鄭劍鋒/ZHENG Jian-feng

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

極軟流塑地層是指標(biāo)貫值＜5、液性指數(shù)＞1的地層，在該工況下地鐵盾構(gòu)施工，變形控制難度大，容易出現(xiàn)上浮、姿態(tài)偏離、收斂超限、沉降過大等問題，對(duì)既有結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[1～2]。極軟流塑條件下盾構(gòu)施工已經(jīng)有很多學(xué)者開展了不少研究，取得了大量的成果。卓旭煬[3]通過填充高風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)的溶洞、對(duì)軟塑紅粘土層進(jìn)行加固以及在巖面傾斜過大的地方增設(shè)抗滑樁等措施有效防范了軟塑土隧道下沉風(fēng)險(xiǎn)。寧紀(jì)維等[4]結(jié)合淤泥質(zhì)地層的特性，采取設(shè)定油缸壓力等措施，將盾構(gòu)機(jī)的偏差控制在合理范圍之內(nèi)；舒瑤等[5～6]分析了管片上浮機(jī)理，認(rèn)為可等效梁模型的上浮量計(jì)算結(jié)果與既有現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合來預(yù)測(cè)上浮及檢驗(yàn)施工參數(shù)的合理性，從而指導(dǎo)盾構(gòu)施工。董賽帥等[7]等分析了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中管片上浮的機(jī)理，提出了施工過程中盾尾后方管片上浮的對(duì)策和針對(duì)性措施。季昌等[8]通過施工試驗(yàn)段數(shù)據(jù)分析了不同因素對(duì)管片上浮的影響規(guī)律。葉俊能等[9]通過對(duì)施工中的管片結(jié)構(gòu)形式分析，認(rèn)為管片結(jié)構(gòu)形式對(duì)施工期容許上浮量影響很大。張君等[10]根據(jù)管片受力狀態(tài)和受力情況，將管片上浮原因歸為四大類。上述文獻(xiàn)對(duì)盾構(gòu)在軟塑層地層工況下的施工開展了一定研究，但是大部分集中在盾構(gòu)上浮及其機(jī)理方面，對(duì)管片開裂、滲漏水及盾尾形變等涉及較少，本文結(jié)合杭州地鐵車站盾構(gòu)在極軟塑地層施工案例，在分析管片上浮及其控制措施的基礎(chǔ)上，對(duì)管片開裂機(jī)理及防治措施和盾尾形變控制措施進(jìn)行了詳細(xì)的歸納，具有較強(qiáng)的推廣和應(yīng)用前景。

1 工程概況

杭州地鐵SG5-8 標(biāo)三壩村站～益樂路站區(qū)間盾構(gòu)區(qū)間左右線區(qū)間長度均為1 313·994 m。盾構(gòu)穿越土層主要為：④2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、⑥1 淤泥質(zhì)粘土夾粉土、⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。其中⑥2 層淤泥粉質(zhì)粘土土層標(biāo)貫值為1·8～4·1（平均2·6)，屬高含水量（39·6%)，高壓縮性，低強(qiáng)度，低滲透性的飽和極軟流塑土層，具有較高的靈敏度和觸變特性。在施工過程中，區(qū)間上行線隧道環(huán)破損率高達(dá)69·4%，下行線環(huán)破損率為71·2%。區(qū)間地質(zhì)條件極其復(fù)雜，其中88%區(qū)段處于小半徑圓曲線及緩和曲線上，89%區(qū)段需穿越⑥2 層淤泥質(zhì)極軟流塑地層，54%區(qū)段處于大坡度或大坡度變坡階段，同時(shí)地表沿線基本均為重要建（構(gòu))筑物、河流。

2 盾構(gòu)在極軟流塑地層中施工難題

2.1 盾構(gòu)施工上浮問題

盾構(gòu)隧道主要穿越砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等土層，施工過程中出現(xiàn)了4 次較大的上浮，上浮位置分別位于“100～170 環(huán)”、“215～246 環(huán)”、“299～325 環(huán)”和“354～372 環(huán)”4個(gè)區(qū)段。具體上浮情況如圖1 所示。

