極軟流塑地層盾構施工技術研究

鄭劍鋒/ZHENG Jian-feng

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

極軟流塑地層是指標貫值＜5、液性指數＞1的地層，在該工況下地鐵盾構施工，變形控制難度大，容易出現上浮、姿態偏離、收斂超限、沉降過大等問題，對既有結構也會產生不同程度的影響[1～2]。極軟流塑條件下盾構施工已經有很多學者開展了不少研究，取得了大量的成果。卓旭煬[3]通過填充高風險范圍內的溶洞、對軟塑紅粘土層進行加固以及在巖面傾斜過大的地方增設抗滑樁等措施有效防范了軟塑土隧道下沉風險。寧紀維等[4]結合淤泥質地層的特性，采取設定油缸壓力等措施，將盾構機的偏差控制在合理范圍之內；舒瑤等[5～6]分析了管片上浮機理，認為可等效梁模型的上浮量計算結果與既有現場反饋的實測數據相結合來預測上浮及檢驗施工參數的合理性，從而指導盾構施工。董賽帥等[7]等分析了盾構隧道掘進過程中管片上浮的機理，提出了施工過程中盾尾后方管片上浮的對策和針對性措施。季昌等[8]通過施工試驗段數據分析了不同因素對管片上浮的影響規律。葉俊能等[9]通過對施工中的管片結構形式分析，認為管片結構形式對施工期容許上浮量影響很大。張君等[10]根據管片受力狀態和受力情況，將管片上浮原因歸為四大類。上述文獻對盾構在軟塑層地層工況下的施工開展了一定研究，但是大部分集中在盾構上浮及其機理方面，對管片開裂、滲漏水及盾尾形變等涉及較少，本文結合杭州地鐵車站盾構在極軟塑地層施工案例，在分析管片上浮及其控制措施的基礎上，對管片開裂機理及防治措施和盾尾形變控制措施進行了詳細的歸納，具有較強的推廣和應用前景。

1 工程概況

杭州地鐵SG5-8 標三壩村站～益樂路站區間盾構區間左右線區間長度均為1 313·994 m。盾構穿越土層主要為：④2 淤泥質粉質粘土夾粉土、⑥1 淤泥質粘土夾粉土、⑥2 淤泥質粉質粘土。其中⑥2 層淤泥粉質粘土土層標貫值為1·8～4·1（平均2·6)，屬高含水量（39·6%)，高壓縮性，低強度，低滲透性的飽和極軟流塑土層，具有較高的靈敏度和觸變特性。在施工過程中，區間上行線隧道環破損率高達69·4%，下行線環破損率為71·2%。區間地質條件極其復雜，其中88%區段處于小半徑圓曲線及緩和曲線上，89%區段需穿越⑥2 層淤泥質極軟流塑地層，54%區段處于大坡度或大坡度變坡階段，同時地表沿線基本均為重要建（構)筑物、河流。

2 盾構在極軟流塑地層中施工難題

2.1 盾構施工上浮問題

盾構隧道主要穿越砂質粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土等土層，施工過程中出現了4 次較大的上浮，上浮位置分別位于“100～170 環”、“215～246 環”、“299～325 環”和“354～372 環”4個區段。具體上浮情況如圖1 所示。

圖1 停機狀態下上行線部分盾構上浮數據

2.2 管片破損、滲漏

通過對現場管片破裂情況統計分析，管片破損部位主要發生在內弧表面的弧部，尤其是隧道上半部與后一環封頂塊相接部位最為突出，隧道腰部（B2)縱縫之間破損率相對較小。

盾構上浮之后，導致管片和盾構機姿態之間吻合度差，不能良好匹配，使得在盾構推進時，千斤頂不能垂直密貼管片，以至于出現導致管片開裂、破損的徑向分力（圖2)。

圖2 管片破損部位示意圖

2.3 盾尾形變

在極軟流塑地層施工遇到大大坡度轉彎時，由于盾構機的下部空間狹小，長期承受較大壓力，同時由于盾構機尾部的組裝焊接方式，導致前期大坡度施工時出現了盾尾橫豎差為3·1cm（上行)、1·3cm（下行)。在后續施工中盾構尾部變形持續增加，上下行盾尾橫豎差分別達到4·2cm和3·8cm，上浮和盾尾變形交替影響，使得盾構姿態控制難度更大。

3 極軟流塑條件下盾構施工控制技術

3.1 大坡度、極限小半徑狀態急轉彎線型掘進

1)做好管片型號調整 受條件限制，區間局部轉彎半徑較小，僅有304m，很容易出現錯臺、破損等問題。同時該項目采用的管片僅有不足50mm 的楔形量，導致施工控制更加困難。因此實際施工時必須做好轉彎位置的管片定位和選擇，以確保有足夠的條件實現盾構姿態控制和間隙預留的要求。

