海域高灵敏度软硬复合地质中的网格式盾构施工*

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

0 前言

网格式挤压盾构法特别适合在软弱土层中盾构掘进，并具有经济适用性强、操作简便，施工速度快等优点，在我国沿海地区电厂取排水隧道中广泛应用。随着国家建设工程的大范围展开，实施施工中的土质复杂性等对盾构机设备性能及盾构施工技术又提出了更高要求，如网格式盾构机必须适应在不良地质及软硬不均的复杂土层中掘进，并需具备清障能力等。本文结合浙能六横电厂取排水隧道面临土体灵敏度高、软硬土层分布不均等复杂地质条件，通过对盾构设备改良及盾构施工技术改进，进一步完善网格式盾构施工工艺，并为后续取排水隧道解决复杂地质条件施工提供了实用经验[1]。

1 概述

1.1 工程概况

浙能六横电厂循泵房及取排水建（构）筑物工程，工程取排水隧道为4 条内径4 200 mm、壁厚300 mm的自流引水管，采用盾构法施工，盾构机为4 台改良型气压平衡网格式盾构机。1#取水隧道长约583.30 m，2#取水隧道长约579.70 m；排水隧道2 条，每条长约300.70 m。

1.2 地质条件

盾构隧道施工涉及地质土层主要为②淤泥质粉质黏土、④粉质黏土。其中淤泥质粉质黏土特性为承载力低、灵敏度高，渗透系数小。④粉质黏土的压缩系数小、承载力高，属硬土层，主要位于取水隧道特殊管片段。

2 风险分析

2.1 土体软、灵敏度高，施工风险大

取排水隧道均在②淤泥质粉质黏土中掘进，此层土体较软、承载力低，盾构隧道施工时，盾构机姿态难以控制，施工中为保证盾构机有足够的推力进行纠偏，确保盾构机姿态及隧道轴线偏差在可控范围内，必须进行挤土掘进，对土体扰动较大。而②淤泥质粉质黏土具有高灵敏度特性，土体一旦扰动后承载力急剧降低，且重新稳定固结时间较长，对隧道安全稳定带来极大风险。

2.2 软弱不均土层盾构姿态控制难度大

取水隧道后期特殊段掘进时，盾构开挖面为软硬复合地质（即盾构轴线上既有②淤泥质粉质黏土软弱土层，又有④粉质黏土硬土层），对盾构轴线控制难度较大。

3 可调节式网格气压平衡盾构机研发

针对背景工程的高灵敏度、软硬复合的复杂地质条件，常规网格式盾构机已无法满足施工要求，为此自主研发可调节式网格气压平衡盾构机（图1），以适应复杂地质工况。

3.1 盾构机主要参数

盾构外径为4 930 mm，总长6 790 mm，盾构内径4 850 mm，盾尾间隙2×25 mm，灵敏系数为1.38，配备26 台12 000 kN千斤顶，最大总推力为31 200 kN，推进速度为4.2 cm/min。

图1 可调节式网格气压平衡盾构机

3.2 盾构机改良技术

3.2.1 可调节式网格盾构机胸板

网格盾构胸板由24 块小胸板组合而成（图2），每块小胸板用螺栓连接至盾构机主体上，通过小胸板单独拆装，调整胸板开口率，以调控进泥效果；同时，可拆卸小胸板上设置阀门，通过此阀门，既可探测盾构机前方土质变化，亦可释放压力，保证拆卸人员安全。从而解决网格盾构处理软硬复合地质条件及障碍物的难题[2]。

图2 盾构机剖面示意

3.2.2 增设气压清障功能

为确保盾构机工作面水土压力平衡及具备气压清障功能，盾构机内设置气压仓、过渡仓及一套气压设备，可对盾构机头部进行局部加压。

内胸板上设有上部、下部2 只气密门，按3 kPa的气密标准设计。内胸板至拼装机之间设计气闸仓1 只，耐压3 kPa（图3）[3]。

3.2.3 硬土层改良技术措施

针对④粉质黏土的压缩系数小、承载力高硬土层的性质，掘进时盾构纠偏及出泥难度较大，采取以下改良措施[4]：

1）④粉质黏土具有黏性大、土质硬的特点，常规盾构机配套的水力机械（水枪压力为200～250 N）难以破碎土体，出土效果较差。增加配备一套750 N高压水枪，并将所有水枪加长，近距离切割硬土层，加强出土效果。

