淤泥質軟土地層盾構選型及掘進技術研究

喬治

（中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054）

近年來，全國地鐵建設如火如荼，杭州市也加快了地鐵規劃和建設步伐，根據杭州市第三批地鐵建設規劃，從2018年下半年起，杭州地鐵三號線、六號線、七號線、八號線、九號線、十號線等線路全面進入施工期，確保2022 年亞運會召開之前，杭州市將形成13 條軌道交通線，514km 的軌道交通網絡，全力打造地鐵交通服務網。筆者單位在杭州片區第三批地鐵建設規劃中共需投入34 臺盾構機，本文以杭州地鐵十號線3 標為例，總結淤泥質軟土地層盾構機掘進存在的問題，對如何做好盾構設備選型及掘進過程管控進行了探索。

1 工程概況

杭州地鐵十號線3 標隱～莫盾構區間左線全長971m，采用一臺土壓平衡盾構機施工，從隱秀路站始發，莫干山站接收。盾構區間穿越的地層主要為淤泥質粉質黏土、粉質黏土。本項目淤泥質軟土比較軟弱，靈敏度強，承載力較小，容易出現局部破壞或滑動。在荷載作用下產生土體結構破壞、不均勻沉降、較大的側向變形等問題，且沉降與變形持續的時間長，強度恢復時間也較長。

2 淤泥質軟土地層盾構機掘進出現的問題分析

通過對杭州地區淤泥質軟土地層盾構施工情況總結分析，存在以下問題：

（1）盾構機主機上浮。投入施工的盾構機主機重量偏輕（總重量約278T），重心位置選擇不合理, 在淤泥質軟土地層掘進中地層抗力小，盾構機自重及上部抗力的總和小于所受的浮力，導致在掘進過程中姿態上浮。

（2）盾構機姿態控制難。盾構機在淤泥質軟土地層中掘進，由于該地層束縛力弱，普遍總推力在1000T 以下，調整姿態時難以形成有效的推力差，盾構機掘進姿態控制難度大。

（3）管片上浮。盾構機在掘進過程中，脫出盾尾的幾環管片，由于同步注漿的漿液還沒有完全凝固，在淤泥質軟土地層中的上浮力大于管片自身重量及覆土荷載時，管片會產生上浮。

（4）管片破損。杭州片區管片普遍設計為帶凹凸榫槽設計，這種管片對盾構推進參數控制及拼裝質量要求非常高，盾尾間隙過小、盾尾失圓、管片浮動、管片拼裝質量等出現問題，都會出現管片錯臺、破損、破裂。部分項目管片出現連續破損

開裂、同一環多處破損現象，成型隧道質量受到了影響。

（5）地面沉降量大。因地層的自穩性相對較差，尤其是盾尾空隙沉降和長期延續沉降，這兩個階段地層沉降及變形難以得到有效的控制。通過測量監測數據，部分項目盾構區間最大沉降量達50mm。

3 淤泥質軟土地層盾構選型優化

經過對杭州地鐵十號線3 標地質情況分析，針對存在的問題，在進行盾構的選型時，結合其他淤泥質軟土地層項目盾構成功的施工經驗，對盾構主機的重量分布、注漿系統設置、盾尾間隙、螺旋輸送機系統進行了針對性設計，確保盾構設備充分滿足對淤泥質軟土地層的適應性。

3.1 合理確定盾構自重及重心位置

該項目選用的盾構機，將機體重量選定、重心的分布進行了優化，最終盾構機主機重量323 噸，主機重心與刀盤面板的距離3.8 米。較該區域原使用盾構機，盾構主機重量增加45 噸，增加的重量克服地層的浮力，避免盾構機掘進過程中的上浮；重心位置由3.46 米后移至3.8 米，有利于避免盾構機栽頭，穩定盾尾。