圖1 停機(jī)狀態(tài)下上行線部分盾構(gòu)上浮數(shù)據(jù)

2.2 管片破損、滲漏

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管片破裂情況統(tǒng)計(jì)分析，管片破損部位主要發(fā)生在內(nèi)弧表面的弧部，尤其是隧道上半部與后一環(huán)封頂塊相接部位最為突出，隧道腰部（B2)縱縫之間破損率相對(duì)較小。

盾構(gòu)上浮之后，導(dǎo)致管片和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)之間吻合度差，不能良好匹配，使得在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，千斤頂不能垂直密貼管片，以至于出現(xiàn)導(dǎo)致管片開裂、破損的徑向分力（圖2)。

圖2 管片破損部位示意圖

2.3 盾尾形變

在極軟流塑地層施工遇到大大坡度轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)的下部空間狹小，長期承受較大壓力，同時(shí)由于盾構(gòu)機(jī)尾部的組裝焊接方式，導(dǎo)致前期大坡度施工時(shí)出現(xiàn)了盾尾橫豎差為3·1cm（上行)、1·3cm（下行)。在后續(xù)施工中盾構(gòu)尾部變形持續(xù)增加，上下行盾尾橫豎差分別達(dá)到4·2cm和3·8cm，上浮和盾尾變形交替影響，使得盾構(gòu)姿態(tài)控制難度更大。

3 極軟流塑條件下盾構(gòu)施工控制技術(shù)

3.1 大坡度、極限小半徑狀態(tài)急轉(zhuǎn)彎線型掘進(jìn)

1)做好管片型號(hào)調(diào)整 受條件限制，區(qū)間局部轉(zhuǎn)彎半徑較小，僅有304m，很容易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、破損等問題。同時(shí)該項(xiàng)目采用的管片僅有不足50mm 的楔形量，導(dǎo)致施工控制更加困難。因此實(shí)際施工時(shí)必須做好轉(zhuǎn)彎位置的管片定位和選擇，以確保有足夠的條件實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)控制和間隙預(yù)留的要求。

2)控制好姿態(tài) 在進(jìn)入曲線段之前調(diào)整好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，然后采用低扭矩、小推力、慢速的方法推進(jìn)，從而減小推進(jìn)對(duì)管片和地層的擾動(dòng)。

3)把控注漿措施 同步注漿參數(shù)和時(shí)機(jī)要嚴(yán)格控制，這樣可以有效地降低地表沉降。同時(shí)要把控好向圓曲線外側(cè)二次注漿壓力，以有效平衡推力，建設(shè)盾構(gòu)外偏移量（圖3)。

圖3 盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時(shí)注漿示意圖

3.2 盾構(gòu)上浮原因分析

極軟流塑土層流塑性大，甚至?xí)褚后w一樣給其中的盾構(gòu)提供很大的浮力，當(dāng)浮力大于盾構(gòu)機(jī)自身重力，盾構(gòu)本身無法提供抗力而導(dǎo)致上浮。尤其是復(fù)雜工況下盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制需要頻繁調(diào)整，使得盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)蛇形前進(jìn)，超挖量更大，這就更加增加了盾構(gòu)和管片上浮的可能。

3.3 盾構(gòu)上浮及管片破損開裂控制措施

3.3.1 掘進(jìn)前控制措施

1)盾構(gòu)增重 增重即提供向下分力即提供一個(gè)向下分力。本項(xiàng)目施工時(shí)在中盾位置增加了一個(gè)重達(dá)20～30t 配重鐵塊，在一定程度上增大了向下的分力，以有助于減緩盾構(gòu)機(jī)上浮。

2)上超控制 根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，上超出現(xiàn)時(shí)為避免上超力過大而導(dǎo)致出現(xiàn)過大反力，項(xiàng)目部施工時(shí)在上部千斤頂上方增加鋼楔形塊以增加上部壓力，實(shí)現(xiàn)既能滿足推力又能保證盾構(gòu)不出現(xiàn)上浮。

