细中砂地层掘进施工盾构“叩头”分析与对策

王 龙，刘恒杰

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450015）

细中砂地层掘进施工盾构“叩头”分析与对策

王 龙，刘恒杰

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450015）

以石家庄地铁一号线某盾构隧道区间施工为例，通过对该区间施工中遇到三次盾构叩头的原因进行对比分析，总结出针对细中砂地层中盾构掘进叩头问题的处理方法，其处理措施可供类似工程参考。

细中砂地层；被动铰接；盾构掘进；处理方法

随着城市基础建设的飞速发展，繁杂的地下管线、构建筑物的逐步增多等进一步增加了地铁盾构施工的难度和风险。虽然盾构施工已经有一百多年的历史[1]，但是城市地铁盾构施工依然困难重重；一方面取决于施工单位的施工经验和施工水平，另一方面是由于地面空间的限制和地质勘测水平影响导致我们对隧道区间范围内的地质情况缺少一个全面的掌握[2]。因此，施工中的过程控制就显得尤为重要。本文通过总结石家庄地铁1号线某区间的施工经验，分析并验证了一系列细中砂地层盾构掘进解决盾构“叩头”的措施。

1 工程概况

某区间右线盾构区间全长598m，共计498环。该区间覆土厚度约10.2～12.6m，线路平面有两处曲线（均为R=1200m），线路纵向坡度呈V字坡。盾构区间穿越的地层主要为：粉细砂④1层、粉质粘土⑤1层、细中砂⑥1层中，拱顶主要以粉细砂为主，隧道纵断面示意图见图1。根据地质勘察报告，穿越的细中砂⑥1的标贯平均值N=31，地基承载力160～280kPa（应用与该区间的盾构要求地基承载力不小于52kPa）。区间沿线45m深度范围内地下水类型以潜水为主，区间隧道位于水位线以上。地质补勘时，发现区间隧道上方正穿污水管、雨水管、横穿三处热力管沟。

2 盾构“叩头”原因与现场处理方法

2.1 第一次“叩头”

图1 隧道纵断面示意图

在盾构掘进第107环时，盾构主机逐渐呈现“V”字型，盾构向下趋势增大。掘进过程中扭矩最大达到2000kN/m，推力在22000kN左右，掘进时推进速度明显下降。铰接压力增加到200bar（正常掘进时100bar左右）。本台盾构配有14支铰接油缸Ø160×80行程150mm，铰接总拉力计算如下

1）原因分析 盾构呈现“V”字型（尾盾和前中盾轴线出现较大夹角）一方面是由于掘进过程中姿态调整幅度过大[3]；另一方面是由于盾尾间隙不良造成盾尾单侧受力。从掘进参数的反映情况来看，紧邻的几环掘进并未大幅度调整姿态；从掘进速度逐渐减小，铰接拉力持续增大可以明确推断出盾构盾尾受力异常。当前掘进工况和掘进地质并未改变。检查发现盾尾与管片上部间隙为零。由于前期未进行姿态调整，且地质条件也无突变。因此，盾尾间隙变小且盾构呈现主要可能是管片选型引起。

2）处理措施 加强管片选型管理，合理计算出设计线路与当前盾构姿态对管片超前量的需求。当盾构呈现严重“V”字型时，管片选型必须要考虑推进油缸行程差和铰接油缸行程差，结合盾尾间隙[4]，从两组行程差计算出当前盾构姿态所需管片超前楔形量。大的原则是让管片轴线尽量适应尾盾，保持良好的盾尾间隙[5]～[6]。这样能够很好地解决由于盾尾间隙过小导致的盾构姿态难以控制的现象。

2.2 第二次“叩头”在盾构掘进至220环时，推进过程中推力逐渐增大到24000kN，同时铰接压力逐渐升高到290bar偶尔会达到停机压力设定值。但推进速度几乎为零，盾构垂直姿态每环推进整体下降约7～10mm。从螺机出渣看，地层含水明显增多。在管片拼装的过程中盾尾姿态基本能够保持，但刀盘切口处垂直姿态下降约2～3mm。伴随着姿态不好控制地表沉降量也出现了异常，刀盘上方沉降速率明显增大。经检查盾尾与管片间隙良好，相邻几环盾尾油脂注入量和注入压力正常。

