淺析軟土層中盾構掘進姿態控制技術

許毓昌

摘 要：天津市地形自西北向東南逐漸降低，本工程場地為海積—沖積濱海平原，區間施工范圍內主要以軟土層等為主，地層自穩性相對較差，因此在軟土層中盾構掘進姿態控制是盾構施工的一大難點。本文通過實例，闡述了在軟土地層中，通過優化盾構掘進參數及二次注漿等措施，確保盾構姿態穩定、可控。

關鍵詞：淤泥質粉質黏土軟土層;盾構機掘進速度;同步注漿漿液;盾構機姿態控制

1 工程概況

天津地鐵11號線一期工程某區間為全地下盾構區間，區間管片襯砌采用形式為通用楔形環襯砌，管片內徑5 500 mm，外徑6 200 mm，厚度350 mm，環寬1 500 mm，楔形量為30.3 mm（雙面楔形）。區間單線長1 374.231 m，最小平面曲線半徑800 m，縱坡為“V”字坡，最大縱坡26‰;區間埋深約10.01 m～21.25 m，盾構隧道所穿越地層主要以淤泥質粉質黏土、黏質粉土、粉質黏土、粉砂等軟土層為主。盾構在軟土層掘進過程中由于周邊土體約束力小，極易造成姿態糾偏困難。區間主要穿越地層巖土層物理力學性質指標詳見表1。

2 軟土層掘進姿態難以控制原因分析

區間線路頂部不均勻分布⑥2淤泥質粉質黏土，地層工程性質相對較差，尤其是覆土較淺段存在0.5 m～1.5 m的淤泥質粉質黏土層，盾構掘進過程中，在刀盤切削后對松軟地層有一定的擾動，軟土層無法提供充足的反力，導致盾體整體位移量大、盾構機姿態難以控制，極易造成盾尾姿態上臺或者左右擺動的情況。在盾構掘進過程中，可能影響盾構掘進姿態難以控制的主要因素如下：

2.1 軟土層土體收縮

根據區間巖土工程勘察報告，區間隧道洞身主要以⑥2淤泥質粉質黏土、⑥4粉質黏土、⑦1粉質黏土、⑧1粉質黏土及⑨1粉質黏土為主，含水量介于16.0%～32.9%，呈流塑—可塑狀態，其中⑥2淤泥質粉質黏土位于區間上部呈流塑狀，承載力特征值為80 kPa。本區間盾構機掘進過程中，經刀盤轉動后地層具有一定的流動性和滲透性，尤其是流塑狀的⑥2淤泥質粉質黏土層最為明顯。由于區間軟土地層具有含水率高、孔隙比大、強度低等特點，盾構姿態調整過程中，盾體通過時對地層有一定的擠壓，導致軟土層土體收縮，使得盾構機姿態難以控制。

2.2 盾構機掘進速度控制

盾構掘進由操作司機在盾構操作室內進行，由技術人員經計算初設正面土壓力值。土壓力值根據隧道埋深、土層性質和地面超載計算，實際設定值根據監控量測結果適時調整。操作司機根據設定的正面土壓力自動控制掘進速度或出土速度。當掘進姿態難以控制時，掘進速度過快，對軟土層造成的擾動加大，地層無法為盾體提供足夠的約束力，導致盾體整體位移、掘進姿態難以調整。

2.3 同步注漿參數控制

盾構同步注漿裝置由注漿泵、清洗泵、同步注漿罐、注漿管路、閥件等組成，安裝在第一節臺車上。當盾構掘進時，注漿泵將同步注漿罐中的漿液泵出，通過四條獨立的輸漿管道，通到盾尾殼體內的4根同步注漿管，對管片外表面的環行空隙中進行同步注漿，及時填充管片與刀盤開挖直徑間的間隙。軟土地層中，同步注漿漿液初凝時間過長，導致脫出盾尾管片與土體未能及時得到有效的支護，成型管片整體穩定性差，在姿態調整期間，管片難以提供穩定的反力導致糾偏困難。

2.4 推進油缸區壓控制

盾構機推進油缸結合管片分塊角度，合理對推進油缸進行4個分區設置，通過16組推進油缸區壓差進行盾構姿態的控制。結合本區間施工經驗，軟土地層中通過較大的區壓差難以實現盾構姿態的調整，當推進油缸區壓差超過90 bar～100 bar，盾構推進油缸作用在管片上的分力越大，盾構切口姿態與設計軸線偏差值在縮小的過程中，鉸接與盾尾由于軟土層中土體反力較小，導致鉸接及盾尾姿態變化較大，難以有效的進行糾偏。

