富水軟弱復合地層盾構機尾盾圓度失真的?TNE?修復工藝

劉 昊，曾少武，賈少東，林 靜，周 洪

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530022）

1 引言

隨著我國城市軌道交通工程建設的快速推進，其盾構隧道穿越地層的地質條件更為復雜，在富水軟弱復合地層開展工程逐漸成為盾構施工的重要挑戰[1-4]。針對富水軟弱復合地層產生的擠壓性非均勻變形等問題，國內外學者開展大量的研究，李明陽等[5]采用太沙基模型和科羅拉多礦院（CSM）模型對廣州市軌道交通3 號線復合地層段盾構掘進參數進行預測。鄭世杰等[6]依托青島市軌道交通13號線工程，通過數值模擬和現場監測等手段，對上軟下硬復合地層雙線平行隧道周邊巖體的變形特征進行研究。李元海等[7]開展相似模型試驗，通過圖像處理技術，對復合地層硬巖掘進機（TBM）開挖隧道在無支護條件下，周邊圍巖劣化破裂模式進行分析。宋洋等[8]通過室內試驗，對泥水平衡盾構穿越上軟下硬、富水復合圓礫地層段的施工全過程進行模擬，并對掘進參數進行優化研究。劉俊杰等[9]考慮土巖復合地層的特性，通過理論分析對Peck公式進行修正，并將其運用在青島市軌道交通8號線的施工過程中，預測結果與實測結果較為符合。

盾構盾殼受富水復合地層段水土壓力等因素的綜合影響，可能會出現較大的擠壓性非均勻變形，導致盾尾出現圓度失真的現象[10-12]。為研究盾殼變形對隧道施工的影響，張雪輝等[13]通過建立荷載-結構模型，針對盾尾盾殼在施工期水土壓力作用下產生的變形進行研究。何於璉[14]利用ZRCAE軟件，考慮同步注漿管等結構，對盾尾盾殼的力學行為進行分析，并對盾構結構安全性進行檢算。李彬嘉和晏啟祥[15]考慮盾尾盾殼對管片的擠壓作用和施工期的外部荷載，通過有限元軟件建立地層-結構模型對管片的力學行為進行模擬。綜上所述，盾尾盾殼變形后會導致盾殼與管片之間的預留間隙縮小，進而導致盾尾管片在脫出盾尾時出現破損和壓潰，對正常的施工進度和支護結構長期安全性造成嚴重的負面影響，在施工中應及時處置。然而，目前的研究主要關注軟弱復合地層中盾構隧道的施工期力學特性和盾尾盾殼變形對管片結構安全性能的影響，對形變及圓度失真盾殼的修復問題較少關注。

隧道洞內修復技術（TNE）是指在不進行洞外開挖的條件下，在隧道內部對盾構機以及隧道支護結構病害進行處置的一系列措施，能夠盡可能地節約成本，提高施工效率，及時恢復盾構的正常掘進。本文依托南寧市軌道交通某區間出現盾尾圓度失真現象的斷面，提出一套解決盾尾盾殼非均勻變形的TNE措施，為出現類似病害的工程提供一定參考。

2 工程概況

南寧市軌道交通線路某盾構隧道區間內隧道左右線間距約為13～16 m，隧道的最大埋深約20 m。區間穿越的地層主要為古近系半成巖地層，包含泥巖（粉砂質泥巖）、粉砂巖（泥質粉砂巖），透鏡狀炭質泥巖（泥煤），各層相間分布。隧道局部拱頂有不穩定夾層粉砂巖（泥質粉砂巖）等巖體，為典型的軟弱復合地層。

隧址區域地下水較為發育，地下水種類主要為上層滯水和孔隙水；其中，上層滯水在區間沿線均有分布，主要賦存于地表填土層。由于不同地段含水層的滲透系數相差較大且地下水補給方式和補給量存在較大差異，形成上層滯水分布不均勻、水位不連續、高低變化很大的特點。