2)控制好姿態 在進入曲線段之前調整好盾構機姿態，然后采用低扭矩、小推力、慢速的方法推進，從而減小推進對管片和地層的擾動。

3)把控注漿措施 同步注漿參數和時機要嚴格控制，這樣可以有效地降低地表沉降。同時要把控好向圓曲線外側二次注漿壓力，以有效平衡推力，建設盾構外偏移量（圖3)。

圖3 盾構轉彎時注漿示意圖

3.2 盾構上浮原因分析

極軟流塑土層流塑性大，甚至會像液體一樣給其中的盾構提供很大的浮力，當浮力大于盾構機自身重力，盾構本身無法提供抗力而導致上浮。尤其是復雜工況下盾構掘進過程中姿態控制需要頻繁調整，使得盾構機掘進時蛇形前進，超挖量更大，這就更加增加了盾構和管片上浮的可能。

3.3 盾構上浮及管片破損開裂控制措施

3.3.1 掘進前控制措施

1)盾構增重 增重即提供向下分力即提供一個向下分力。本項目施工時在中盾位置增加了一個重達20～30t 配重鐵塊，在一定程度上增大了向下的分力，以有助于減緩盾構機上浮。

2)上超控制 根據施工經驗，上超出現時為避免上超力過大而導致出現過大反力，項目部施工時在上部千斤頂上方增加鋼楔形塊以增加上部壓力，實現既能滿足推力又能保證盾構不出現上浮。

3)貼超控制 貼超一般都是通過設置石棉板來改善受力狀況，提高緩沖阻力，達到減少管片破裂的目的。

3.3.2 掘進中控制措施

1)推力分配 推力分配主要是通過一定的手段減小推力差以有助于降低管片局部壓力差，提高施工后的管片質量。

2)減小推力 上浮段地質情況復雜，調整盾構施工姿態很難達到施工要求，此時最好采用減小推力進而控制掘進速度的辦法來控制掘進線形，達到滿足設計要求的目的。同時可考慮注入膨潤土等減阻措施提高糾偏效果。

3)同步注漿 同步注漿的配合比是控制施工質量的關鍵，在該種地層條件下應該增加水泥和砂的用量，提高漿液的粘稠度。

4)姿態控制 此時盾構姿態控制首先是降低速率，然后通過增加上浮量、提供姿態監控密度等措施來達到，“早糾、勤糾、勤復測”的目標。

5)土壓力 當發現盾構有上浮征兆時，提前通過降低推力進而降低土壓力的方法來減小因姿態調整而導致管片破損情況的出現。

3.3.3 掘進后控制措施

1)二次注漿 本項目采用跟蹤二次注漿，在注漿的同時將盾尾10 環通過環箍固定在一起，以保證管片穩定，降低了糾偏時管片上浮的可能性。

2)管片拼裝 掘進時，每環都要提供足夠大的拼裝空間，這樣既能保證管片拼裝質量，又減少對臨近管片的破壞。拼裝時，首先要保證管片首先拼裝塊的位置精確性，這樣才能保證后續管片位置的精確性。

3)管片復緊 為有效提高管片的拼裝質量，拼裝時要按照初次擰緊、推進一定距離后再次復緊的方式施工。復緊施工時要確保復緊力度符合要求，防止因受力不均而出現管片破壞。

3.4 管片開裂鋼環加固措施（圖4）

圖4 管片加固示意圖

本項目鋼環寬度為800mm 環向分為10塊，NO·1、NO·2、NO·3 長度為2 000mm，NO·4～NO·10（共7 塊)長度為1 610mm，縱向分為寬400mm 的兩塊組成。加固主要按以下原則進行：①裂縫寬度大于0·3mm；②管片有貫通裂縫；③管片錯臺大于20mm；④水平收斂大于60mm；⑤剝落深度超過保護層厚度出現鋼筋裸露。

4 結語

地鐵盾構在復雜工況下極軟流塑地層中施工案例較少，經驗不足，對該地層的復雜性和風險性的認識深度也不夠，通過對該項目在極軟流塑地層盾構施工防盾構上浮、管片開裂和加固及大坡度、極限小半徑狀態急轉彎線型施工經驗總結，得出以下結論。

1)考慮到極軟流塑土層的特性，為有效控制盾構上浮及其造成的管片開裂，可采取增加盾構機重量或配重的方式來克服力學平衡的臨界點，同時刀盤開口率較大更能適應此種地層。

2)極軟流塑地層隧道變形較大，增加盾構施工的數據監測，做好風險預控，是保證盾構在該種地層安全施工很有必要的措施。