泥巖地層盾構施工技術

摘要：針對南京地鐵五塘廣場站到窯上村站區域隧道盾構施工，在介紹工程概況的基礎上，提出該工程隧道盾構的理論參數，闡述隧道盾構過程及其實際參數、同步注漿和二次注漿的要點，分析管片上浮原因并提出控制措施，可供地鐵隧道工程施工技術人員參考。

關鍵詞：地鐵隧道;泥巖地層;盾構;施工技術

1" "工程概況

地鐵7號線五塘廣場站至窯上村站區間位于南京市棲霞區主城區，該段地鐵隧道需采取盾構法施工，沿線地面涵各類校區以及五塘新村等多個居住小區，區間起訖里程為DK22+788.186～DK24+624.600。其平面的最小彎道半徑為500m，最大轉彎半徑為2500m，線間距為13～17m，區間豎向V形坡，線路先分別以20.6‰、4‰下坡，然后以5‰、22.623‰上坡。隧道埋深10.086 ～21.35m，處于泥巖地層。

通常，固化效果較弱的粘土在通過各類中等程度的后生作用下，可形成強度較大的泥巖以及頁巖。其中后生作用包括擠壓、脫水、重結晶以及膠結等作用。泥巖已經完成固化效果且已經成巖，其主要是塊狀物質，且分層情況不明顯，同時部分位置失去了可塑性能，遇到水的浸泡后不會立即發生膨脹現象。其外貌主要為紫紅色泥質結構，內部裂縫較大，質地較軟，內部含有少量砂類物質。其內部的巖芯主要為短柱狀，也有少部分長柱狀。

2" "盾構理論參數

本次施工采用遼寧三三復合式土壓平衡盾構機（T6480型被動鉸接變頻電機驅動），其開挖直徑為6480mm，刀盤中心開口率為40%，總開口率為34%，最大轉速為3.2r/min。中心刀為4把17英寸雙聯滾刀（可更換18英寸刀圈），正面及邊緣安裝35把17英寸單刃滾刀（可更換18英寸刀圈），刃寬30mm，高度165mm，正滾刀間距85.8mm。刀盤正面如圖1所示。

2.1" 隧道類型

盾構隧道根據埋深分為2種。當隧道埋深H小于2D（D為盾構外徑）以下時，為淺埋隧道類型;當隧道埋深H大于2D時，為深埋隧道類型。深埋隧道因其距地面較深，可造成土體在成型結構上部出現拱形現象，因此隧道上部土體產生的壓力不會完全作用在開挖面上。盾構頂部的深度用H來表示，本區間由于H大于2D，因此可以確定其屬于深埋盾構隧道，可通過太沙基理論，計算此結構受到的豎直載荷。

2.2" 刀盤轉速

為避免對地層的擾動，刀盤轉速通常在1～2r/min內，通常設置為1.2r/min。某些掌子面硬巖地層完整，為提高破巖和掘進效率，通常將刀盤轉速設置為2r/min。泥巖地層介于二者之間，其具有較強的粘性和吸附性，為充分攪拌渣土，使渣土具有流塑性，同時盡量減少刀盤對土體的擾動，通常將刀盤轉速設為1.5r/min。

2.3" 刀盤扭矩

盾構裝置在正常工作狀態下，其刀具中心的扭矩小于額定扭矩。如果工作扭矩大于額定值時，將造成刀盤出現卡頓現象。此時可以采用正反轉方法來重新啟動。如果該方法啟動失敗，可以通過控制系統執行脫困來完成設備的重新啟動。刀盤的額定扭矩為6550kN·m，其脫困扭矩大小為8320kN·m，通常情況下正常作業扭矩保持在4000kN·m以下。

2.4" 掘進參數

2.4.1" 推力

在確定盾構機推力時，需要考慮以下3個方面的因素：一是在正常掘進狀態下需克服的摩擦力，二是刀具中心工作位置的水土壓力以及刀具的扭矩，三是管片所能承受的最大載荷。盾構機在初始掘進時，其推力一般小于8000kN;當盾構機進入正常掘進狀態時，其推力大小控制在8000～15000kN范圍內。

2.4.2" 掘進速度

盾構機掘進速度，主要依據周圍土質情況、刀具的扭矩以及土倉壓力等因素進行判定，其數值大小受土質的影響較大，通常情況下的掘進速度保持在40～60mm/min之間。

2.4.3" 螺旋輸送機轉速

盾構機螺旋輸送機的轉動速度，主要依據土倉壓力值、整體掘進過程中的出渣狀況以及渣土的流暢度進行調節。

2.5" 渣土改良

泥巖地層渣土容易粘結在刀盤上，因此需要使用泡沫化合物溶劑對渣土進行優化處理。根據使用的泡沫劑類型，將混合溶液同原溶液的比值控制在2%～3%之間，泡沫膨脹率為8～10。在實際掘進過程中，依靠渣土優化后的情況以及含水量等因素進行實時調整。

3" "盾構過程及其實際參數

3.1" "初始段推力

初始段推力主要反作用在固定結構架上，因此推力將保持在8000～10000kN，當推進到8環位置時，將推力大小穩定在10000～15000kN之內。推力隨掘進過程變化如圖2所示。

