盾構(gòu)穿越特殊地層掘進施工技術(shù)應(yīng)用分析

曲艷強

摘要：依托沈陽地鐵10號線萬泉公園站～泉園一路站盾構(gòu)隧道工程，大致分析了沈陽典型礫砂、圓礫地層土壓平衡式盾構(gòu)的掘進時土壓控制原則，并結(jié)合現(xiàn)場管片上浮不良現(xiàn)象以及盾尾鉸接拖拉故障，分析原因并提出切實可行的處理措施。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu);特殊地層;掘進施工技術(shù)

隨著城市化進程的加快，盾構(gòu)隧道建設(shè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，在盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中，會遇到各種復(fù)雜地層，其中巖溶不良地質(zhì)條件是困擾盾構(gòu)隧道順利建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題。在對探明巖溶不良地層進行處理時，存在處理方法選取困難，地層處理參數(shù)選取多依靠經(jīng)驗，不良地層處理質(zhì)量難以把控，進而造成后續(xù)盾構(gòu)穿越巖溶不良地層時出現(xiàn)開挖面坍塌、刀盤結(jié)泥餅、噴涌等常見風(fēng)險。

一、工程簡介

長春地鐵2號線一期工程施工線路始于西湖站止于東方廣場站，整條線路長約20.5km，共設(shè)車站19座.本項目所涉及的世紀大街站-東方廣場站區(qū)間左右線均為盾構(gòu)區(qū)間，左、右線設(shè)計起迄止里程范圍均為K39+17.862～K39+992.257，設(shè)計范圍左、右線長度分別為974.36m和974.395m（區(qū)間左線在里程K39+945.737處存在短鏈0.035）。

區(qū)間左、右線平面均由直線段和R =1500m，R =1000m，R =1200m的三處曲線段構(gòu)成，區(qū)間出世紀廣場站后線間距為13.5m，然后逐漸減小到13.0m，至東方廣場站時線路線間距增至13.5m。區(qū)間縱向基本呈“V”字坡，自西向東坡度依次為+2‰、-21‰、-4‰、+8‰、+26‰、-2‰、（-為下坡，+為上坡），左、右線設(shè)計軌面高程均為182.276～190.628。隧道埋置局部較深，其結(jié)構(gòu)覆土為10.21m～17.09m。區(qū)間附屬結(jié)構(gòu)包含一座聯(lián)絡(luò)通道（左線中心里程為K39+489.428，右線中心里程K39+490.000），聯(lián)絡(luò)通道與泵站合建。

本區(qū)間采用兩臺盾構(gòu)機從世紀大街站始發(fā)，東方廣場站接收吊出，擬投入本區(qū)間工程施工的兩臺盾構(gòu)機分別為一臺Φ6280mm維爾特盾構(gòu)機及一臺Φ6140mm三菱RME246SE盾構(gòu)機， 盾構(gòu)從世紀大道站開始，盾牌穿越吉林路，地面交通十分繁忙，地下管線復(fù)雜而且多，在盾構(gòu)施工期間，發(fā)現(xiàn)右線隧道70-90環(huán)，140-390環(huán)，間隔左線70-90環(huán)，140-200環(huán)，部分參數(shù)在隧道施工過程中發(fā)生明顯變化，例如刀頭上扭矩的增加。

二、盾構(gòu)改良技術(shù)

（一）流體部分

第一，增加1路刀具中心沖洗，增加2號拖車怠速位置的增壓沖洗泵（功率11kW，流量20m3 / h，最大壓力20×100kPa），氣動球閥設(shè)置在噴水管，主控室控制氣動球閥的開啟和關(guān)閉;第二，在刀頭上添加兩道膨潤土注射系統(tǒng)。 由于現(xiàn)有膨潤土泵的排量較小，需要增加一個軟管泵和兩個控制氣動球閥，單管單泵功能可單獨或同時注入第三，當中心旋轉(zhuǎn)接頭增加膨潤土通道時，相應(yīng)的跑道密封潤滑需要相應(yīng)增加，使用多點泵的預(yù)留出口增加潤滑線。

