可知,盾構姿態偏線位置隧洞主要穿越粉細砂、下淤泥質土層,為設計規定的液化注漿加固處理區,盾構通過該段區域時其垂直姿態極可能呈向下趨勢。考慮到盾構掘進對下臥土層的擾動及注漿加固處理效果的不確定性,無疑加劇了盾構機頭下傾的趨勢。

3 常用的糾偏方法

3.1 刀盤旋轉糾偏

盾構的旋轉偏差可通過改變刀盤的旋轉方向,形成反方向的旋轉力偶進行修正。實際操作過程中,必須根據旋轉角的測量數據在一定調整范圍內正確選用。

3.2 千斤頂分區控制糾偏

盾構掘進是在千斤頂推力作用下完成的,合理選擇千斤頂的作用區域、個數及推力,能保證盾構沿設定的隧道軸線推進。在盾構姿態趨勢與線路線型趨勢一致的基礎上,可通過設置盾構千斤頂作用分區并調整各區壓力值來實現盾構姿態的實時調整,使姿態緩慢糾偏靠近設計軸線。

3.3 鉸接糾偏

盾構鉸接裝置可以使盾構前后彎曲,產生一定角度的折角,以適應曲線段掘進,分主動型和被動型兩類。當盾構姿態需要調整時,可通過調整鉸接裝置的鉸接角度,使盾構能夠向所需要的方向掘進。

3.4 注漿糾偏

盾體周邊地層注漿,一方面能減少周圍土體的擾動,增強土體的承載能力,提高盾體與周圍土體的摩擦阻力；另一方面可利用注漿壓力調整改變管片姿態；從而達到增強管片穩定性和盾構姿態糾偏的目的。

4 糾偏方案確定及實施效果

4.1 糾偏方案確定

盾構刀盤進入端頭加固區（第一次盾構垂直姿態偏線）,盾體重心在始發臺架約3.4m,盾體重力作用在始發臺架上,受洞門結構施做偏差影響,通過增大主動鉸接角度無法滿足盾構姿態糾偏。盾尾脫離端頭加固連續墻約2.4m 時,盾體重心向下趨勢明顯,受盾構防扭轉銷限制,垂直最大鉸接角度僅0.2°,糾偏效果不明顯；之后通過優化盾構防扭轉銷來擴大盾構垂直糾偏范圍（使鉸接角度可在0.6°范圍內調整）,但從圖1 盾構垂直姿態曲線和圖3 盾構垂直姿態每環變化情況上看,盾構在15～25 環掘進過程中垂直姿態每環變化率在-40mm/環左右浮動,盾構垂直姿態仍呈下沉趨勢,并未能有效糾偏。

盾構掘進至210 環左右時（第二次盾構垂直姿態偏線）,通過垂直鉸接糾偏取得了一定的效果,盾構垂直姿態每環變化情況有所降低,但盾構姿態仍呈下沉趨勢；同時,因盾構姿態偏線范圍地面為地鐵施工圍蔽區域,無法滿足地面加固條件,后期通過采取加強洞內注漿、加大垂直鉸接角度、調整千斤頂分區及其他盾構掘進參數等措施,從圖2 盾構垂直姿態曲線和圖4 盾構垂直姿態每環變化情況上看,盾構在掘進過程中垂直姿態每環變化率基本在-20～-10mm/環范圍,盾構垂直姿態下沉趨勢未能得到有效控制。

圖3 盾構垂直姿態每環變化情況（0～30環）

圖4 盾構垂直姿態每環變化情況（210～230環）

從實際糾偏效果看,采取上述糾偏措施雖有一定的糾偏效果,但糾偏效果不甚理想,盾構垂直姿態仍呈下沉趨勢。為控制盾構姿態和隧道軸線,提出了利用往盾構周邊地層定向泵送黏土輔助盾構鉸接控制、掘進參數控制、注漿控制等的盾構姿態控制糾偏方法。

4.2 方案實施

方法主要通過在盾構偏線方向地層泵送拌制好的黏土,不斷加壓填充,以增強盾構偏線方向地層土體的承載力和作用,輔助盾構主動鉸接控制、掘進參數控制、管片壁后注漿控制等措施進行盾構姿態調整及控制。