3)貼超控制 貼超一般都是通過設(shè)置石棉板來改善受力狀況，提高緩沖阻力，達(dá)到減少管片破裂的目的。

3.3.2 掘進(jìn)中控制措施

1)推力分配 推力分配主要是通過一定的手段減小推力差以有助于降低管片局部壓力差，提高施工后的管片質(zhì)量。

2)減小推力 上浮段地質(zhì)情況復(fù)雜，調(diào)整盾構(gòu)施工姿態(tài)很難達(dá)到施工要求，此時(shí)最好采用減小推力進(jìn)而控制掘進(jìn)速度的辦法來控制掘進(jìn)線形，達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的目的。同時(shí)可考慮注入膨潤土等減阻措施提高糾偏效果。

3)同步注漿 同步注漿的配合比是控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵，在該種地層條件下應(yīng)該增加水泥和砂的用量，提高漿液的粘稠度。

4)姿態(tài)控制 此時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)控制首先是降低速率，然后通過增加上浮量、提供姿態(tài)監(jiān)控密度等措施來達(dá)到，“早糾、勤糾、勤復(fù)測(cè)”的目標(biāo)。

5)土壓力 當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)有上浮征兆時(shí)，提前通過降低推力進(jìn)而降低土壓力的方法來減小因姿態(tài)調(diào)整而導(dǎo)致管片破損情況的出現(xiàn)。

3.3.3 掘進(jìn)后控制措施

1)二次注漿 本項(xiàng)目采用跟蹤二次注漿，在注漿的同時(shí)將盾尾10 環(huán)通過環(huán)箍固定在一起，以保證管片穩(wěn)定，降低了糾偏時(shí)管片上浮的可能性。

2)管片拼裝 掘進(jìn)時(shí)，每環(huán)都要提供足夠大的拼裝空間，這樣既能保證管片拼裝質(zhì)量，又減少對(duì)臨近管片的破壞。拼裝時(shí)，首先要保證管片首先拼裝塊的位置精確性，這樣才能保證后續(xù)管片位置的精確性。

3)管片復(fù)緊 為有效提高管片的拼裝質(zhì)量，拼裝時(shí)要按照初次擰緊、推進(jìn)一定距離后再次復(fù)緊的方式施工。復(fù)緊施工時(shí)要確保復(fù)緊力度符合要求，防止因受力不均而出現(xiàn)管片破壞。

3.4 管片開裂鋼環(huán)加固措施（圖4）

圖4 管片加固示意圖

本項(xiàng)目鋼環(huán)寬度為800mm 環(huán)向分為10塊，NO·1、NO·2、NO·3 長度為2 000mm，NO·4～NO·10（共7 塊)長度為1 610mm，縱向分為寬400mm 的兩塊組成。加固主要按以下原則進(jìn)行：①裂縫寬度大于0·3mm；②管片有貫通裂縫；③管片錯(cuò)臺(tái)大于20mm；④水平收斂大于60mm；⑤剝落深度超過保護(hù)層厚度出現(xiàn)鋼筋裸露。

4 結(jié)語

地鐵盾構(gòu)在復(fù)雜工況下極軟流塑地層中施工案例較少，經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)該地層的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)深度也不夠，通過對(duì)該項(xiàng)目在極軟流塑地層盾構(gòu)施工防盾構(gòu)上浮、管片開裂和加固及大坡度、極限小半徑狀態(tài)急轉(zhuǎn)彎線型施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出以下結(jié)論。

1)考慮到極軟流塑土層的特性，為有效控制盾構(gòu)上浮及其造成的管片開裂，可采取增加盾構(gòu)機(jī)重量或配重的方式來克服力學(xué)平衡的臨界點(diǎn)，同時(shí)刀盤開口率較大更能適應(yīng)此種地層。

2)極軟流塑地層隧道變形較大，增加盾構(gòu)施工的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，是保證盾構(gòu)在該種地層安全施工很有必要的措施。