上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通12號(hào)線26標(biāo)段土建工程復(fù)興島站—利津路站區(qū)間工程，為上海市的重大工程項(xiàng)目，受到黃浦江兩岸的上海港煤炭裝卸公司朱家門煤炭裝卸碼頭樁基及滬東船廠廠區(qū)內(nèi)相關(guān)建（構(gòu)）筑物樁基基礎(chǔ)的限制，為避開樁基基礎(chǔ)，隧道設(shè)計(jì)軸線只能向深層發(fā)展，區(qū)間隧道最大縱坡達(dá)30‰，最大頂埋深達(dá)35 m。由于隧道軸線的加深，隧道穿越的土層較復(fù)雜，在⑥層暗綠色黏土、⑦1層砂質(zhì)粉土、⑦2層粉細(xì)砂中推進(jìn)施工距離長(zhǎng)達(dá)約1 000 m，其頂板標(biāo)高－24.10～－36.16 m，在如此復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下進(jìn)行盾構(gòu)法施工在上海地區(qū)還是首例。

2 盾構(gòu)穿越硬塑黏土層土體改良技術(shù)[1,2]

2.1 盾構(gòu)穿越⑥層土主要難點(diǎn)

⑥層土土體密實(shí)、強(qiáng)度高，盾構(gòu)機(jī)在該土層掘進(jìn)施工時(shí)，當(dāng)?shù)侗P刀具插入土層進(jìn)行切削時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生刀盤扭矩過高的情況。對(duì)于刀盤扭矩過高的情況，我們通常采用刀盤加水的方式進(jìn)行土體改良。

但在⑥層土內(nèi)進(jìn)行常規(guī)的刀盤加水方式進(jìn)行改良時(shí)，效果不佳，出現(xiàn)如下狀況：

（a）⑥層土強(qiáng)度高，不易攪拌均勻，形成塊狀土體在土倉(cāng)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起盾構(gòu)土壓力波動(dòng)大、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、不恒速等連鎖反應(yīng)，造成螺旋機(jī)出土量不一、不能連續(xù)出土，出土較多時(shí)，土體結(jié)成硬塊會(huì)引起皮帶機(jī)打滑，來不及出土。

（b）⑥層土一般深度較大，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入⑥層土后，隧道埋深約26 m，此時(shí)的外部土體對(duì)土倉(cāng)的壓力也較大，為0.40～0.45 MPa。刀盤面板表面的注水孔受到外部壓力后，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)加泥加水系統(tǒng)的輸出流量受到限制，無法達(dá)到設(shè)定流量值，實(shí)際加水量不能有效地起到拌和、改良⑥層土的作用。

（c）⑥層土的土體性質(zhì)非常黏、硬，加之外部的土體壓力較大，容易形成泥餅黏附在刀盤注水孔上，將注水孔堵住，在進(jìn)行刀盤加水操作時(shí)，加泥加水泵可能并沒有工作，長(zhǎng)此以往，容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。

2.2 施工方法

2.2.1 選擇加泥加水泵

盾構(gòu)機(jī)加泥加水系統(tǒng)一般選擇擠壓泵或柱塞泵作為加泥加水泵。盾構(gòu)機(jī)原裝擠壓泵性能參數(shù)流量為2 L/min，壓力1.5 MPa，功率5.5 kW。

由于盾構(gòu)機(jī)覆土較深，外部土體壓力較大，擠壓泵本身壓力小，經(jīng)過管路的壓力損失，水流到達(dá)刀盤表面時(shí)已沒有足夠壓力沖破土層，壓力及流量均無法達(dá)到設(shè)定要求。而柱塞泵可選擇擋位較多，施工參數(shù)選擇豐富，可根據(jù)不同土質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整后的柱塞泵型號(hào)為BW-250，性能參數(shù)見表1。

通過對(duì)2 種泵的性能參數(shù)比較，柱塞泵各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于擠壓泵。所以在⑥層土內(nèi)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，加泥加水泵應(yīng)優(yōu)先采用柱塞泵。

表1 BW-250型泥漿泵性能參數(shù)

