張士民/ZHANG Shi-min

（中鐵上海工程局集團市政工程有限公司，上海 200331）

隨著盾構法隧道施工技術在設計理念、施工方法和盾構設備的進步，其成為軟弱地層中修筑隧道和管道等工程的主導技術，因地層地質(zhì)、含水量、密實度、強度等各種因素的不同，在盾構選型、掘進參數(shù)以及其他施工技術上都有所區(qū)別。本文通過對沈陽礫砂、圓礫地層掘進情況分析，對盾構掘進技術進行總結。

1 工程及設備概況

沈陽地鐵10號線萬泉公園站～泉園一路站盾構區(qū)間全長1 561.137m，開始76.197m采用礦山法施工，其余為盾構法施工。根據(jù)地勘報告，盾構區(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，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、結晶巖為主，標準貫入試驗平均值在30左右，重力觸探試驗平均值12～14。

設備型號：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。

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

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

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)。

螺旋機直徑：?750，軸式，尾部中心驅動。

泡沫改良系統(tǒng)：4路單管單泵泡沫，4路都可到達掌子面。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。此種地層盾構掘進的主要特點是欠壓掘進。大部分礫砂、圓礫地層掘進，一般地表沉降不容易控制，采取滿倉保壓掘進模式。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，則掘進速度非常慢，極易凝結“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，掘進時上部土壓保持在0.5～0.8bar，掘進完成前最后幾厘米將上部土壓保到1.6～1.7bar，以保證停機時的地層穩(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，管片上浮是盾構隧道施工過程中普遍存在的問題。直徑6m左右的盾構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，引起襯砌結構侵入建筑界限。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。即盾構推進時，盾構姿態(tài)與設計軸線比較，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。

測量結果顯示，盾構的姿態(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??；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)。

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、盾構姿態(tài)、同步注漿漿液性能、管片螺栓復緊等方面查找原因。通過一段時間的試驗，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，屬強透水層，相當于盾構掘進完成后，管片外側的建筑間隙充滿水（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)量達不到理想的性能指標。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，電瓶機車水平運輸造成的震動進一步加劇離析，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）盾構反向推力盾構姿態(tài)、盾尾姿態(tài)與管片姿態(tài)，這3個姿態(tài)在掘進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，推進系統(tǒng)的上部分組壓力不一定小于下部分組壓力，甚至會大一些。在下坡段掘進時，盾構推進系統(tǒng)的推力方向本身就是“斜后方并向上”，根據(jù)力學原理，推進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，并提出相應的控制措施，有效控制管片上浮現(xiàn)象。

1）適當?shù)淖{方法考慮地下水（未凝結的漿液）的原因，只要管片浸泡在盾構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)盾構大部分都是注入的水泥砂漿，設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）控制盾構參數(shù)掘進日進尺過快，與同步注漿漿液的快速凝結是矛盾的。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設備，掘進速度一定要控制，每天8～12環(huán)為宜。盾構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的姿態(tài)，盡可能使其沿設計軸線前行，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)管片螺栓復緊盾構掘進施工中，采取管片螺栓三環(huán)復緊措施。管片螺栓復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。為減小盾構的總推進力和鉸接拉力，安裝了盾殼膨潤土注入系統(tǒng)。萬泉公園站～泉園一路站盾構區(qū)間施工過程中，發(fā)生多次盾尾停滯無法掘進的狀況，即除盾尾外的主機部分在推進力的作用下可以向前推進，但盾尾鉸接壓力達到最大值設定400bar，鉸接油缸持續(xù)伸長，而盾尾無法前行，致使掘進施工停滯。具體施工情況如下。

1）左線施工在盾構掘進完成197環(huán)時，設備故障停機約10h，恢復掘進時，盾尾鉸接壓力持續(xù)最大設定值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。之后的掘進施工，多次出現(xiàn)盾尾鉸接壓力達到400bar的情況，對掘進造成比較大的影響。原因分析：通過現(xiàn)場掘進情況以及沈陽其他標段的了解，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）右線施工盾構右線始發(fā)前，盾尾尾部安裝了止?jié){板，前期掘進趨于正常，掘進600多環(huán)后開始出現(xiàn)盾尾鉸接拖拉故障，壓力持續(xù)最大設定值400bar，致使推進停滯。處理措施還是拆除鉸接油缸更換為60mm厚鋼板進行硬拖拉，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，停機將鋼板與鉸接座子進行焊接，整體受力。原因分析：通過左右線的掘進，盾尾鉸接拖拉故障致使掘進停滯，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，造成漿液對盾構殼體的外壁包裹過緊，摩擦阻力加大；③曲線段盾構掘進姿態(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 語

沈陽地鐵10號線萬泉公園站～泉園一路站盾構區(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，通過掘進參數(shù)的優(yōu)化，右線實現(xiàn)了礫砂、圓礫地層1 560m盾構區(qū)間未換刀完成掘進的目標。希望可以為類似工程提供參考。