張士民/ZHANG Shi-min

（中鐵上海工程局集團(tuán)市政工程有限公司，上海 200331）

隨著盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)在設(shè)計理念、施工方法和盾構(gòu)設(shè)備的進(jìn)步，其成為軟弱地層中修筑隧道和管道等工程的主導(dǎo)技術(shù)，因地層地質(zhì)、含水量、密實(shí)度、強(qiáng)度等各種因素的不同，在盾構(gòu)選型、掘進(jìn)參數(shù)以及其他施工技術(shù)上都有所區(qū)別。本文通過對沈陽礫砂、圓礫地層掘進(jìn)情況分析，對盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1 工程及設(shè)備概況

沈陽地鐵10號線萬泉公園站～泉園一路站盾構(gòu)區(qū)間全長1 561.137m，開始76.197m采用礦山法施工，其余為盾構(gòu)法施工。根據(jù)地勘報告，盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為④-4礫砂、④-5圓礫、⑤-4礫砂、⑤-5圓礫、④-3中粗砂，基本為中密～密實(shí)，礫砂地層礦物成分以石英、長石為主，圓礫地層以砂巖、花崗巖、結(jié)晶巖為主，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)平均值在30左右，重力觸探試驗(yàn)平均值12～14。

設(shè)備型號：CTE6250E-1200，被動鉸接。

刀盤開挖直徑：?6 280mm。

盾體直徑：前盾?6 250mm，中盾?6 240mm，尾盾?6 230mm。

驅(qū)動系統(tǒng)：電驅(qū)，?3 000主軸承，驅(qū)動功率1 200kW，6組電機(jī)，主驅(qū)動的額定扭矩為5 770kNm，脫困扭矩為7 200kNm，a系數(shù)為23以上，額定轉(zhuǎn)速為2.64rpm，最高轉(zhuǎn)速為4rpm。

總 推 力：3 700t，30根 20組 200/180-2 150mm推進(jìn)油缸。

總鉸接力：1 285t，18根180/80～150mm鉸接油缸，并增加高低壓切換系統(tǒng)。

螺旋機(jī)直徑：?750，軸式，尾部中心驅(qū)動。

泡沫改良系統(tǒng)：4路單管單泵泡沫，4路都可到達(dá)掌子面。膨潤土改良系統(tǒng)：1臺15kW膨潤土擠壓泵，能力分別是20m3/h，2路可達(dá)到掌子面。盾殼膨潤土：1臺7.5kW的膨潤土擠壓泵，中盾及尾盾各有6個注入孔。

2 礫砂及圓礫地層掘進(jìn)時土壓控制

沈陽典型礫砂、圓礫地層，具有一定的自穩(wěn)性，掘進(jìn)施工過程中即使形成空隙短期時間內(nèi)在自然拱的條件下不會沉降、塌陷。此種地層盾構(gòu)掘進(jìn)的主要特點(diǎn)是欠壓掘進(jìn)。大部分礫砂、圓礫地層掘進(jìn)，一般地表沉降不容易控制，采取滿倉保壓掘進(jìn)模式。而沈陽的礫砂、圓礫地層，尤其是埋深較大（隧道頂埋深18m以上）的地層，如果采取滿倉保壓模式掘進(jìn)，則掘進(jìn)速度非常慢，極易凝結(jié)“泥餅”，且對刀盤磨損很大。

欠壓不代表不保壓，正常的做法是：計算的上部水土壓力1.5bar，掘進(jìn)時上部土壓保持在0.5～0.8bar，掘進(jìn)完成前最后幾厘米將上部土壓保到1.6～1.7bar，以保證停機(jī)時的地層穩(wěn)定。

3 始發(fā)段管片上浮原因分析及控制措施

3.1 始發(fā)段管片上浮現(xiàn)象

襯砌管片脫離盾尾后，管片上浮是盾構(gòu)隧道施工過程中普遍存在的問題。直徑6m左右的盾構(gòu)隧道管片上浮量一般在0～60mm之間，但有些情況下局部地段上浮量超過了限定值100mm，引起襯砌結(jié)構(gòu)侵入建筑界限。本工程施工中，尤其是始發(fā)段，發(fā)生了管片上浮量較大的不良現(xiàn)象。即盾構(gòu)推進(jìn)時，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計軸線比較，基本控制在軸線下0～30mm，但后面管片測量時，發(fā)現(xiàn)管片上浮量較大，連續(xù)幾十環(huán)在軸線上方40～60mm，對施工造成困擾。

測量結(jié)果顯示，盾構(gòu)的姿態(tài)顯示是正確無誤的，管片在脫離盾尾前有少量的上浮，即下坡段上部的盾尾間隙小；管片脫離盾尾后的幾環(huán)，管片上浮量是逐步增大的；大概2天后管片上浮量基本固定，只有微量變化。管片上浮主要發(fā)生在管片脫離盾尾到掘進(jìn)后2天的時間段內(nèi)。