2.2.2 選擇盾構(gòu)推進(jìn)模式

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工操作時(shí)，對(duì)于土壓平衡的方式一般分為2 類：自動(dòng)土壓平衡和手動(dòng)土壓平衡。常規(guī)操作時(shí)，較常選擇自動(dòng)土壓模式，即對(duì)土壓力目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定后，盾構(gòu)司機(jī)在進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)操作時(shí)只需控制推進(jìn)速度，螺旋機(jī)會(huì)根據(jù)土壓力設(shè)定值及盾構(gòu)司機(jī)所控制的推進(jìn)速度自動(dòng)調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，使螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度相匹配，達(dá)到土壓平衡的目的。

在自動(dòng)土壓平衡的模式下，由于盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)定的土壓力目標(biāo)值可在設(shè)定土壓力值的上下限內(nèi)浮動(dòng)，上下限值一般為±0.02 MPa，所以在該模式下土壓力始終處于波動(dòng)的狀態(tài)，最大幅度可能達(dá)到0.04 MPa。盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)為達(dá)到土壓平衡，一直持續(xù)調(diào)整其轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速時(shí)高時(shí)低，尤其是在⑥層土內(nèi)推進(jìn)的情況下，會(huì)造成螺旋機(jī)的出土量不連續(xù)、不均勻，從而引起皮帶機(jī)的打滑。

故盾構(gòu)機(jī)在⑥層土內(nèi)推進(jìn)施工時(shí)，應(yīng)采用手動(dòng)土壓平衡模式。在手動(dòng)土壓平衡模式下，盾構(gòu)司機(jī)可以通過調(diào)節(jié)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度達(dá)到“六個(gè)恒定”，即推進(jìn)速度、刀盤進(jìn)土量、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤正面土壓、螺旋機(jī)出土量、皮帶機(jī)上土量均處于相對(duì)恒定的狀態(tài)。可以有效解決皮帶機(jī)打滑的問題。

2.2.3 刀盤加水操作方式

以往在淤泥質(zhì)黏土地層中進(jìn)行刀盤加水操作時(shí)，施工人員養(yǎng)成習(xí)慣：當(dāng)?shù)侗P扭矩上升至60%時(shí)，即進(jìn)行刀盤加水的操作，經(jīng)加水扭矩下降后，立即停止。由于淤泥質(zhì)黏土土質(zhì)良好，含水量相對(duì)較大，上述操作方式仍舊能夠滿足均勻拌和土倉(cāng)內(nèi)土體的要求，但盾構(gòu)機(jī)在⑥層土內(nèi)推進(jìn)施工時(shí)若仍采用該操作方式，會(huì)引發(fā)以下一系列問題。

⑥層土含水量低、土質(zhì)硬、強(qiáng)度高，如只在刀盤扭矩高時(shí)進(jìn)行加水、刀盤扭矩低時(shí)停止加水，所拌和的土體僅為刀盤進(jìn)土口前一段土體，其后一段土體并未被有效拌和。未經(jīng)拌和的土體進(jìn)入刀盤后，仍會(huì)引起刀盤扭矩的升高。如此反復(fù)循環(huán)，正面土體時(shí)硬時(shí)軟，會(huì)引起土壓力的波動(dòng)，土倉(cāng)內(nèi)的土體其實(shí)并未被有效地置換，沒有起到改良頭部土體的作用（圖1）。

所以在⑥層土內(nèi)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，應(yīng)確立正確的加水方法，即盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)應(yīng)保持刀盤持續(xù)加水，扭矩出現(xiàn)下降后可適當(dāng)控制加水流量，當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)土體完全置換后，就可以通過調(diào)節(jié)推進(jìn)速度和增減加水流量尋找推進(jìn)速度和加水流量的平衡點(diǎn)。

圖1 刀盤間斷加水時(shí)土倉(cāng)內(nèi)土體狀態(tài)

2.2.4 提高刀盤轉(zhuǎn)速

在淤泥質(zhì)黏土中進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速一般默認(rèn)設(shè)置為0.8 r/min，即可滿足切削、拌和土體的要求。在⑥層土內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，應(yīng)將刀盤轉(zhuǎn)速提升至最高擋位1.51 r/min，作為刀盤加水操作方法的輔助措施，協(xié)助將土體充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

2.3 應(yīng)用效果

通過對(duì)⑥層硬塑黏土層物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，圍繞著將推進(jìn)速度、刀盤加水流量、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、正面土壓力等施工參數(shù)保持相對(duì)恒定的目標(biāo)，制定了一系列土體改良方法：