1）黏土定向泵送 根據盾構偏線情況,在盾構前盾底部5、7 點位設置2 個注入孔。盾構在向前掘進的同時,在5、7 點注入孔一起定向注入拌制好的黏土,每向前推進200mm,注入壓力達到3MPa 時,穩壓10min,黏土泵送量要求能夠滿足掘進機糾偏要求；一次泵送壓力和黏土泵送量不能過大,避免過度糾偏。在泵送過程中,每注入0.03m3或每掘進200mm 測量一次盾構姿態,每掘進一環測量一次地表沉降。黏土在現場或者隧道內采用立式攪拌桶拌制而成,拌制過程中密切關注黏土狀態,黏土含砂率不大于1%,砂的細度模數為1.6～2.2,平均粒徑不大于0.25～0.35mm。

2）盾構掘進參數控制 根據地質資料,預判并不斷優化調整盾構掘進參數。在軟弱地層采用不轉動和低速轉動刀盤的方式掘進,減少對地層的擾動。盾體仰角略大于比設計軸線,盾構推力控制在5 000～19 000kN,刀盤扭矩控制在300～1 500kNm 范圍,土倉壓力維持在100～230kPa。嚴格控制盾構排土量,采用滯排土模式推進,盾構每環理論土方量為14.9m3,根據實際改用渣土斗計量及控制出渣量,提高土倉壓力,減少盾構推進對地層的擾動。

3）盾構垂直鉸接控制 對盾構防扭轉銷不斷優化調整,通過垂直鉸接角度,改善鉸接糾偏范圍及效果,經優化垂直鉸接向上角度達到0.75°,可滿足300m 豎向轉彎半徑。

4）同步注漿及二次注漿 確保同步注漿及時且飽滿,同步注漿理論方量1.7m3,根據掘進經驗,每環注漿量應不少于4.5m3,每一環的注漿方量都進行嚴格管控,確保注漿量飽滿；同時對于出土略有異常的位置,盾尾到達時加大注漿量,做到及時填充和閉合。必要時及時在管片相應位置進行二次補漿,以達到盾體周邊土體擠壓密實的目的,提高土體承載能力。

4.3 糾偏效果

通過采取上述盾構姿態控制輔助糾偏方法,實施效果良好,糾偏前后盾構垂直姿態變化曲線及過程中每環變化情況如圖5～圖7 所示。從圖中可以看出,在第一次盾構姿態偏線及糾偏實施過程中,盾構在掘進至25 環左右位置時盾構偏線下沉趨勢得到控制,垂直姿態每環變化率開始由負轉正并在之后基本維持在0～30mm/環,在38環位置盾構垂直姿態開始向上糾偏,掘進至143環位置盾構垂直姿態糾偏至隧道軸線設計范圍；在第二次盾構姿態偏線及糾偏實施過程中：盾構掘進至230 環左右時,盾構垂直姿態變化情況由方法實施前的-20～-10mm/環降低至-6～3mm/環,垂直姿態下沉趨勢得到有效控制；之后盾構在掘進過程中每環垂直姿態變化情況平均在+3mm/環左右,盾構垂直姿態開始得到往上糾偏,盾體與隧道設計軸線垂直偏差逐步減小,在掘進至290 環左右時成功糾偏至隧道軸線設計范圍。

圖5 盾構垂直姿態變化曲線（0～400環）

圖6 盾構垂直姿態環變化情況（0～160環）

圖7 盾構垂直姿態環變化情況（210～330環）

5 結語

1）提出了軟弱地層小直徑土壓盾構隧道掘進姿態輔助糾偏技術,有效解決軟弱地層盾構掘進垂直姿態控制難的問題。實施結果表明,通過定向泵送黏土輔助糾偏,盾構姿態得以控制,隧道軸線得到了有效保證,保障了盾構施工安全及質量。

2）根據已完成隧道施工情況,盾構掘進姿態控制是一個動態的過程,受地層因素影響大,不可能在一環或幾環內完成姿態糾偏?？紤]后續電力隧道與地鐵隧道存在多處交叉施工,應根據各段地質情況對各項掘進參數不斷調整,因地制宜采取合適有效的糾偏方法或措施。