張琪

（中交一公局集團(tuán)廈門(mén)工程有限公司，福建廈門(mén) 361000）

0 引言

杭州地鐵盾構(gòu)施工處于極端軟弱流塑土（其中，標(biāo)準(zhǔn)值＜5，流體指數(shù)＞1）的復(fù)雜環(huán)境中，容易產(chǎn)生上浮和管片姿態(tài)偏差，造成管片破損滲漏，水平收斂超限，盾構(gòu)尾部變形大，沉降大，臨近施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

1 工程概況

“慶建區(qū)間”是杭州二號(hào)線慶菱路站到建國(guó)路站盾構(gòu)區(qū)間的簡(jiǎn)稱，它始于慶菱路站，穿過(guò)滬杭鐵路，沿環(huán)城東路和鳳起路，最終到達(dá)建國(guó)路站。沿線公路車流量巨大，隧道兩側(cè)建筑物密集，多層高樓林立，在凱旋路、慶春東路、鳳起路等路段，地下管道數(shù)量眾多，但通常埋深不超過(guò)4m。

區(qū)間隧道洞內(nèi)的地層主要由6_2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土構(gòu)成，而隧道底部的地層則由6_2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、7_1 粉質(zhì)黏土和8_1 粉質(zhì)黏土組成。泥質(zhì)地層具有“四高三低一長(zhǎng)”的特征，其特征值小于5，液性指數(shù)大于1，屬于極軟流塑地層。盾構(gòu)隧道所處地層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 盾構(gòu)隧道所處地層主要物理力學(xué)參數(shù)

慶建區(qū)間工況如表2 所示。

表2 慶建區(qū)間工況(以上行線為例)

2 盾構(gòu)機(jī)在極軟流塑地層施工的難題

2.1 盾構(gòu)隧道施工上浮問(wèn)題

盾構(gòu)隧道施工期間，在100—170 環(huán)、215—246 環(huán)、299—325 環(huán)、354—372 環(huán)4 個(gè)部分，以粉質(zhì)黏土為主。具體的上浮數(shù)據(jù)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

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管片斷裂的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)斷裂的部位多集中在弧面上，特別是隧道上部和后一環(huán)段的交界處，而在坑道中部B2 處的破壞程度比較低。

由于盾構(gòu)機(jī)在上浮后，管片與盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)吻合程度較低，無(wú)法很好地配合，致使在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，由于千斤頂無(wú)法垂直緊密地貼合管片，從而產(chǎn)生徑向分力，造成管片開(kāi)裂、斷裂。

2.3 盾尾形變

在后期的施工中，盾尾形變不斷增大，上下段的水平偏差分別為4.2cm 和3.8cm，盾尾的上浮和形變相互影響，給盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制帶來(lái)了困難。

3 極軟流塑地層盾構(gòu)隧道施工技術(shù)

3.1 掘進(jìn)前控制技術(shù)

3.1.1 盾構(gòu)設(shè)備選型

在軟土層開(kāi)挖中，盾構(gòu)法通常被認(rèn)為是性能較低的選擇，因此在施工過(guò)程中應(yīng)盡量避免使用該方法。在極軟流塑地層中，選擇合適的盾構(gòu)設(shè)備至關(guān)重要，如果選擇不當(dāng)，將難以避免上述問(wèn)題。

（1）刀盤(pán)及刀具

一般開(kāi)盤(pán)時(shí)開(kāi)口比例為50%或更高，中間開(kāi)口比例可適當(dāng)增大；為了便于刀片入地，降低盾構(gòu)機(jī)的豎直姿態(tài)，宜選擇具有大開(kāi)口的輻條刀片；工具選擇撕裂刀、切刀和刮刀，適合于軟土挖掘。

（2）主機(jī)重心

在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的中心位置、重心位置要盡量接近，重心要適當(dāng)?shù)叵蚯皟A斜。

（3）其他盾構(gòu)系統(tǒng)

滿足一般的土壓平衡盾構(gòu)性能要求。

3.1.2 掘進(jìn)輔助措施

（1）增大重量，可產(chǎn)生向下分力

由于盾構(gòu)機(jī)體較輕，重心與形心的偏差較大，容易導(dǎo)致上浮趨勢(shì)。為了提高盾構(gòu)機(jī)體的自重和向下的分力，應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)體中心部位加入40～50t 的鉛塊，并通過(guò)調(diào)整重心的位置來(lái)減緩上浮的趨勢(shì)。