3.2 始發(fā)段管片上浮原因分析

始發(fā)段管片上浮較大的現(xiàn)象對施工造成極大困擾，針對這一狀況，項目部主要從地下水浮力、盾構(gòu)姿態(tài)、同步注漿漿液性能、管片螺栓復(fù)緊等方面查找原因。通過一段時間的試驗(yàn)，管片上浮的主要原因如下。

1）地下水作用力礫砂地層水滲透系數(shù)大，屬強(qiáng)透水層，相當(dāng)于盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，管片外側(cè)的建筑間隙充滿水（或漿液），管片處于懸浮狀態(tài)。那么管片在懸浮狀態(tài)下受到的浮力是多少呢？以本項目管片設(shè)計參數(shù)為例計算：管片外徑6 000mm，厚度300mm，寬1 200mm，則一環(huán)管片自重G=161kN（混凝土密度按照2.5t/m3計算），一環(huán)管片所受到的浮力F=339kN（管片排開水的體積33.9m3），F(xiàn)＞G。管片受到的浮力大于本身的自重，在全斷面地下水（或未凝固的漿液）的工況條件下，管片本身就有上浮的趨勢。

2）同步注漿漿液性能上一條提到了管片在未凝固的漿液中浮力大于自身重力，管片有上浮的趨勢。管片壁后同步注漿的漿液性能對防止地層變形、管片上浮都有非常大的影響。理論上要求同步注漿漿液性能應(yīng)滿足：①具有充填性能；②具有一定的和易性且不離析；③盡早凝固（理論上越快越好，不考慮凝固太快極易造成堵管）；④合適的稠度，以不被地下水稀釋。但考慮到堵管、原材等各方面的原因，同步注漿的漿液質(zhì)量達(dá)不到理想的性能指標(biāo)。漿液的初凝時間在10h左右、漿液配合比不合適造成離析和被水稀釋等。由于漿液離析，電瓶機(jī)車水平運(yùn)輸造成的震動進(jìn)一步加劇離析，易于沉淀的砂沉到管片背后間隙的下部，推著管片上移，是管片上浮的又一原因。

3）盾構(gòu)反向推力盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾姿態(tài)與管片姿態(tài)，這3個姿態(tài)在掘進(jìn)過程中不可能完全重合，存在著一定的夾角。始發(fā)段是下坡，在自穩(wěn)性較好的礫砂地層下坡掘進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)的上部分組壓力不一定小于下部分組壓力，甚至?xí)笠恍?。在下坡段掘進(jìn)時，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的推力方向本身就是“斜后方并向上”，根據(jù)力學(xué)原理，推進(jìn)力可分解為一個水平方向和一個豎直方向的分力。管片在豎直方向分力的作用下向上位移，最終表現(xiàn)為管片在高程方向的上浮現(xiàn)象。

4）管片螺栓復(fù)緊。成型管片環(huán)向和縱向都是以管片螺栓連接，管片前期在同步注漿漿液凝固前的固定就依靠管片螺栓。管片螺栓松動，加劇管片錯臺和上浮。

3.3 始發(fā)段管片上浮控制措施

針對始發(fā)段管片上浮問題，查找原因，并提出相應(yīng)的控制措施，有效控制管片上浮現(xiàn)象。

1）適當(dāng)?shù)淖{方法考慮地下水（未凝結(jié)的漿液）的原因，只要管片浸泡在盾構(gòu)掘進(jìn)形成的建筑空間內(nèi)的“液體”(地下水、漿液)內(nèi)，管片就永遠(yuǎn)存在上浮的趨勢。由于管片螺栓的剛性固定作用，管片剛脫離盾尾的2～3環(huán)長度內(nèi)，由于受到盾尾的約束力，管片不會上浮。這時只要漿液及時凝固，管片上浮的趨勢就會被遏制。從漿液的凝固時間上，同步注漿系統(tǒng)注入雙液漿，可使?jié){液盡快凝固，遏制管片上浮。但國內(nèi)生產(chǎn)盾構(gòu)大部分都是注入的水泥砂漿，設(shè)備本身性能上不滿足此項要求。要求漿液在盡可能短的時間內(nèi)凝固，就要在水泥砂漿性能上和注入方式上來解決問題。一是調(diào)整合適的水泥砂漿配合比，增加漿液的和易性、降低離析，初凝時間控制在4～6h；二是掘進(jìn)過后，及時在盾尾后5～10管片上部進(jìn)行二次注漿（雙液漿最好）。