圖1 原盾構機主機重心位置示意圖

圖2 本項目使用盾構重心位置示意圖

3.2 增加注漿管路

原盾構機在盾尾外部殼體上設置4 處注漿管路，注漿殼高出盾尾12 公分，進出洞及通過加固區時容易發生“卡盾”的情況。本臺盾構機采用在盾尾內置注漿管的方式，避免掘進出現盾體被卡，同時注漿管路數量由4 根增加至10 根（4用6 備），防止管路堵塞后影響注漿效果。

3.3 盾尾間隙優化

管片拼裝處盾尾間隙由原來的30mm，增加至45 ～50mm，避免盾構機姿態不佳造成盾尾間隙過小，盾尾擠壓管片引起管片開裂破損，同時，確保在管片上浮時候還有足夠的拼裝間隙。

3.4 螺旋輸送機優化設計

盾構機增加軸向移動可伸縮功能，螺旋機可伸縮1000mm，當發生突泥涌水時，可將螺旋機縮回，并將螺旋機最前端與土倉內的倉門關閉，保證掘進安全。

4 淤泥質軟土地層盾構掘進控制要點

4.1 控制盾構掘進姿態

（1）盾構機在淤泥質軟土地層中掘進，盾構機對推力反應很敏感，推力差是控制盾構機姿態的基本方法。通過調節四組推進油缸的推力，形成合理的推力差，使盾構機形成沿著軸線方向的趨勢，掘進姿態與設計軸線基本擬合。

（2）盾構機在淤泥質軟土地層中的姿態糾偏，通常采取“少量糾偏、多次糾偏”的方式，將盾構機姿態變化范圍控制在5mm/環，切忌糾偏過大或強行糾偏，造成盾尾刷過度磨損，以及管片開裂、錯臺。

（3）當盾構機姿態與軸線偏差超過50mm 時，靠推力差無法有效調整盾構機姿態，可結合偏差大小，通過調節主動鉸接油缸伸縮量，輔以管片合理選型，調整盾構機姿態使之符合設計線路。

（4）通過對實測管片姿態的分析，指導盾構機掘進姿態的調整。盾構機姿態的理想位置，還要結合成型管片的姿態變化情況確定，杭州片區管片拼裝完成到基本穩定后，通常會出現一定的上浮量。以本區間某段成型管片實測姿態測量數據為例，實測姿態較盾構機測量導向系統讀取數據偏差值為+25 ～+39mm，因此在后續掘進中將盾構機姿態控制在設計中線正下方2 ～3cm，抵消管片上浮量。

4.2 合理選擇掘進參數

（1）控制掘進速度。將推進速度控制在20 ～40mm/min為宜，確保管片脫出盾尾的間隙能夠及時得到注漿量的填充，避免漿液注入不及時，或漿液被水稀釋而影響漿液的性能。

（2）均衡施加推力。盾構機完成上一循環掘進及管片拼裝，下一循環掘進開始時，首先，要確保推進油缸撐靴緊貼管片，緩慢、均勻地對管片施加軸向壓力，總推力小于1000T，避免推力過大或不均衡造成管片破損。

（3）合理選擇土倉壓力。盾構機在淤泥質軟土地層中掘進，土倉壓力選擇不合理會造成開挖面失穩及地表沉降。在掘進中我們經過反復觀察及試驗，土倉壓力控制在0.15MPa～0.20MPa 時，地層的沉降量較小且地層穩定受控。同時，嚴格控制出土量，經計算每環理論出土量實方39m3，虛方約50m3，大于此方量需要對地面加密測量及分析，確定是否存在超挖或發生較大地表沉降。

4.3 優化注漿參數

（1）嚴格控制同步注漿質量。漿液選用惰性漿液（附配合比），具有比重大、填充性、抗離析性、流動性好的特點，及時填充盾尾間隙，塌落度控制在12 ～16cm，泌水率＜5%。通過合理的注漿配比及注漿過程管控，有效控制地表沉降，減少對地層擾動，減小注漿過程對管片造成的上浮。