（a）選擇柱塞泵作為加泥加水泵；

（b）選擇手動(dòng)土壓平衡模式作為盾構(gòu)推進(jìn)模式；

（c）采用合理的刀盤加水方式尋找推進(jìn)速度和加水流量的平衡點(diǎn)；

（d）將刀盤升至最高轉(zhuǎn)速，提高切削、拌和土體能力。

通過一系列土體改良措施的應(yīng)用，盾構(gòu)機(jī)在⑥層硬塑黏土層內(nèi)推進(jìn)施工的主要難點(diǎn)得到有效的解決：

（a）刀盤的扭矩得到有效控制；

（b）螺旋機(jī)可以做到出土量穩(wěn)定，皮帶機(jī)不再出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。

3 盾構(gòu)穿越砂性土層施工技術(shù)

3.1 盾構(gòu)穿越⑦1、⑦2層砂性土層主要難點(diǎn)

（a）根據(jù)上海地區(qū)地質(zhì)情況，⑥層土通常作為為⑦1、⑦2層土的隔水頂板，這也表示盾構(gòu)機(jī)底部逐步進(jìn)入⑦層土的同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)正面土體處于上硬下軟交界面的狀態(tài)，上半部為硬土層、下半部為砂性土，對(duì)施工參數(shù)的設(shè)定造成一定困難。如若施工參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，極易引起盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的逐漸惡化，造成盾構(gòu)機(jī)磕頭、超挖、盾構(gòu)機(jī)坡度與管片坡度夾角大、盾構(gòu)機(jī)與管片不同心等情況。

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)惡化過程主要有以下3 種工況。

工況一：正常狀態(tài)下，盾構(gòu)機(jī)坡度、中心及管片坡度、中心均與設(shè)計(jì)軸線相吻合（圖2）；

工況二：盾構(gòu)機(jī)底部出現(xiàn)砂性土后，盾構(gòu)機(jī)易發(fā)生磕頭、超挖的現(xiàn)象，造成盾構(gòu)機(jī)整體下沉，由于盾尾的下沉導(dǎo)致成型隧道管片也一起低于設(shè)計(jì)軸線（圖3）；

圖2 盾構(gòu)姿態(tài)惡化狀態(tài)一

圖3 盾構(gòu)姿態(tài)惡化狀態(tài)二

工況三：為避免盾構(gòu)機(jī)磕頭，盾構(gòu)機(jī)下部千斤頂設(shè)定油壓遠(yuǎn)大于上部千斤頂設(shè)定油壓，盾構(gòu)機(jī)切口抬起，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)坡度與管片坡度不一致，形成夾角（圖4）。

圖4 盾構(gòu)姿態(tài)惡化狀態(tài)三

（b）盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入⑦層土后，隧道埋深普遍達(dá)到30～36 m，盾構(gòu)機(jī)的總推力將隨著覆土深度的變大逐漸增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般覆土深度盾構(gòu)推進(jìn)施工的總推力，這也就表示盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)每塊管片側(cè)面所受到千斤頂?shù)耐屏σ泊蟠蟪^常規(guī)的施工。

綜合上述2 種情況分析，盾構(gòu)機(jī)在⑦1、⑦2層土內(nèi)推進(jìn)施工時(shí)面臨的是盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制困難及盾構(gòu)機(jī)總推力極大的綜合狀況，若不預(yù)先采取相關(guān)施工措施進(jìn)行預(yù)防，會(huì)引發(fā)以下問題。

（a）隧道管片在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不佳的情況下承受較大的總推力，由于環(huán)面與千斤頂受力方向非垂直且夾角較大，環(huán)面整體的受力不均勻，引起管片受力的應(yīng)力集中，導(dǎo)致管片大面積碎裂。

（b）盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)期的姿態(tài)不佳會(huì)致使管片與盾尾之間的間隙過小，長(zhǎng)時(shí)間的無間隙可能造成盾尾刷失去彈性，發(fā)生損壞，無法起到封堵盾尾的作用。⑦1、⑦2層為承壓含水層，施工中本就存在涌水涌沙的施工風(fēng)險(xiǎn)，盾尾刷的損壞更會(huì)增大施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 砂性土層盾構(gòu)姿態(tài)控制方法

在砂性土內(nèi)控制盾構(gòu)姿態(tài)應(yīng)從2 個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整：第一，通過合理設(shè)定正面土壓力穩(wěn)住盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)；第二，通過二次注漿及貼片等方式調(diào)整管片姿態(tài)。