孔隙水主要以潛水的形式賦存于松散孔隙巖體和碎屑巖體中。隧址區內部的孔隙水廣泛分布于第四系中更新統白沙組沖擊層含黏性土圓礫層中。區間內潛水層厚度變化較大，水位高度與地形有關，富水性較弱，主要受大氣降水影響，水位埋深為3.8～8.1 m。碎屑巖類空隙裂隙水主要接受大氣降水和沖積砂礫或圓礫層越流的補給，碎屑巖類空隙裂隙水主要賦存于下伏古近系底部巖組粉砂巖及泥質粉砂巖層中。巖層孔隙比約為0.4～0.8，具有孔隙水和裂隙水的雙重特性。勘察期間，對碎屑巖類孔隙水的水位進行測量，大部分水位上升至填土層或含黏性土圓礫層中，具有一定的承壓性。區間內隔水層主要為泥巖和粉砂質泥巖；該水層富水性弱，滲透性強。現場勘查結果顯示，隧址區穩定水位埋深6.2～9.5 m，水位標高為88.54～99.10 m；地下水位受地形變化和大氣降水影響較大。

3 現場尾盾圓度失真情況

區間左線盾構在下穿湘桂鐵路時（135～151環位置），以及掘進第238～242環期間，盾構機盾尾的上部和下部間隙尺寸之和逐漸減小。經現場測量，盾尾上下間隙尺寸之和的數值不足80 mm（設計規定的上下間隙之和為130 mm）。調研發現盾尾位置的盾殼發生局部凹陷變形。盾尾圓度測量結果表明，尾盾位置盾殼的最大變形位于尾盾12點位置（20號油缸處），最大變形數值為63 mm，盾殼與盾尾頂部推進油缸發生接觸。盾尾處盾殼部分變形情況如圖1所示。

圖1 盾尾變形情況（20號油缸處）

為進一步了解盾尾處圓度失真情況，需要對尾盾盾殼的變形進行準確測量。本文選取2組出現圓度失真的監測斷面開展變形測量工作。測量斷面1位于距鉸接密封處約50 cm處。測量斷面2位于距離第一道盾尾刷約90 cm處。選取的測量斷面位置如圖2所示。表1和表2列出了由位移監測值計算出的圓度失真結果。表中X、Y、Z為設備讀取的監測點坐標。

表1 監測斷面1空間圓心擬合計算結果

表2 監測斷面2空間圓心擬合計算結果

圖2 盾尾測量斷面位置（單位：mm）

由上表可知，監測斷面位置產生顯著的非均勻變形。監測斷面1和監測斷面2位置的最大圓度誤差均為收斂變形，其數值分別為-63.2 mm和-59.2 mm。根據監測斷面圓心擬合結果繪制的圓度失真在盾尾環向的分布示意圖如圖3所示。最大圓度失真位置出現在拱頂處，擬合結果與現場觀測結果較為吻合。

圖3 監測斷面圓心擬合結果（單位：mm）

盾尾盾殼的收斂變形過大，盾尾盾殼與管片之間的上下間隙之和值較小，可能導致現場管片拼裝困難。因受到形變盾殼的擠壓，當成型管片環脫出尾盾時容易出現破損（主要集中在封頂塊位置）。這將引起隧道支護結構的力學性能變化和長期安全性的降低，管片破損情況如圖4所示。

圖4 盾尾圓度失真位置的管片破損情況

4 TNE 盾尾修復技術

4.1 圓度失真原因分析

由于盾構機在掘進179～191環的過程中進行強制糾偏操作，盾尾位置上下鉸接油缸出現較大的行程差。其中，上部鉸接油缸行程為28 mm，下部鉸接油缸行程為108 mm，總行程差為80 mm。鉸接壓力達到約240 bar，此時盾構機總推力為19 000 kN。