（2）增加管片環(huán)間墊片

為了減小管片斷裂概率，在環(huán)間增加了4mm 厚的石棉墊圈，以減小環(huán)和環(huán)管的剛性接觸。同時(shí)，在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，采用了襯墊石棉板的方法，提高了管片的預(yù)應(yīng)力。

（3）提前做好上浮地層預(yù)判

在施工過(guò)程中，要充分借鑒類似地質(zhì)情況下的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相應(yīng)的地層上浮情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在施工前做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。在盾構(gòu)姿態(tài)難以控制的情況下，降低盾構(gòu)機(jī)的豎直姿態(tài)，留出上浮的空間。

3.2 掘進(jìn)中施工技術(shù)

3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

（1）推力分配

增加千斤頂?shù)纳蟼?cè)推力，降低下側(cè)的推力，為盾構(gòu)提供一個(gè)向下的分力。但是，為了減少成形隧道管片的應(yīng)力集中和受力不均，應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂粕?、下分段油壓差，防止出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、滲漏等問(wèn)題。

（2）同步注漿

為了確保泥漿的稠度，必須對(duì)同步灌漿漿料的配合比進(jìn)行優(yōu)化，并適當(dāng)提高水泥、砂量。在開(kāi)挖時(shí)，只需兩段注漿管道同時(shí)進(jìn)行注漿，以保證施工的均勻性，同時(shí)適當(dāng)提高注漿量。特別是在小半徑的平曲線施工中，使用硬質(zhì)泥漿可以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定施工。

（3）姿態(tài)控制

在極軟流塑地層中，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)應(yīng)保持在-30mm 以內(nèi)，并預(yù)留一定的上浮量，以防止盾構(gòu)機(jī)的豎直姿態(tài)超出極限。盾構(gòu)隧道施工的主要問(wèn)題是盾構(gòu)姿態(tài)的改變，如果有上浮的趨勢(shì)，要及時(shí)調(diào)整上下分區(qū)的推力進(jìn)行糾偏，并遵循“早糾、勤糾、勤復(fù)測(cè)”的原則。

3.2.2 掘進(jìn)管理

每環(huán)盾構(gòu)隧道施工分為兩個(gè)階段，每一個(gè)周期都要進(jìn)行一次盾構(gòu)姿態(tài)、盾尾間隙、管片的超前量測(cè)量，并依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后半環(huán)的施工。

3.3 掘進(jìn)后控制措施

3.3.1 二次注漿

在糾偏時(shí)，為了減少管片的上浮，必須采用二次輔助注漿的方法，即對(duì)8—10 環(huán)段進(jìn)行二次灌漿，以提高成形隧道管片的穩(wěn)定性。

3.3.2 管片拼裝

為了便于管片裝配，宜適當(dāng)增大每環(huán)的開(kāi)挖長(zhǎng)度，防止塊體間隙不足，對(duì)相鄰管片造成擠壓，導(dǎo)致管片斷裂。在裝配時(shí)，要對(duì)第一個(gè)管片進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，因?yàn)樗奈恢藐P(guān)系到其他塊體的位置和拼縫寬度。在難以進(jìn)行管片姿態(tài)控制的情況下，落下塊體應(yīng)比鄰近的塊體略低。第一個(gè)塊體的拼裝應(yīng)該是平坦的，以避免塊體拼裝后形成喇叭狀。

3.3.3 管片復(fù)緊

嚴(yán)格執(zhí)行管片復(fù)緊制度，在完成一個(gè)環(huán)后，首先要對(duì)上一個(gè)環(huán)進(jìn)行第一次復(fù)緊，復(fù)緊力必須大于管片的安裝扭矩，并且必須小于400N。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鉆頭鉆到1m 左右（即將與盾尾分離）時(shí)，再次拉緊。

3.4 實(shí)施效果

雖然在慶建區(qū)間出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)控制困難后，采取了一系列的措施，但總體效果并不顯著。在杭州6 號(hào)線楓樺西路至之江海洋公園站區(qū)間和杭海9 號(hào)線等后續(xù)建設(shè)項(xiàng)目中，已經(jīng)完成了盾構(gòu)機(jī)的選型和相應(yīng)的配套措施，基本上解決了盾構(gòu)姿態(tài)控制問(wèn)題。此外，還將盾尾姿態(tài)偏移最大值從+224mm 降至+100mm，使得杭州隧道的滲透系數(shù)由22.4%下降至6%，基本消除了杭州隧道橫向收斂變形超限問(wèn)題。

3.5 盾構(gòu)上浮及管片破損開(kāi)裂控制措施

3.5.1 掘進(jìn)前控制措施

第一，盾構(gòu)機(jī)重量增加，即提供一個(gè)向下的分力。在該工程中，在盾面中部加設(shè)一塊20～30t 的配重鐵塊，在一定程度上加大了下斜力，從而延緩了盾構(gòu)上浮。