3.2.1 正面土壓力的合理設(shè)定

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在上硬下軟的地層中推進(jìn)施工時(shí)，建立有效的土壓平衡，確保盾構(gòu)機(jī)頭部穩(wěn)定，是控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的根本。施工中土壓力設(shè)定應(yīng)遵循“計(jì)算理論值，調(diào)整實(shí)際值”的原則，進(jìn)行土壓平衡的控制。

盾構(gòu)機(jī)在⑦1、⑦2層砂性土層內(nèi)施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)頂部為⑥層硬土層，地層變形受到⑥層土的隔斷，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映相對(duì)滯后，無法提供有效的參考，所以判定土壓力設(shè)定是否合適應(yīng)以出土量的計(jì)算為準(zhǔn)。

（a）理論土壓力的計(jì)算，以盾構(gòu)機(jī)刀盤中心位置作為理論土壓力計(jì)算點(diǎn)，施工前根據(jù)地質(zhì)勘探資料提供的盾構(gòu)施工區(qū)域上部各層土體的性質(zhì)及厚度，對(duì)盾構(gòu)施工理論土壓力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)土壓力計(jì)算原則，刀盤中心位于黏土層采用水土合算，刀盤中心位于砂性土采用水土分算 。

盾構(gòu)刀盤中心位于⑥層土，采用水土合算公式：

盾構(gòu)刀盤中心位于⑦1、⑦2層土，采用水土分算公式：

（b）土壓力調(diào)整方法，首先計(jì)算出土量。利用門式起重機(jī)對(duì)每斗泥的滿箱質(zhì)量及空箱質(zhì)量進(jìn)行稱重，計(jì)算每推進(jìn)一環(huán)實(shí)際出土的質(zhì)量，并換算成方量，得到每環(huán)實(shí)際出土量，與理論出土量進(jìn)行比較，判斷是否超挖、欠挖。

其次要做好螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速記錄。通過盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)記錄盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)一環(huán)的螺旋機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)并進(jìn)行比較，推斷每一環(huán)出土量是否合理。在土壓力保持不變的情況下，理論上螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)保持不變，如發(fā)生某一環(huán)轉(zhuǎn)速變化幅度較大，應(yīng)及時(shí)分析原因并確定是否需要調(diào)整土壓力。

3.2.2 二次環(huán)箍注漿

利用隧道管片注漿孔進(jìn)行壁后環(huán)箍注漿，通過凝固后的漿液將管片托出，保持管片坡度。二次注漿可采用單液水泥漿液，為避免漿液竄入盾尾損壞盾尾刷，待管片脫出盾尾10 環(huán)后方可進(jìn)行二次環(huán)箍注漿施工，每推進(jìn)10 環(huán)打設(shè)1 道環(huán)箍，每環(huán)注漿量約1 m3（圖5）。

圖5 二次環(huán)箍注漿示意

3.2.3 貼片材料優(yōu)化

通常采用在管片上粘貼不同厚度石棉橡膠板的方法在管片環(huán)面上形成楔形，達(dá)到調(diào)整管片坡度的目的。在普通覆土深度中進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)，盾構(gòu)總推力一般在15 000～20 000 kN，石棉橡膠板的壓縮量一般為25%～30%；當(dāng)隧道覆土深度大于25 m時(shí)，盾構(gòu)總推力普遍大于30 000 kN，石棉橡膠板的壓縮量達(dá)到80%～90%，基本失去了糾偏效果。

所以在超深覆土下施工時(shí)，應(yīng)選用橡膠纖維板作為貼片材料，橡膠纖維板在加工時(shí)已經(jīng)過壓縮，在總推力較大的影響下，壓縮量基本為零，滿足調(diào)整管片坡度的要求。

3.3 砂性土內(nèi)盾構(gòu)機(jī)總推力控制方法

3.3.1 使用超挖刀

盾構(gòu)機(jī)超深覆土施工時(shí)，殼體上半部的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于下半部的側(cè)摩阻力，所以開啟盾構(gòu)機(jī)上半周9點(diǎn)～3點(diǎn)位置超挖刀，超挖量定為80 mm，盾構(gòu)機(jī)上半周實(shí)際開挖半徑為3.25 m，通過超挖刀刮松盾殼上半部的土體，降低鋼板與土體間的摩擦因數(shù)，以減小側(cè)摩阻力。隨著超挖刀使用時(shí)間變長(zhǎng)，總推力的減小量可逐步穩(wěn)定在約5 000 kN（圖6）。