2）由于上软下硬土层及硬土层中，盾构机头容易上抬，姿态难以控制。利用盾构机设置的4 只8 英寸海底阀，进行高压水枪冲泥，松动盾构机外壳下部硬土，便于盾构机纠偏，控制姿态。

图3 气压清障功能设置示意

3）对千斤顶顶力控制系统进行调整，由原常规的1 000 kN千斤顶改增为1 200 kN千斤顶，增大盾构机推力，为盾构在硬土层推进提供足够推力。

4 关键施工技术

4.1 土体改良加固

由于盾构掘进土层为高灵敏度软弱土层，此类型土体一旦扰动后，强度大幅削弱，且恢复期较长。网格式盾构掘进方式为挤压出土，掘进过程中不可避免地对周边土体产生扰动，由此产生如下不良后果：

1）由于土体承载力大幅削弱，隧道管片会产生不均匀沉降，且后期沉降较大；

2）隧道周边土体约束力降低，隧道管片易上浮，导致隧道轴线及盾构轴线难以控制；

隧道掘进过程中，及时对已完成的隧道管片采用快硬型浆液进行围岩注浆，加固隧道周边土体，稳固隧道管片，从而解决上述问题。

4.1.1 注浆加固范围

对全线隧道管片进行全断面加固，加固范围为隧道外径+（3～4）m（图4）。

图4 围岩注浆范围示意

4.1.2 注浆加固方式

利用每环管片预留注浆孔（每环16 孔）向外注浆，采取外插管注浆，将注浆管插至管片外进行分层注浆。

4.1.3 注浆浆液

注浆浆液为水泥浆与水玻璃混合双液浆，水泥浆液采用P.O 42.5水泥，水灰比0.8∶1。水泥浆每立方米加入水700 kg、水泥890 kg，水玻璃每立方米加入267 kg。加固土体水泥用量150 kg/m3。

4.1.4 注浆加固方法

为防止可硬性浆液进入盾尾，导致盾尾钢丝刷止水失效，在盾尾后10 环开始从管片预留注浆孔打入适当数量的注浆管，注浆管深度为3.0～4.0 m。注浆管打入后，进行分层注浆加固。

加固注浆采用分层注浆，先外层后内层，每孔分层注浆可达5～6 次。注浆压力控制在0.3～0.4 MPa，注浆流量控制在10～15 L/min。

注浆施工步骤为：

1）在管片的注浆孔上安装防喷装置，通过防喷装置打穿注浆孔，将注浆管打入设计位置，并安装球阀；

2）接好注浆管路，压力传感器；

3）启动拌浆机，进行拌浆；

4）加固土体50 cm范围启拔注浆管一次，实施分层注浆；

5）注浆结束先关闭管片注浆孔上的球阀，再拆除管路。

4.2 高灵敏度土层施工技术

由于盾构掘进土层低承载力的软弱土层，网格式盾构机掘进过程中，周边土体可提供的土体抗力较小，盾构机姿态难以控制。同时由于土层灵敏度（土体灵敏度是衡量黏性土结构性对强度的影响，当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高。土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越明显）较高，一旦扰动过大，土体承载力明显降低，对周边环境及隧道本体安全产生较大风险[5]。我们采取了以下针对性措施对盾构施工进行严格控制。

4.2.1 盾构软土层推进和地层变形的控制

隧道掘进采用泥水切削气压平衡式盾构掘进机，主要利用出泥仓前端格栅上安装的活动胸门的启闭来调节进泥量，进而调节盾构机正面土体受挤压程度，从而调节正面土压力值的大小。这里面包含着推力、推进速度和进土量三者相互关系，对地层变形量的控制有重要作用，因此在盾构掘进时，应根据沉降观测数据及时调整土压力，同时结合格栅外土层压力传感器数值，控制掘进速度和进土量，进而达到对轴线和地层变形的控制。由于过大堤后对海底面沉降无专门要求，主要是处理好轴线和推进速度、进泥量、推进顶力之间的关系，并保持轴线的稳定。