1）原因分析 盾构掘进至220环时该段为全断面细中砂地层，且隧道上方距离隧道轴线3m有1根承插式混凝土污水管道。由于地表沉降较大，在地面上探孔注浆时取芯如图2所示，发现该处隧道上方3～5m范围地层富含地下水。由于石家庄地区地下水位较低，隧道开挖范围内可能存在少量地表潜水，由于掘进期间并非雨季。因此初步推断此处污水管道由于年久失修出现渗漏现象。细中砂地层遇水自稳定性大大降低，在盾构通过时快速收敛，导致盾体包裹力增大，同时又无法加大推力（推力加大，铰接压力报警停机）。最终导致推进无速度，土仓压力无法维持平衡出现地表沉降。

图2 区间无水地层芯样(上)、无水渗漏区域地层芯样(下)

2）处理措施 针对盾体包裹严重，可利用盾体周围预留的盾壳膨润土注入管注入优质膨润土。如果地层富水渗透性高可适当考虑用同样的方法注入润滑油脂帮助盾构脱困。在注入盾壳膨润土的同时需要手动小幅度收放铰接，同时要严格控制螺机出土量，严格把控土仓压力，避免出现欠压超挖造成的地表沉降。在遇到地质条件突变，地层含水量增大的情况下需要及时调整同步注浆参数，缩短浆液初凝时间，确保同步注浆的效果。

2.3 第三次“叩头”

盾构掘进345环时盾构姿态开始不可控，总推力不变的情况下推进速度有所下降。在保持原有推进油缸压力差的情况下，盾构“叩头”明显，通过调整压差，“叩头”现象略微得到控制，但是盾构逐渐呈现较为明显的“V”型，并且盾尾间隙恶化。通过管片选型无法调出良好的盾尾间隙。

1）原因分析 通过参数分析，盾构刀盘扭矩，渣温等基本正常，初步排除刀盘结泥的可能。从渣土土样分析结果来看，在细砂中含有部分结团，结团中心属于硬塑状粉质黏土，可以判断当前掘进细砂层中含有粉质黏土夹层，从地质详勘资料也得到了印证。从图3参数曲线图可以看到，出现上述原因的主要原因在掘进地层开始变化时只是一味地纠偏，没有综合考虑管片选型，最终出现不均匀地层中盾构掘进的通病——盾构抬头掘进（向上趋势较大），姿态无法维持。

2）处理措施 当盾构出现姿态偏差时，光靠调整推进油缸压差并非能够解决问题。前期纠偏的同时就要兼顾盾构的整体趋势。在361环之前掘进过程中上下油缸压差维持在55左右，姿态基本可以维持稳定，从358环开始，盾尾间隙逐渐减小，几乎为零。伴随着盾尾间隙的变化，姿态开始下滑，即使提高推进压差也无法控制。通过6环的间隙调整，直到364环间隙有了好转的情况下姿态开始慢慢有了回升迹象。在保证盾尾间隙的前提下，有一个稳定的推进油缸压差即可维持不均匀地层盾构沿着设计轴线掘进。

图3 部分掘进参数曲线图

3 结 语

盾构在软土地层中掘进造成“叩头”的原因有多种，主要可归纳为以下几点：①不均匀地层造成；②盾构司机操作不当造成；③盾体被包裹无法建立正常土压所造成的；④管片选型不当导致盾尾被卡造成；⑤地质突变所造成。

常见的处理措施按照“叩头”发生的机制主要分为：①提前做好盾构区间地质补堪工作，对较为软弱或有孔洞的地方做好注浆加固等预处理；②选择合理优良的渣土改良方案，避免出现由于渣土改良不当造成的螺机喷涌伴随的土压剧降盾构“叩头”现象；③切记在软土尤其是细中砂地层长时间停机，如果不可避免，应提前做好停机准备，停机前在土仓和盾壳注入适量性能优良的膨润土；④遇到姿态偏离，切记大幅度纠偏。在纠偏的同时要改变原始预定的管片选型策略，以防盾尾被卡造成盾构“叩头”。

[1]陈 馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]周立波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]潘国荣，白昀，李怀锋.铰接盾构自动导向系统测量方法[J].大地测量与地球动力学，2012，32(3)：55-58.

[4]王 朔，王西林，贾向斌，等.盾构姿态控制及导向测量技术[J].中国科技博览，2012，(8)：99-100.

[5]王欢贵.盾构隧道姿态控制措施[J].低碳世界，2015，(5)：232-233.

[6]周 鑫.浅析土压平衡盾构施工轴线控制[J].科技创新与应用，2014，(28)：234.

（编辑 张海霞）

Analysis and countermeasures of fi ne medium sand formation driving construction shield “knock head”

WANG Long, LIU Heng-jie

TU621

B

1001-1366(2015)09-0060-03

2015-07-15