第二，上超控制。根據(jù)施工的經(jīng)驗(yàn)，為了防止上超產(chǎn)生的反作用力過(guò)大，在上側(cè)的千斤頂上加了一個(gè)鋼楔，以提高上側(cè)的壓力，這樣才能在一定程度上保證盾構(gòu)不會(huì)上浮。

第三，貼超控制。通常是通過(guò)襯墊石棉板來(lái)改善應(yīng)力狀態(tài)，增加緩沖阻力，從而降低管片斷裂概率。

3.5.2 掘進(jìn)中控制措施

第一，推力分布。是指采用某種方法來(lái)減少推力差，以減少管片局部壓差，從而改善管片在施工中的性能。

第二，減小推力。上浮段的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，使得盾構(gòu)機(jī)的施工姿態(tài)不能很好地適應(yīng)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，必須先降低推力，然后再進(jìn)行速度控制。為了提高糾偏效果，可以考慮采用其他方法，例如使用膨潤(rùn)土來(lái)減少阻力。

3.5.3 掘進(jìn)后控制措施

第一，采用二次注漿法。在注漿過(guò)程中，將盾尾用環(huán)箍緊固，確保了管片的穩(wěn)定性，減少了糾偏過(guò)程中管片的上浮現(xiàn)象。

第二，在拼裝施工中，每環(huán)應(yīng)留出充分的拼裝空間，以確保裝配質(zhì)量和降低相鄰管片的損壞。在裝配中，要確保第一個(gè)管片的定位準(zhǔn)確，以便確保下一個(gè)管片的定位精度。

3.6 管片開(kāi)裂鋼環(huán)加固措施

該項(xiàng)目鋼環(huán)的寬度為800mm，環(huán)向劃分為10 個(gè)，NO.1～NO.3 的長(zhǎng)度為2000mm，NO.4～NO.10 的長(zhǎng)度為1610mm，在縱向上分成兩個(gè)寬度為400mm 的區(qū)塊。加固應(yīng)遵循下列原則：一是裂紋寬度超過(guò)0.3mm；二是管片有貫穿裂紋；三是管片錯(cuò)位超過(guò)20mm；四是橫向會(huì)聚超過(guò)60mm；五是剝離深度超出保護(hù)層厚度時(shí)，會(huì)有鋼筋暴露。

4 結(jié)論

第一，在極軟流塑地層開(kāi)展盾構(gòu)隧道施工時(shí)，設(shè)備選型和掘進(jìn)的管理尤為重要，特別是盾構(gòu)主機(jī)、刀盤(pán)的選用和主機(jī)重心和形心的設(shè)置要慎重、適當(dāng)；要建立高素質(zhì)的盾構(gòu)隧道施工隊(duì)伍，實(shí)行管、養(yǎng)、修一體化管理；在施工過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)盾尾的管理，例如盾尾檢測(cè)、盾尾鋼環(huán)加固等；增加尾噴口，提高尾噴口的密封性，降低尾噴口的滲漏；建議使用被動(dòng)鉸接盾尾間隙較大的盾構(gòu)機(jī)，并適當(dāng)增大調(diào)節(jié)裕度。

第二，管片裝配質(zhì)量對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的控制和管片斷裂的影響很大；在裝配時(shí)，對(duì)成形隧道的橢圓曲率進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

第三，糾錯(cuò)要堅(jiān)持“早糾、勤糾、勤復(fù)測(cè)”的原則，切勿操之過(guò)急。在糾正過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持“護(hù)管片比保線形重要”的原則，在糾偏過(guò)程中，要盡可能地利用回轉(zhuǎn)回路封住頂塊的位置，以增大管片的超前量；在調(diào)整了盾構(gòu)姿態(tài)和管片姿態(tài)之后，再考慮軸向問(wèn)題，以防止管片連續(xù)破碎。

第四，在極軟流塑地層進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，必須加強(qiáng)橫向收斂變形的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)橫向收斂變形，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的防范措施。

第五，為了指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)的橫向收斂變形控制，防止鋼環(huán)加固提高工程造價(jià)，必須對(duì)其進(jìn)行橫向收斂性分析。

第六，目前，在極軟流塑地層進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)和管片的受力情況尚未完全了解，在此基礎(chǔ)上，施工過(guò)程中的盾構(gòu)姿態(tài)難以控制和管片開(kāi)裂是否是隧道開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力釋放所致，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論模型。