曹建輝

（中鐵三局集團橋隧工程分公司盾構(gòu)工程段，河北 邯鄲 056036）

成都地區(qū)富水砂卵層地層結(jié)構(gòu)松散，卵石含量高，地層自穩(wěn)性差，地下水豐富。盾構(gòu)刀盤、刀具及螺旋輸送機磨損嚴(yán)重，出渣控制難度大，地表沉降控制難度大。本文以成都地鐵1－3號線聯(lián)絡(luò)線，300m半徑曲線盾構(gòu)施工為背景，從盾構(gòu)掘進姿態(tài)、碴土改良、掘進參數(shù)及隧道成型管片質(zhì)量等方面進行了研究。本盾構(gòu)區(qū)間順利貫通為今后工程中盾構(gòu)施工提供了有益的借鑒和參考。

1 工程概況

成都地鐵1－3號線聯(lián)絡(luò)線是連接既有1號線車輛段和在建3號線的聯(lián)絡(luò)線，始于1號線車輛，下穿興達(dá)地塊單層磚房、沙河、香瀾半島小區(qū)、鳳凰渠等風(fēng)險源，最后進入駟馬橋北站與正線相接。聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)區(qū)間長956.43m。區(qū)間平面300m半徑的曲線有3處，曲線長度共計811.418m，占區(qū)間全長的84.8%。盾構(gòu)區(qū)間縱向線路為“V”字坡，最大坡度34.9‰，隧道埋深在4.2 16.9m（見圖1）。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越稍密卵石、中密卵石、密實卵石等地層。本區(qū)間地下水位高，透水性強。采用中鐵裝備CET6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機。

圖1 1－3 號線聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)區(qū)間隧道平面圖

2 成都地區(qū)砂卵石地質(zhì)特性

隧道穿越的地層主要為卵石土層,卵石成分主要以巖漿巖、變質(zhì)巖類巖石組成，以亞圓形為主，卵石含量50%

80%，粒徑20 80mm為主，部分粒徑大于100mm，最大粒徑500mm（極少）。卵石單軸極限抗壓強度為90.9

91.7 MPa。充填物為礫石、細(xì)砂、中砂，卵石硬度最大強度可達(dá)200MPa。地下水為第四系孔隙水，水位埋藏較淺，地下水位正常埋深約為3m，滲透系數(shù)大（一般滲透系數(shù)為20 25m／d）。成都充沛的降雨量是地下水的重要補給源之一。車站挖掘出來的砂卵石如圖2。

（1）砂卵石地層為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，地層結(jié)構(gòu)分散且離散性大，無黏聚力。開挖面不穩(wěn)定，地層反應(yīng)靈敏，易發(fā)生坍塌（見圖3）。

（2）砂卵石地層內(nèi)摩擦角大，卵石的顆粒大，碴土級配性差且受地下水的影響大，土倉內(nèi)不易形成不透水流塑性狀態(tài)的碴土，螺機排渣困難。

（3）因該地層的特點，不能建立成理論的土壓平衡機理。土倉壓力不穩(wěn)定，從而造成開挖面失穩(wěn)，會引起地表塌陷（見圖4）。

圖2 砂卵石地層車站開挖時渣土

（4）砂卵石地層卵石土級配性差、卵石粒徑大、充填物為砂粒等，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進時對刀盤、刀具、螺旋機的磨損嚴(yán)重。

（5）目前，盾構(gòu)在砂卵石中切削機理尚不夠明確，造成盾構(gòu)的推力、扭矩、速度等重要參數(shù)難以確定。盾構(gòu)掘進參數(shù)在沒有明顯征兆的情況下迅速惡化。

（6）因該地層的碴土內(nèi)摩擦角大，刀盤中心區(qū)域和土倉兩腰部分碴土流動性差，刀盤中心區(qū)域及土倉內(nèi)兩側(cè)下部4-5點和7-8點位置易結(jié)泥餅，因此減小了碴土從刀盤面板流入土倉的通道（見圖5）。