3.2" "掘進速度

在始發加固范圍內，掘進速度保持在25～40mm/min;在穿越加固區后，掘進速度在50～70mm/min。掘進速度變化如圖3所示。

3.3" 土層壓力

0～4環的土層壓力保持在0.02～0.05MPa;當洞門封閉工作完成后、進行正常掘進時，土壓力保持在0.10～0.12MPa之內。土壓變化如圖4所示。

3.4" 地面沉降量

通過始發試驗段的掘進施工，地面沉降量分布比較均勻。具體情況為：掘進前，刀盤前方1m地表略有隆起;掘進4m后，開始發生沉降;掘進到盾尾始過斷面后，沉降趨勢開始平穩。

3.5" 實際掘進數據

經過實際觀測后，對各類數據進行統計，結果如下：地表沉降點累計沉降量大都分布在1～8mm之間。其中起伏最大值為1.3mm，下降最大值為7.69mm，平均累計沉降量在3.62mm左右。實際掘進參數如表1所示。

4" "同步注漿要點

4.1" 注漿量和注漿壓力

為了填補管片與土體之間的縫隙，盾構機在掘進過程中需要同步注漿。依據管片與土體之間縫隙的體積，經過1.2～1.5倍的系數放大，確定1.2m管片每1環注漿量約為5m3。在注漿過程中施加的壓力值，需在掘進位置水土壓力值的基礎上適當提高。同時保證漿液進入縫隙后，在土倉和管片之間保留合理的壓力值，以使地表沉降值保持在規定范圍之內。

4.2" "過程控制

掘進過程中，要分析泥巖地層的具體情況，對注漿量和注漿壓力進行雙向調節。在不耽誤掘進進度前提下，盡量縮短漿液的凝固時間，從而保證漿液對管片的及時約束。根據實時狀況，得到漿液初次凝固時間為3～4h。注漿壓力應保持在0.15～0.20MPa范圍之內，每1環的注漿總量應保持在4.5m3左右。對脫出盾尾的管片，每隔2環在管片頂部的位置打孔，檢查漿液的注入量、初凝時間等情況。漿液配比（質量比）為水泥：砂：粉煤灰：膨潤土：水=200：600：320：60：500。

5" "二次注漿要點

5.1" 注漿方法

盾構機穿越泥巖地層時，地層裂隙發育，地下水豐富，為控制管片上浮和地表沉降，需在加速同步注漿漿液凝固的同時，在規定時間內完成二次注漿。當管片脫離盾構機尾部的第一環位置時，在管片頂部相當于時鐘的10點～14點位置范圍內開孔，并完成二次注漿。漿液的壓力保持在0.2～0.4MPa。

5.2" "漿液配比

二次注漿的漿液由等量的水泥漿和水玻璃溶液混合而成。其中水泥漿的水與水泥的用量相等，水玻璃溶液的水與水玻璃的用量也相等。二次注漿漿液配比如表2所示。

6" "管片上浮原因和控制措施

6.1" "管片上浮原因

產生管片上浮的主要原因是地層軟硬程度存在差異。通常情況下，較軟地層不易存在上浮情況，而較硬地層可以提供上浮過程需要的空間。由于泥巖地層相對穩定，同步注漿的凝固時間較長，這就為管片上浮留下了足夠的時間和空間。

經過計算可知，盾尾離開第4環管片后，管片位于水中的浮力為85.85t（此數值不包括配套拖車重力）。當漿液密度為1.6t/m3時，漿液浮力值則為187.64t，即使注漿過程沒有到達預期的漿液填充度，其浮力依然很大，管片自身的重力遠小于其浮力。

6.2" "控制措施

6.2.1" "控制盾構偏差

將盾構機垂直度控制在-30～-20mm，使脫出盾尾的成型管片姿態接近0mm。當存在小偏差時，應進行及時補救，盡最大可能保證盾構機直行，避免盾構路線出現S形。控制盾構機糾正偏差的量，每次糾正偏差的尺寸不適合太大，基于勤糾少糾原則，保證每一環修正量小于5mm，有效降低對地層的影響，為管片拼接創造合適的條件。

6.2.2" "重復緊固管片螺栓

對管片螺栓進行3次重復緊固，以此來提升管片的抗浮能力，做法如下：在下一環拼接工作完成后，緊固1次;在管片完全脫離盾尾時，緊固1次，在管片脫出臺車后緊固1次。

6.2.3" "保證注漿質量

在正常掘進過程中保證注漿質量，對注漿數量和壓力進行雙向控制。依照泥巖地層的分析情況，確保注漿過程中不會出現堵塞現象，盡最大可能減少漿液凝固時間，加速對管片的約束。采取措施保證漿液初凝時間保持在3～4h范圍之內。

6.2.4" "及時進行二次注漿

當管片脫出盾尾后，在管片頂部相當于時鐘的10點～14點位置的吊裝孔處（封頂塊禁止開孔注漿）開孔，及時進行二次注漿。

7" "結語

本文針對南京地鐵五塘廣場站到窯上村站區域隧道盾構施工，在介紹工程概況的基礎上，提出該工程隧道盾構的理論參數，闡述隧道盾構過程及其實際參數、同步注漿和二次注漿的要點，分析管片上浮原因并提出控制措施。

在泥巖地層進行隧道盾構施工具有一定難度，需要根據地質特點研究隧道盾構的理論參數，控制隧道盾構施工過程及其實際參數。采取措施改良渣土，保證漿液質量，把握注漿要點，控制地表沉降、消除管片上浮，可保證隧道盾構工程的施工質量。

參考文獻

[1] 劉鑫.富水泥巖地層盾構施工管片上浮控制技術研究[J].四川水泥，2020（08）：114-115.