2）控制盾構(gòu)參數(shù)掘進(jìn)日進(jìn)尺過快，與同步注漿漿液的快速凝結(jié)是矛盾的。掘進(jìn)速度快，同步注漿漿液不能及時凝固，管片懸浮造成上浮現(xiàn)象。因此，同步注漿采取水泥砂漿的盾構(gòu)設(shè)備，掘進(jìn)速度一定要控制，每天8～12環(huán)為宜。盾構(gòu)過量的蛇形運(yùn)動勢必造成頻繁的糾偏，這個過程就是管片環(huán)面受力不均的過程，極易造成盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾姿態(tài)、管片姿態(tài)的不匹配，造成管片豎直向上分力的加大。掘進(jìn)過程中必須控制好盾構(gòu)的姿態(tài)，盡可能使其沿設(shè)計軸線前行，若發(fā)生偏差，糾偏時不能猛糾急糾，人為造成管片環(huán)面受力不均。

3)管片螺栓復(fù)緊盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，采取管片螺栓三環(huán)復(fù)緊措施。管片螺栓復(fù)緊措施人為控制因素很大，這就需要經(jīng)常性的檢查，確保措施到位。為了防止管片螺栓松動，要求現(xiàn)場從剛拼裝成環(huán)的管片到一號拖車操作室前的所有螺栓全部復(fù)緊。另外，需要注意的是管片螺栓直徑問題，若螺栓直徑小于設(shè)計直徑，螺栓穿入管片的螺栓孔后，間隙量比較大，緊固后的螺栓極易松動，造成錯臺、上浮。

4 盾尾鉸接拖拉故障

盾尾鉸接為被動鉸接，18根?180/80～150mm鉸接油缸，總拉力1 285t。為減小盾構(gòu)的總推進(jìn)力和鉸接拉力，安裝了盾殼膨潤土注入系統(tǒng)。萬泉公園站～泉園一路站盾構(gòu)區(qū)間施工過程中，發(fā)生多次盾尾停滯無法掘進(jìn)的狀況，即除盾尾外的主機(jī)部分在推進(jìn)力的作用下可以向前推進(jìn)，但盾尾鉸接壓力達(dá)到最大值設(shè)定400bar，鉸接油缸持續(xù)伸長，而盾尾無法前行，致使掘進(jìn)施工停滯。具體施工情況如下。

1）左線施工在盾構(gòu)掘進(jìn)完成197環(huán)時，設(shè)備故障停機(jī)約10h，恢復(fù)掘進(jìn)時，盾尾鉸接壓力持續(xù)最大設(shè)定值400bar，盾尾停滯。后來將4根鉸接油缸更換為厚度60mm的鋼板硬連接，才得以脫困。之后的掘進(jìn)施工，多次出現(xiàn)盾尾鉸接壓力達(dá)到400bar的情況，對掘進(jìn)造成比較大的影響。原因分析：通過現(xiàn)場掘進(jìn)情況以及沈陽其他標(biāo)段的了解，前期發(fā)生這種狀況的原因主要是盾尾沒有安裝止?jié){板，礫砂、圓礫地層埋深較大的條件下有一定的自穩(wěn)性，同步注漿時有向前的通道，漿液包裹在盾尾殼體外部，增大摩擦阻力；其他方面如漿液配合比、注漿壓力、注漿量等發(fā)面也有一定的影響。

2）右線施工盾構(gòu)右線始發(fā)前，盾尾尾部安裝了止?jié){板，前期掘進(jìn)趨于正常，掘進(jìn)600多環(huán)后開始出現(xiàn)盾尾鉸接拖拉故障，壓力持續(xù)最大設(shè)定值400bar，致使推進(jìn)停滯。處理措施還是拆除鉸接油缸更換為60mm厚鋼板進(jìn)行硬拖拉，最惡劣的情況是，60mm厚鋼板被拖拉變形，更換80mm厚鋼板，由于鉸接銷軸直徑是固定的，為了增大受力，在鉸接油缸更換的鋼板受力后，停機(jī)將鋼板與鉸接座子進(jìn)行焊接，整體受力。原因分析：通過左右線的掘進(jìn)，盾尾鉸接拖拉故障致使掘進(jìn)停滯，原因主要有以下幾個方面：①盾尾止?jié){板的安裝與否以及質(zhì)量問題；②注漿壓力和注漿量的過分飽和，造成漿液對盾構(gòu)殼體的外壁包裹過緊，摩擦阻力加大；③曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)不良，地層自穩(wěn)性較好的情況下，盾尾與地層干涉大，阻力大。

5 結(jié) 語

沈陽地鐵10號線萬泉公園站～泉園一路站盾構(gòu)區(qū)間隧道左右線已于2 017年7月全面貫通，區(qū)間雙線長度1 560m，通過掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化，右線實(shí)現(xiàn)了礫砂、圓礫地層1 560m盾構(gòu)區(qū)間未換刀完成掘進(jìn)的目標(biāo)。希望可以為類似工程提供參考。