3 富水砂卵石盾構(gòu)的配置

本標(biāo)段采用1臺中鐵裝備CET6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。該盾構(gòu)刀盤開挖直徑Ф6280mm。刀盤面板采用4輻條+4面板的結(jié)構(gòu)形式。刀盤開口率36%，中心區(qū)域開口率達(dá)到38%。刀盤可配置36把滾刀。刀盤面板、刀盤周邊和螺旋機采用復(fù)合鋼板或耐磨塊，以加強耐磨性能。最大推力3700t；額定扭矩6650kNm。螺旋機筒體內(nèi)徑800mm，最大通過粒徑為Φ300×570mm（見圖6）。

圖3 砂卵石地層盾構(gòu)掘進示意圖

圖4 砂卵石地層盾構(gòu)掘進地表塌陷示意圖

圖5 土倉及刀盤結(jié)泥餅圖

圖6 盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)

4 富水砂卵石盾構(gòu)掘進施工技術(shù)措施

掘進參數(shù)在盾構(gòu)掘進過程中是不斷變化、相互影響的。掘進參數(shù)的管理是動態(tài)的管理及各掘進參數(shù)范圍的管理。施工過程中只有保持各參數(shù)之間相互匹配、相對穩(wěn)定，才能使盾構(gòu)處于最佳工作狀態(tài)。

4.1 優(yōu)化掘進參數(shù)

盾構(gòu)主要掘進參數(shù)包括土壓力、刀盤扭矩、推力、推進速度、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速（排土量）、加泥量、加泡沫量、注漿量與注漿壓力、盾構(gòu)姿態(tài)等。由于砂卵石地層本身的特點，現(xiàn)場施工時遇到的突發(fā)事件較多，各項參數(shù)值的波動也較大，所以很難給出一個準(zhǔn)確的設(shè)定。根據(jù)盾構(gòu)性能、地質(zhì)條件和施工環(huán)境的特點，在分析總結(jié)各參數(shù)相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際情況（包括穿越的土層性質(zhì)、刀具的狀態(tài)），權(quán)衡利弊、綜合考慮，找出各項參數(shù)之間一個最優(yōu)化的組合。進一步指導(dǎo)施工，達(dá)到滿足施工進度、安全和質(zhì)量要求及有效控制地面沉降的目的。盾構(gòu)正常掘進參數(shù)如表1。

4.2 土壓力控制

土壓力的合理設(shè)定是盾構(gòu)施工中維持地層原始應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵。主動土壓力值是盾構(gòu)土壓平衡掘進保持的最小壓力值。根據(jù)砂卵石地層原狀地層內(nèi)摩擦角大，水壓力隨隧道埋深增加等特點，盾構(gòu)在該地層中掘進時應(yīng)按主動土壓力進行控制，可以減少盾構(gòu)土艙結(jié)泥餅、刀盤卡死等問題產(chǎn)生。

主動土壓力計算公式p土＝（q+γh）tg2（45°-Ф/2）-2ctg（45°-Ф/2）。根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗，實際盾構(gòu)掘進的土壓力值在理論計算主動土壓力值的基礎(chǔ)上再考慮0.02 0.03MPa的壓力作為預(yù)備壓力，這樣才能確保盾構(gòu)掘進一直處于土壓平衡掘進模式，避免掘進超方。本盾構(gòu)區(qū)間土壓力控制在0.6 0.14MPa。

4.3 出土量控制

盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時，出渣超方會造成地面沉降超限。出渣量采用體積與質(zhì)量雙重控制機制。施工中對渣斗車進行分格量化，從渣斗車頂往下每10cm所對應(yīng)的渣土數(shù)值進行精確計算，確?？焖俅_定每環(huán)出渣量。掘進時采取渣土改良措施增加渣土的流動性和止水性，密切觀察螺旋輸送機的栓塞和出土情況，以及時調(diào)整添加劑的摻量。螺旋輸送機轉(zhuǎn)速一般控制在5 9r/min為宜。1.2m管片碴土的控制指標(biāo)：碴土的體積在43 45m3，碴土的重量為92 95t。