（二）刀盤及回轉(zhuǎn)接頭部分

一方面，重新制作旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭包含6個通道，包括4路泡沫和2路膨潤土，中心通孔是刀頭的中心沖洗通道，新制的旋轉(zhuǎn)接頭和原始旋轉(zhuǎn)接頭采用法蘭連接法蘭。在連接方式中，盡量避免新制旋轉(zhuǎn)接頭的不同軸和刀頭的旋轉(zhuǎn)中心的問題;另一方面，在刀頭的適當位置加兩個或兩個噴嘴，使刀頭的噴嘴總數(shù)達到六個，并根據(jù)噴嘴的位置重新定位泡沫，膨潤土的位置分布，噴管在外部鋪設(shè)的，外管焊接有保護蓋以保護管道，用橡膠材料代替原刀盤泡沫噴口的尼龍板，增加噴口板的孔徑。

（三）電氣部分

首先在主控室增加顯示屏。顯示器包括膨潤土泵的啟動和停止，增壓泵的啟動和停止，以及水射流氣動球閥的啟動和關(guān)閉嗎，操作面板增加電位計旋鈕以控制軟管泵的流量;另外，用PLC模塊的配電柜，控制軟管泵的變頻器，開關(guān)，繼電器以及用于增壓泵的開關(guān)和繼電器。

三、始發(fā)段管片上浮原因分析及控制措施

（一）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后2天的時間段內(nèi)。

（二）始發(fā)段管片上浮原因分析

第一，地下水力砂礫砂層具有較大的透水系數(shù)，是一個較強的滲透層。在盾構(gòu)掘進完成后，段外的建筑物間隙充滿水（或漿液），并且該段處于懸浮狀態(tài)，該浮力是多少？以項目段的設(shè)計參數(shù)為例：段的外徑為6000mm，厚度為300mm，寬度為1200mm。環(huán)件的重量為G = 161kN（混凝土密度根據(jù)2.5t / m3計算），環(huán)形件接收浮力F = 339kN（管排水量為33.9m3），F(xiàn)> G.該段的浮力大于其自身重量。在全截面地下水（或未固化的泥漿）的條件下，該段本身具有上升的趨勢;第二，盾構(gòu)反推力盾構(gòu)姿態(tài)，盾尾姿態(tài)和分段姿態(tài)。這三種姿勢在隧道掘進過程中可能不完全重合，并且存在一定的角度。起始段是下坡，并在穩(wěn)定良好的礫石砂層中下坡行駛。推進系統(tǒng)的上分組壓力不一定小于下分組壓力，甚至可以更大。當在下坡路段中進行隧道掘進時，盾構(gòu)推進系統(tǒng)自身的推力方向是“向后和向上傾斜”。根據(jù)力學(xué)原理，推進力可以分解為水平方向和垂直分量。該段在垂直分力的作用下向上移位，最后在高程方向上浮動現(xiàn)象;第三，分段螺栓擰緊。形成的段通過螺栓在環(huán)向和縱向上連接，在同步灌漿漿料凝固之前固定段取決于分段螺栓，分段螺栓如果松動，就會加劇相應(yīng)的管件松動或者上浮浮動。

（三）始發(fā)段管片上浮控制措施

1、適當?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)掘進形成的建筑空間內(nèi)的“液體”（地下水、漿液）內(nèi)，管片就永遠存在上浮的趨勢。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;二是掘進過后，及時在盾尾后5～10管片上部進行二次注漿（雙液漿最好）。2、控制盾構(gòu)參數(shù)掘進日進尺過快，與同步注漿漿液的快速凝結(jié)是矛盾的。掘進速度快，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，掘進速度一定要控制，每天8～12環(huán)為宜。盾構(gòu)過量的蛇形運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。

四、盾構(gòu)掘進保證措施

（一）孤石探測及掘進處理措施

施工前，委托有經(jīng)驗的勘察單位采用地質(zhì)雷達結(jié)合地震反射波法及加密地勘孔（每3～5m一孔）對標段沿線內(nèi)孤石情況進行詳細勘察，初步明確孤石的位置及大小。盾構(gòu)掘進施工過程中，對未超前探到的孤石，根據(jù)掘進參數(shù)的異常變化，及時發(fā)現(xiàn)前方遇到的孤石，采用廣深地區(qū)孤石掘進的處理方法。當遇到孤石時，參數(shù)波動較大，聲音明顯，有強烈的震動，操作人員立即減小推力，降低刀盤轉(zhuǎn)速，控制刀盤扭矩的波動情況，控制推進速度10mm/min以內(nèi)，控制好土倉壓力，控制好出渣量，加強渣土改良效果，嚴格控制好地表沉降。也就是說，采用小推力、小扭矩、慢速度、穩(wěn)土壓、勤改良、嚴控制的掘進方法。