表1 惰性漿液配合比

（2）適當增加注漿量。注漿量的多少，將直接影響地表沉降變形的大小，是地表沉降控制的關鍵要素。理論注漿量計算如下：

式中，D 為刀盤開挖外徑；d 為管片外徑

根據本項目淤泥質軟土盾構掘進經驗，注漿率為理論注漿量的1.5 倍，注漿壓力為0.15 ～0.3MPa 時，地表沉降可控制在10mm 以內；當注漿率小于理論注漿量的1.5 倍時，地表沉降量有顯著增加的趨勢。

因此，合理注漿量至少為：Q 注入量(m3)=2.74×1.5=4.1 m3，考慮到地層漿液的滲透系數，每環注漿量為4.5m3，以盾構間隙填充飽滿，沒有漿液滲漏，地表監測穩定為宜。

（3）優化注漿方式。注漿采取4 路單管單控，單獨計量方量，四路同時注入漿液，確保管片周圍注漿均勻行成包圍圈，避免單點或兩點注漿導致漿液不能形成環箍，影響注漿效果。

（4）及時采取二次補漿措施。本項目盾構機下穿建筑物及地層敏感帶時，實施二次注漿，達到加強隧道襯砌加固的目的。二次注漿選用單液漿，采用注漿壓力和注漿量雙控原則，注漿位置以中上部為主，防止二次注漿造成管片上浮或錯臺。

4.4 嚴格進行管片選型和拼裝工作

每環盾構掘進，安排專人測量盾尾間隙兩次，結合盾構機掘進姿態及油缸行程差，進行管片選型。管片安裝到位后，使用扭矩扳手使螺栓初緊、復緊、終緊達到標準要求，及時伸出相應位置的推進油缸頂緊管片，其頂推力應大于穩定管片所需力，然后，方可移開管片安裝機。

4.5 強化沉降監測

（1）加密布設監測點。沿盾構區間中心線隧道方向布設測點，在盾構始發、到達段30m 內，加密布設測量監測點，每5m 設一斷面；其他位置每10m 布設線路中線測點；每30m布設大斷面測點，每斷面左右線咬合布設5 ～9 個地表沉降監測點，間距為3 ～8m，分別布設于線路中心線及距離隧道中心線3.3m、5m、9m 位置。

（2）保證沉降監測頻率。地面沉降監測頻率每12h/次，盾構施工至建構筑物段時加密監測，每6 小時/次，觀察沉降速率及沉降值。按時將測量沉降情況向盾構作業隊做交底，當監測數據達到預警標準時，必須進行警情報送，確保盾構操作手能夠及時調整掘進參數。

（3）引入人工復測機制。在盾構機測量導向系統測量盾構機姿態的同時，每20 環由人工對管片姿態進行復測，與導向系統測量數據進行對比，規避測量誤差。

5 盾構掘進效果

杭州地鐵十號線3 標隱～莫盾構區間左線全長971 米，自2020 年1 月12 日始發，5 月25 日貫通，平均進度215 米/月，通過合理化管控，掘進姿態全面受控，管片錯臺、開裂現象得到了有效遏制，成型隧道質量較杭州地鐵二號線得到了大幅提升。

6 結語

盾構機在淤泥質軟土地層中掘進，盾構機姿態控制難、管片開裂等問題較為常見，在杭州地鐵十號線3 標隱～莫盾構區間掘進過程中，我們按照“地層是基礎、設備是關鍵、人是根本”的盾構施工管理理念，強化對地層的研究認知，優化設備選型及配置，合理選擇控制掘進參數，嚴控注漿配合比及注漿量，規范管片選型及拼裝作業，加強測量沉降監測管理，解決盾構機姿態控制難、管片易開裂等淤泥質軟土盾構掘進常見問題，在確保盾構安全、快速掘進的同時，也為今后在類似地層條件下的盾構施工提供借鑒及經驗。