4.4 控制注漿質(zhì)量

盾構(gòu)掘進對砂卵石地層擾動較大，尤其是刀盤上部地層長期在欠壓模式下，地層的損失較多。考慮到其它因素如漿液固結(jié)收縮、漿液流失及超挖后的固結(jié)沉降等，同步注漿采用雙控即注漿壓力和注漿量。砂卵石漿液的注入率較大，一般為150% 200%，本區(qū)間平均漿液的注入量為5.5m3/m；注漿壓力控制在0.2 0.25MPa。漿液質(zhì)量和注入方式對隧道成型管片的質(zhì)量影響較大，所以在掘進中對注漿工藝要嚴(yán)格。

（1）漿液的初凝時間控制在5 8h以內(nèi)，漿液比重控制在1.75以上。

（2）漿液注入前要充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑥亩岣邼{液的流動性，保證注漿量能夠填充背后空隙。

（3）在盾構(gòu)掘進過程中需同步注漿，避免因漿液不到位引起盾構(gòu)意外停機。嚴(yán)禁在沒有漿液的情況下進行盾構(gòu)掘進施工。

（4）密切關(guān)注注漿壓力，壓力過大則會擊穿盾尾刷而漏漿。

5 小半徑曲線隧道施工難點及技術(shù)控制措施

5.1 小半徑曲線隧道施工難點

盾構(gòu)主機為長近9m的直線形剛體，中間設(shè)有鉸接，將盾構(gòu)分成前后2個部分。隧道成型曲線是由一段段連續(xù)的折線擬合而成。為了使隧道軸線與設(shè)計軸線相吻合，盾構(gòu)掘進過程中需要進行連續(xù)糾偏。曲線半徑越小，越難擬合，掘進軸線控制比較困難。常見隧道軸線偏離、管片錯臺和崩裂、管片上浮和扭轉(zhuǎn)、滲漏水等質(zhì)量問題。小半徑曲線隧道在施工過程中主要有以下難點：

表1 盾構(gòu)正常掘進參數(shù)表

（1）曲線上盾構(gòu)測量系統(tǒng)的通視條件受成型隧道影響，測量系統(tǒng)移站頻率加快；管片背后空隙率較高，管片產(chǎn)生較大的水平偏移，所以每次移站時盾構(gòu)機前端軸線跳動較大，從而誤導(dǎo)掘進。

（2）實際上盾構(gòu)前端是沿著設(shè)計曲線的軸線在掘進，所以盾構(gòu)時時在糾偏。曲率越小，盾構(gòu)的糾偏量越大，所以盾構(gòu)前端控制困難，經(jīng)常發(fā)生糾偏過大的現(xiàn)象。

（3）盾構(gòu)在曲線上掘進，實際上是蛇形前進，盾構(gòu)前端和盾尾時時在變化，從而導(dǎo)致盾尾密封及盾尾間隙較難控制。

（4）盾構(gòu)擬合曲線的過程中，盾構(gòu)左右推進油缸分區(qū)的推力不同，管片在左右方向上的受力也不同，從而使管片向曲線外側(cè)發(fā)生移動。

5.2 小半徑曲線隧道施工技術(shù)控制措施

針對小半徑曲線隧道常見的隧道軸線偏離、管片錯臺和崩裂、管片上浮以及扭轉(zhuǎn)、滲漏水等質(zhì)量問題，在施工過程中從掘進軸線控制、鉸接裝置、掘進參數(shù)、管片選型及拼裝、注漿等幾方面進行控制，以保證小半徑曲線段成型管片質(zhì)量。以下針對技術(shù)難點逐一進行分析并探討解決措施。