圖6 使用超挖刀示意

3.3.2 盾構(gòu)機(jī)殼體減摩注漿

盾構(gòu)機(jī)支承環(huán)位置1點(diǎn)、5點(diǎn)、8點(diǎn)、11點(diǎn)4 個(gè)方向設(shè)置殼體外注入孔，通過外注入孔向外壓注膨潤(rùn)土漿液，使膨潤(rùn)土漿液在盾構(gòu)機(jī)殼體表面形成一層泥膜（圖7）。

圖7 盾構(gòu)機(jī)殼體減摩注漿示意

膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石礦物為主要成分的黏性土，與一般黏土相比，它水化能力強(qiáng)，膨脹性大，分散性高。膨潤(rùn)土漿液一般在盾構(gòu)機(jī)施工中用于疏通、潤(rùn)滑同步注漿管路，防止管路堵塞。所以其在盾構(gòu)機(jī)殼體表面形成泥膜后，可以作為殼體鋼板與外部土體的隔離物，起到降低摩擦因數(shù)的作用，減小側(cè)摩阻力。

膨潤(rùn)土漿液配比為每拌桶（1.6 m3）的土摻加量為250 kg。拌制膨潤(rùn)土土漿應(yīng)先加水，后加入膨潤(rùn)土；新制膨潤(rùn)土土漿需存放一段時(shí)間，經(jīng)充分水化溶脹后方能使用；漿桶內(nèi)的膨潤(rùn)土土漿應(yīng)經(jīng)常攪動(dòng)，避免沉淀或離析。

膨潤(rùn)土土漿應(yīng)對(duì)其泥漿相對(duì)密度進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)南鄬?duì)密度有利于漿液在盾構(gòu)機(jī)殼體表面形成有效的泥膜，膨潤(rùn)土土漿液相對(duì)密度一般控制在1.04～1.06。

膨潤(rùn)土漿液施工中，為確保膨潤(rùn)土漿液充分打入土體內(nèi)并在盾構(gòu)機(jī)表面形成泥膜，注漿壓力以外部土壓力為參考值，在超深覆土的工況條件下，以0.5 MPa作為控制指標(biāo)。注漿量為每環(huán)壓注膨潤(rùn)土漿約1.2 m3，壓注6 環(huán)后，理論上可在盾構(gòu)機(jī)殼體表面形成一道厚5 cm的泥膜。注漿時(shí)，盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)外周4 個(gè)注入孔相互切換壓注，4 個(gè)孔的壓注量應(yīng)相對(duì)均勻，可根據(jù)注漿壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過盾構(gòu)殼體減摩注漿，盾構(gòu)總推力減小1 000～2 000 kN。

3.4 應(yīng)用效果

針對(duì)砂性土層內(nèi)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不佳的問題，通過調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和調(diào)整管片姿態(tài)2 個(gè)方面進(jìn)行解決：

（a）通過理論計(jì)算、出土量計(jì)算、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)等方式合理設(shè)定正面土壓力，確保盾構(gòu)機(jī)在砂性土體內(nèi)頭部穩(wěn)定；

（b）通過優(yōu)化管片貼片材料，確保管片糾偏效果，改善管片的受力狀態(tài)。

針對(duì)砂性土層內(nèi)盾構(gòu)機(jī)總推力過大的問題，通過使用超挖刀、盾殼減阻注漿等方式，減小盾構(gòu)總推力至約30 000 kN，使盾構(gòu)機(jī)具備足夠的糾偏能力。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)盾構(gòu)機(jī)穿越⑥層硬塑黏土層時(shí)刀盤扭矩持續(xù)過高的施工困難，通過優(yōu)化加泥加水系統(tǒng)、合理設(shè)定盾構(gòu)推進(jìn)模式、優(yōu)化刀盤加水操作方式、調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速等措施，改變了過去簡(jiǎn)單粗放的操作方式，通過結(jié)合螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等“六個(gè)恒定”的理論依據(jù)，使施工操作方法更加精細(xì)化，有效解決了盾構(gòu)推進(jìn)中刀盤扭矩過大的問題。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)穿越砂性土層時(shí)所面對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)不佳、總推力過大的問題，形成一套砂性土承壓含水層盾構(gòu)推進(jìn)施工措施，可有效控制盾構(gòu)姿態(tài)及管片狀態(tài)，確保施工質(zhì)量。