受油缸行程差的影響，盾構在此位置出現較大的垂直姿態偏轉，引發嚴重的抬頭現象。這一現象導致盾殼在局部位置產生應力集中，最終造成盾尾盾殼發生較大的非均勻變形。

針對這一問題，本文提出尾盾圓度修復的初步方案，主要分為以下4步。

（1）清理盾尾處的工作區域，拆除242環管片，將盾尾底部用細砂填充后，再安裝位于隧道底部的3 塊管片，確保底部管片與盾尾盾殼的間隙均被細砂填充密實。

（2）將管片拼裝機后退，在螺機與管片安裝機的間隙處安裝反力支架。采用450型H型鋼做為主支撐、20H型鋼做為橫梁、斜撐。縱梁、橫梁、斜撐之間通過滿焊連接。

（3）在反力支架頂部距盾尾形變處垂直距離40 cm的位置，安裝2個200 t千斤頂（千斤頂高度為35 cm），如圖5所示。

圖5 盾尾矯正示意圖

在盾尾位置的反力架安裝完畢后，可通過千斤頂在隧道內部進行盾殼局部變形矯正，具體操作及修復結果如下。

（1）連接好200 t千斤頂及液壓泵站油管管路后，通過千斤頂對盾尾盾殼變形處施加反力，并確保液壓泵的最大壓力小于40 Mpa。及時用鋼板尺測量盾尾與20 號推進油缸的間隙變化。當油壓達到40 Mpa并持續保壓20 min后，測量盾尾盾殼的變形情況。結果表明盾尾盾殼收斂變形無明顯回彈現象。

（2）收回千斤頂油缸，用烤槍將變形處加熱，繼續使用200 t千斤頂在同一位置施加反力，當油壓達到40 Mpa并持續保壓20 min后，測量結果尾盾變形數值，結果表明盾殼變形仍無顯著變化。

該修復試驗表明，直接通過200 t千斤頂在隧道內部對頂盾尾盾殼變形處施加反力，熱處理前后，沒有明顯的修復效果，初步擬定的修復方案的適應性較差。進一步分析可知，尾盾位置的盾殼與外部圍巖之間的間隙為零，圍巖與盾殼緊密貼合。受拱頂圍巖壓力及地下水壓力的影響，盾殼沒有向外側變形的空間。這導致在隧道內部施加的千斤頂反力未能達到預期效果，應進一步優化處置措施。目前傳統的隧道洞內修復措施的主要改進措施如下。

（1）由于盾尾圓度失真的評價方法困難，應加強對成型隧道中盾、盾尾的變形監測。

（2）不在盾尾“開天窗”保證安全的前提下，可先嘗試洞內處理變形部分，處理方法應優化。

（3）當洞內處理效果不佳時，應采用地面豎井法處理，有利于查清原因，徹底修復；但是，要充分考慮豎井施工的風險和工期。

（4）可采取增設降水井、盾體周邊注入丙酮等方式，保障開天窗區域無地下水滲出。

（5）采取支護措施，保證“開天窗”期間尾盾不繼續橢變。

（6）在千斤頂頂升過程中，應注意鉸接油缸的變形、對盾尾刷的保護及其他元器件的安全問題。

4.2 改進后的洞內修復措施

通過總結初次洞內圓度修復的經驗，本文提出改進后的洞內圓度修復措施，具體操作如下。

4.2.1 開展工作區間止水工作

根據隧道坡度設計資料，發生圓度失真時，工程正處于28.3‰的下坡。為防止管片背后地層裂隙水匯入尾盾，應開展后部成型管片止水工作。在尾盾后方第10環、11環位置開展洞內二次注漿作業，通過雙液漿形成止水環，以達到止水效果。

止水環完成后，應對其止水效果進行驗證。向盾體周邊注入適量丙酮，打開盾尾后第2環管片頂部的注漿孔和盾構機尾盾膨潤土徑向孔，觀察2個小時。若施作的止水環止水效果良好，則可籌備進行下一道工序；若止水效果不好，可在地面增設2～3口降水井。

4.2.2 在盾尾變形處鉆孔取樣

用磁力鉆在盾尾變型處開孔，孔徑為20 mm。開孔完成后，采用Φ18鋼管垂直向上取芯，如圖6和圖7所示。然后，觀察尾盾外是否有包裹水泥凝結塊，以及隧道拱頂上部的地質情況。

圖6 盾尾磁力鉆開孔

圖7 盾尾開孔取樣

通過對盾構現場地質補勘、尾盾鉆孔，取出盾尾盾殼外部的圍巖樣品，并將其與盾尾同步注漿采用的水泥樣品進行化學成分比對，分析尾盾鉆孔、地質補勘樣品中均無CaO、SO3等水泥有效成分。現場樣本的檢測結果表明尾盾鉆孔、地質補勘樣品中均不含水泥，盾構盾殼并未被同步注漿水泥漿液包裹。

4.2.3 盾尾搭設反力支架

拆除242環盾尾圓度失真位置的管片襯砌，將盾尾底部用細砂填充后，重新拼裝底部3塊管片，確保底部管片與盾尾間隙用細砂填充密實。后撤拼裝機，并在盾尾內部選用450H型鋼搭設3排井字形支撐架，支撐架支點與盾殼剛性固結，支撐架對稱設置斜撐，滿焊連接。