5.2.1 盾構(gòu)掘進姿態(tài)的控制

（1）盾構(gòu)掘進過程從微觀來講是一個“S”型糾偏的過程，盾構(gòu)前端要跟著隧道線路設(shè)計軸線掘進。每延米糾偏量控制在2 3mm，掘進每環(huán)糾偏量控制在5mm以內(nèi)。否則盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎過急易導(dǎo)致盾尾間隙過小，造成管片破裂漏水（見圖7）。

（2）盾構(gòu)推進軸線的預(yù)偏。

在小半徑曲線隧道掘進時，盾構(gòu)實際掘進軸線應(yīng)在曲線內(nèi)側(cè)15 30mm范圍內(nèi)。因為盾構(gòu)時時在轉(zhuǎn)彎，如果盾構(gòu)的軸線在曲線外側(cè)，勢必增大盾構(gòu)的糾偏量。盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎更急，管片承受側(cè)向壓力增大，鉸接部位的相對位置變化增大，從而導(dǎo)致盾尾間隙減小，管片的錯臺破損機率增加。適當(dāng)預(yù)留隧道一定的偏移量，使隧道最終偏差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。預(yù)偏量示意圖見圖8所示。

（3）適當(dāng)?shù)你q接角度。

盾構(gòu)增加鉸接部分，將盾構(gòu)分成前后2個部分，增加了盾構(gòu)的靈敏度。被動鉸接的盾構(gòu)盾尾和隧道的線路擬合是非常重要的，也就是讓盾構(gòu)的鉸接打開，使盾構(gòu)自身的曲線與隧道設(shè)計的線路曲線相同。在CAD上模擬300m半徑的曲線，盾構(gòu)鉸接左右行程差控制在約90mm為最佳。在實際施工中，由于前端糾偏、推力的大小、盾尾磨擦力等原因，將鉸接行程差控制在70 80mm范圍均可順利通過。鉸接行程差決定著鉸接密封的效果，差值越大，密封越容易受損，因此盡量將鉸接行程差控制在合理范圍內(nèi)，滿足姿態(tài)控制以及管片選型條件。

5.2.2 盾構(gòu)掘進控制

（1）掘進速度及推力的控制。

圖7 盾構(gòu)曲線糾偏示意圖

圖8 小半徑曲線段盾構(gòu)推進軸線預(yù)偏示意圖

曲線段盾構(gòu)掘進，盾構(gòu)掘進速度、盾構(gòu)推力需進行嚴(yán)格控制。同等條件下，掘進速度大，則要求相應(yīng)的盾構(gòu)推力就大。小半徑曲線段宜減小盾構(gòu)的推力，從而控制管片側(cè)向位移。根據(jù)在砂卵石土層小曲線段盾構(gòu)掘進情況，總結(jié)掘進速度控制在40mm/min左右為宜。

（2）推進油壓差的控制。

盾構(gòu)的推進和糾偏是通過推進千斤頂在上、下、左、右4個扇形分區(qū)來完成的。當(dāng)盾構(gòu)需要調(diào)整方向時，可通過調(diào)整4個區(qū)域的油壓來調(diào)節(jié)千斤頂?shù)耐屏?。盾?gòu)糾偏時要使千斤頂各區(qū)域壓力分布呈線性狀態(tài)，如盾構(gòu)要向右糾，除左區(qū)要較右區(qū)有一個較大的壓力差外，上、下區(qū)域的壓力也要適當(dāng)，一般可取左、右區(qū)域壓力的平均值。盾構(gòu)司機要總結(jié)左、右2個分區(qū)的油缸壓力差值，確定在合理的壓力差值范圍，使盾構(gòu)前端的偏移量最小，水平姿態(tài)控制到理想狀態(tài)。