3 盾構姿態控制措施

3.1 軟土層土體收縮

（1）軟土層掘進中，適當降低刀盤轉速，提高貫入度，減小盾構機刀盤對軟土層土體的擾動。

（2）每環姿態調整過程中，采用“勤糾，緩糾”的原則，減小盾體對軟土層土體的二次擠壓。

（3）及時對脫出盾尾后3環采用雙液漿進行壓漿，填充土體由于盾體及同步注漿壓力導致的收縮量，有效、快速提高管片與土體間的穩定性。

（4）本區間隧底處于微承壓水層中，根據隧道內管片成型姿態及時進行注漿，控制成型管片上浮量不超過20 mm，保證隧道成型的穩定及管片質量的良好性。

（5）通過盾構機臺車長度計算，每掘進35環后需進行一次測量搬站，提前對全站儀安裝區域3環管片采用雙液漿進行注漿，對管片與外界土體間的間隙進行加固，確保盾構機導向系統測量數據的穩定性。

3.2 盾構機掘進速度

（1）適當降低盾構機掘進速度，本區間存在黏土夾層，可根據出渣情況適當在泡沫原液內加入分散劑對渣土進行改良，保持螺旋機出渣的連續性。根據本工程經驗，保持在25 mm/min～30 mm/min的掘進速度，盾構姿態較為穩定。

（2）保持每環管片盾構機連續、勻速掘進，減少掘進過程中停機時間，避免軟土層中由于掘進期間多次停機，導致盾構機姿態波動較大。

3.3 同步注漿參數控制

（1）同步注漿漿液質量直接影響成型隧道管片與土體之間的間隙填充效果以及管片在土體中的穩定性能，結合軟土地層擴散系數大及天津地鐵等類似的施工經驗，經過多次配比調整，通過提高水泥及砂的摻量，有效縮短漿液初凝時間及漿液稠度的控制，經過試驗，最終采取水泥：水：砂：粉煤灰：膨潤土為300 kg ：387 kg ：250 kg ：300 kg ：150 kg的配比進行施工，漿液初凝時間由原來的6 h縮短至4.5 h，漿液稠度達到10 cm，具有良好的泵送性能，滿足軟土地層盾構機掘進期間對同步注漿漿液質量的設計、規范要求。

（2）區間采用開挖直徑6 470 mm盾構機進行掘進，綜合始發前100環同步注漿量，該軟土地層土體擴大系數為1.61 m3～1.74 m3。不同地層可根據注漿壓力進行調整，結合監測數據，通過同步注漿壓力及同步注漿量進行雙控，本區間實際注漿量在6.5 m3～7.0 m3。

（3）軟土地層中需控制好同步注漿壓力及速度，在保證注漿量的前提下，同步注漿需做到與盾構機掘進速度相匹配，通過4路注漿管進行均勻、連續注漿，在微承壓水層中，注漿壓力可適當提高0.1 bar～0.2 bar，保證整環管片壁厚漿液填充飽滿、均勻。

3.4 推進油缸區壓控制

（1）合理設置盾構推進油缸區壓，根據本區間盾構在軟土地層中掘進施工經驗，嚴格控制水平及垂直方向推進油缸區壓差超過90 bar。

（2）調整盾構姿態期間，配合主動鉸接進行緩糾。根據線路設計參數，對鉸接行程差進行計算，通過鉸接油缸區壓保持盾構機切口姿態與設計線路的一致，穩住鉸接和盾尾姿態，待盾構機往設計線路靠近的趨勢增大后，再適當通過區壓進行盾構姿態調整，減小由于推進油缸區壓差過大導致盾體整體位移、姿態惡化的情況發生。

4 結束語

軟土地層盾構掘進施工過程中姿態難以控制受多種因素影響，通過本區間不斷優化掘進參數的情況下，及時對脫出盾尾后3環管片采用雙液漿進行補強、控制好盾構掘進速度、提高同步注漿初凝時間、對推進油缸區壓及主動鉸接的合理運用，最大程度減少姿態調整期間對軟土地層的擾動，減少盾構機在軟土地層中由于“甩尾”姿態難以控制的現象發生，保證盾構機在軟土層掘進過程中能夠有效糾偏，確保盾構機姿態穩定、可控。