4.2.4 盾尾開窗

在尾盾開窗前，應首先做好安全防護措施。在開孔處下方安裝閘板（尺寸：400 mm×500 mm），以防止因土體不穩定而影響后續工作，其主要形式如圖8所示，當出現緊急情況時關閉閘板。為保證閘板的有效性，設置拉筋繩（采用18鋼絲繩），用手拉葫蘆拉緊；另外現場準備20工字鋼，在關閉閘板后用于閘板下做支撐。

圖8 不同盾尾閘板示意圖

經反復測量得出尾盾變形最大影響范圍約為800 mm×1 100 mm。在變形最大范圍內開窗，用氣刨割除尾盾鋼板尺寸為300 mm×400 mm，具體位置如圖9所示。

圖9 盾尾開窗位置示意圖（單位：mm?）

開窗后，利用沖擊鉆等工具清理盾尾與土體間水泥凝結塊、渣土，清理間隙為盾殼最大變形量+10 mm，如頂部變形60 mm，清理間隙至少為70 mm。盾尾開窗后，發現尾盾盾殼外包裹一層疑似水泥凝結塊，如圖10所示。取樣并送檢，結果為樣品中含有20%～30%水泥成分。這說明同步注漿漿液有部分前竄，盾尾鉆孔檢測結果不能全面反映外側地層狀況。

圖10 盾尾盾殼外地層情況

4.3 矯正尾盾變形

在450H型鋼反力支架頂部安裝2個200 t千斤頂（千斤頂高度為35 cm），如圖11所示。

圖11 盾尾變形矯正示意圖

連接好200 t千斤頂及液壓泵站油管管路后，用千斤頂向上對盾殼變形處施加反力，液壓泵站壓力表高限不得超過40 Mpa。并及時用鋼板尺測量盾尾與20號推進油缸的間隙變化，當油壓達到40 Mpa后，持續保壓20 min，并觀察測量盾尾變化。若無效果可采用烤槍將變形處加熱，繼續使用200 t千斤頂頂進，與前述操作相同。

現場根據尾盾修復施工方案，對尾盾采取開天窗、清理盾殼外渣土、采用200 t千斤頂矯正盾體、尾盾天窗修復等措施。尾盾修復取得預期的效果。盾尾非均勻變形得以矯正，最大變形量控制在15～20 mm范圍內。盾尾上下間隙和值可以達到120 mm左右，即滿足盾構推進需求。尾盾修復完成后，對尾盾修復結果進行測量。以距241環管片前沿30 cm處的斷面1為例，測量結果如表3所示。

表3 斷面1矯正效果 mm

由上表可知，該監測斷面的最大圓度誤差為19.8 mm，與修復前最大誤差量相比降低68.7%。修復完畢后應對天窗焊接位置進行探傷檢測。現場根據尾盾修復施工方案，對尾盾進行開天窗（天窗尺寸為300 mm×400 mm）處理。尾盾修復完成后對天窗進行開坡口堆焊密實，并委托檢測單位對焊縫100%探傷，確認探傷現場檢測結果合格，以確保盾構的安全掘進，如圖12、圖13所示。

圖12 盾尾天窗焊接

圖13 盾尾天窗焊縫探傷

5 結論

現場調研和工程實踐表明，受盾殼周邊水土壓力及不當施工的影響，富水軟弱復合地層中的盾構殼體可能出現較大的非均勻變形，進而引起圓度失真的問題。在形變后的盾尾盾殼作用下，盾殼將與盾構尾部的推進油缸直接接觸，引起盾構的掘進姿態異常。盾殼與管片之間的空隙減小后，在管片襯砌脫出盾尾時，會受到盾殼的擠壓產生開裂和破損等病害，使得隧道的長期安全性能降低。

此外，在富水軟弱地層中進行非洞內開挖、開天窗修復盾尾圓度失真問題屬于高風險作業，可能會導致天窗位置外側巖體滲水塌陷、地表沉降超限、地面塌陷等安全事故。本文在綜合考慮隧址區地質水文條件、周邊環境、潛在風險源、安全保障等多方面因素的前提下，制定的一套非洞內開挖修復工藝，完成盾體圓度失真修復，即時恢復掘進，保障施工安全和質量。