5.2.3 管片選型及拼裝

小半徑曲線轉(zhuǎn)彎的管片選型主要依據(jù)線路曲率和轉(zhuǎn)彎環(huán)管片的幾何形狀。成都地鐵采用的管片長度為1.2m，契形量為38mm。根據(jù)計算通過300m半徑曲線段每隔1.9m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。加上糾偏管片拼裝點位變化，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的拼裝關(guān)系為：1環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+2環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。盾構(gòu)隧道管片破損外觀上直接顯現(xiàn)的主要有管片崩角、崩邊、裂紋等幾種現(xiàn)象，在隧道襯砌的內(nèi)外兩側(cè)均有發(fā)生。管片破損發(fā)生原因是多方面的，要從盾構(gòu)糾偏、盾尾間隙及管片拼裝等方面進行綜合分析，找出原因并制定措施。盾構(gòu)掘進過程中應(yīng)注意以下幾點：

（1）嚴(yán)格控制把握管片選型準(zhǔn)確性，隨時關(guān)注盾尾與管片間的間隙。在曲線內(nèi)側(cè)盾尾間隙過小的情況下，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鉸接油缸的長度或?qū)⒍軜?gòu)機頭向盾尾間隙過小的方向調(diào)整一下，使盾尾間隙有所變大。在姿態(tài)穩(wěn)定、千斤頂行程差可控的情況下，若曲線外側(cè)盾尾間隙小或盾尾間隙左右較平均，選擇轉(zhuǎn)彎幅度較大的點位。若轉(zhuǎn)彎方向內(nèi)側(cè)盾尾間隙小，則選擇轉(zhuǎn)彎幅度較小的點位。

（2）管片拼裝點位選擇嚴(yán)禁急糾偏。盾尾間隙較差，掘進司機的急劇糾偏很容易造成管片的大錯臺和破裂。

（3）盾構(gòu)司機管片選型重點考慮的是減少曲線外側(cè)、內(nèi)側(cè)的行程差。管片選型中油缸行程差過大，特別是在曲線部位，如果外側(cè)油缸比內(nèi)側(cè)油缸長很多，需要連續(xù)安裝大量的轉(zhuǎn)彎環(huán)來跟上主機的姿態(tài)，同時造成盾尾間隙過小，成型管片脫出盾尾后形成管片錯臺。合理的油缸行程差不能超過60mm。

（4）因糾偏、管片拼裝質(zhì)量差、環(huán)縫夾泥、管片環(huán)面不佳等引起的環(huán)面不平整，盾構(gòu)千斤頂作用于管片上產(chǎn)生較大的劈裂力矩造成管片開裂。

（5）千斤頂?shù)膿窝p壞或重心偏位時，會對管片產(chǎn)生扭矩的作用，使管片向內(nèi)或者向外擠壓，使得撐靴部位的管片形成集中應(yīng)力，易使管片開裂。

（6）拼裝時管片未能形成正圓，造成內(nèi)外張角，導(dǎo)致下一環(huán)推進過程中管片出現(xiàn)變形。

（7）拼裝時盾殼內(nèi)沒有清理干凈，造成雜物進入環(huán)縫，形成喇叭口。在盾尾中的雜物對管片進行擠壓，管片形成錯臺，易使管片開裂。

（8）管片拼裝小時，K塊位置不夠的時候強行插入，容易使K塊與鄰接塊的接觸處擠環(huán)。

6 結(jié)束語

在成都地鐵1－3號線聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)施工的工程實踐中，針對盾構(gòu)小半徑曲線隧道常見的隧道軸線偏離、管片錯臺和崩裂、管片上浮和扭轉(zhuǎn)、滲漏水等質(zhì)量問題，在施工過程主要考慮從掘進參數(shù)、管片選型及拼裝、注漿、碴土改良等方面進行控制。實現(xiàn)了成都富水砂卵石地層小半徑曲線的條件下，盾構(gòu)安全穿越了興達(dá)地塊單層磚房、沙河、香瀾半島小區(qū)、鳳凰渠等風(fēng)險源。本項目地表沉降在規(guī)范的控制值內(nèi)，成型的隧道線形符合設(shè)計要求，隧道成型治理得到業(yè)主的好評，為同類工程提供了寶貴的經(jīng)驗。