（二）針對盾構(gòu)掘進施工重難點處理措施

盾構(gòu)隧道通過補充大于1米的孤石來確定，地質(zhì)鉆機用于在地面鉆孔，采用專用PVC管將炸藥引入孔內(nèi)，在孔外進行爆破處理。在施工過程中，必須嚴格監(jiān)控推進缸和盾構(gòu)機姿態(tài)的突然變化，筒倉壓力的變化和氡的量。如果發(fā)現(xiàn)異常，請進入筒倉進行檢查，以確定是否有單獨的石頭并確定單獨的石頭。與刀頭的位置關(guān)系。在隧道掘進過程中，當?shù)V石被卡在刀頭中或與刀盤一起旋轉(zhuǎn)以擾亂周圍的土壤時，考慮從洞內(nèi)土倉內(nèi)進行處理，在倉庫中，巖石分離器主要用于處理孤石。鑒于孤石的堅硬特征，在工具選擇中使用超硬耐磨滾刀將顯著提高工具的破巖能力，并且在挖掘過程中將以低速切割成碎片，如果隧道掘進速度非常慢或巖石與刀頭一起滾動，則應(yīng)將其輸入土壤倉進行手動處理。靜態(tài)巖石爆破，爆破爆破和特殊工具可用于移除孤石，對于較小的孤石，通過注漿加固來加固地層，并在加固后將周圍土壤和孤石形成一個整體，然后用盾構(gòu)機破碎巖石。

（三）確保同步注漿與二次注漿

同步注漿用砂漿，依據(jù)地層情況試配確定配合比，綜合考慮漿液拌和及運輸時間，初凝時間一般控制在5～6h，每班取樣兩次。注漿壓力比土體靜水壓力大0.05MPa，注漿與推進同步、勻速注入;注漿過程中密切關(guān)注盾尾漏漿情況，若出現(xiàn)滲漏，停止掘進和注漿，相應(yīng)位置連續(xù)泵入盾尾油脂，以不滲漏為準，恢復(fù)推進后注漿注意控制壓力。停機期間關(guān)閉單向閥，每隔10min注入一次，以免堵管;停機時間≥1h時，需注入膨潤土保管，對泵頭進行清洗;停機時間≥4h時，需注入膨潤土保管，拆除軟管接頭，對泵頭和管路進行清洗。二次注漿有三種方式：在脫出盾尾后第四環(huán)位置頂部（曲線段為轉(zhuǎn)彎外側(cè)管片上半部）注入雙液漿（1：1）或水玻璃（試驗確定，控制初凝時間在30～40s）以盡早固結(jié)穩(wěn)定管片，避免管片上浮，確保姿態(tài);從盾尾倒數(shù)第七環(huán)開始每間隔五環(huán)往后從頂部進行單液漿（水泥漿）注入，單孔單次0.5～1.5m3;后期管片脫出臺車后依據(jù)隧道滲漏水情況進行對應(yīng)注漿（注漿如壓力上升較快，間隙注），注意盡可能與前次注漿位置錯開。（6）依據(jù)渣土松散系數(shù)及含水率，密切關(guān)注渣土情況和出渣量，結(jié)合渣土體積和吊裝重量確定單環(huán)出渣量，避免超挖或欠挖。（7）在富水砂層掘進盡量做到連續(xù)快速掘進，確保各工序間銜接順暢，盡量減少停機次數(shù)和時間。（8）做好地面及成型隧道監(jiān)測工作，及時反饋相關(guān)信息以指導(dǎo)具體施工。（9）對影響范圍內(nèi)管線、建構(gòu)筑物進行事先調(diào)查和鑒定，采取遷移、加固等措施。（10）加強管片拼裝質(zhì)量，對管片螺栓進行至少三次復(fù)擰。及時對盾尾泥水進行清理，除對流出的含有較多砂土的盾尾油脂進行清除外，其他可以暫時保留。

五、結(jié)語：

設(shè)備的改進提高了土壤的流動塑性，確保了土壓力平衡的建立，避免了刀盤超過額定扭矩和刀盤結(jié)餅等現(xiàn)象。 隨隧道中土壤的沉降呈“V”形變化，兩側(cè)沉降變化受現(xiàn)有樁基的遮攔作用影響，導(dǎo)致隧道兩側(cè)的變化不完全一致，沉降呈 均勻現(xiàn)象，滿足規(guī)范的要求。

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