网格式盾构机在软弱土层中控制地面变形主要有以下几种措施：

1）对盾构机切口前方地层变形，可采用调整盾构机开挖面土压力来控制，这主要通过控制盾构机前端进泥仓内安装的液压闸门开启大小来调整网格开口大小和盾构推进速度实现。

2）因土质较软，如开挖面涌泥量较大，正面压力难以稳定，可在进泥仓内施加局部气压，用来稳定盾构机开挖面，从而防止开挖面塌方，达到有效控制地层变形的效果。

3）在盾构掘进过程中进行同步注浆，填充管片与土体间空隙，以控制盾构掘进后的地面变形。

4）加强沉降监测，根据监测数据，及时进行二次补浆，防止后期变形。

4.2.2 盾构掘进速度

盾构掘进速度控制在3.0～4.0 cm/min，尽量保持推进速度平稳，确保盾构匀速地掘进，以减少对周边土体的扰动影响。

1）盾构启动时，盾构操作机工必须检查千斤顶是否靠足，开始推进和结束推进前速度不宜过快。每环掘进开始时，应逐步提高掘进速度，防止启动速度过大。

2）一环掘进过程中，掘进速度值应尽量保持恒定，减少波动，以保证切口水土压力稳定和送、排泥管的畅通。

3）推进速度需与同步注浆保持同步。

4）在调整掘进速度的过程中，应保持开挖面稳定。

5）每环掘进的距离为1 m左右，以便于安装管片为宜。

4.2.3 土压力调整

网格式盾构掘进机主要利用通过调整盾构掘进速度和调整出泥仓前端格栅上安装的活动闸门的开启大小来调节盾构机正面土体受挤压程度，从而调节正面土压力值的大小。由于土质软弱，若在推进过程中遇到土体涌土量较大现象，为保证开挖面的稳定，应采取气压掘进的方式控制土压力，依靠压力仓内的气压力来平衡正面土体的压力，从而达到对盾构正前方开挖面支护的目的，此时可采用设定压力仓内气压值来调节土压力大小。

4.2.4 盾构机姿态控制

盾构在进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动，因此在盾构掘进过程中，必须严格控制盾构推进轴线，尽量少纠偏，杜绝急纠偏、大纠偏。

本工程盾构隧道在②淤泥质粉质黏土（承载力低、含水量大、灵敏度高）掘进过程中，盾构姿态容易上抬，采用土仓下半部放满土压重，只开上仓门出土措施，确保盾构按设计轴线掘进。

4.2.5 管片拼装

在安装管片时，为将盾构机姿态变化控制在最小范围内，每块管片安装好后，千斤顶立即将安装管片顶紧，顶紧油压相当于掘进油压的80%左右；拼装过程中，回缩的千斤顶应尽可能少，以满足管片拼装即可。对衬砌连接螺栓采取一次紧固，二次复紧的工艺。

4.2.6 盾尾密封

为保证盾尾密封良好，在盾构掘进前对盾尾3 道密封钢丝刷内擦满密封油脂。在盾构掘进过程中，通过密封油脂的压入量和压力来控制盾尾密封效果，并实时观察盾尾有无漏水、漏浆现象，一旦出现，对渗漏区域增加油脂压入量进行封堵。此外，盾构机内配备泡沫条，作为盾尾漏浆应急物资。

4.3 软硬复合土层施工技术

隧道在特殊段将遇到软弱土层②淤泥质粉质黏土与硬土层④粉质黏土的软硬复合地质条件，由于④粉质黏土性质为黏性强、土层硬，常规网格式盾构机难以处理，在此复合地质条件下，盾构掘进困难，姿态很难控制[6]。

1）对密封隔仓进行加气压保持盾构机前方土体稳定，保证安全的前提下再拆装胸板：

（1）拆装胸板前，先将压气管路由地面接至盾构机，管路接好以后进行试加压，加压过程中施工人员沿管路逐个检查是否有漏气的地方，如有漏气，应在补漏以后再进行试加压，直至满足使用条件；

（2）专人负责加压、泄压阀门操作，并与地面空气压缩机操作人员保持通信联系。

2）拆除盾构机前端胸板增加开口率，尽可能多的冲泥出泥，降低盾构机掘进速度，减少盾构机顶力：

（1）根据盾构头部土体变化情况，盾构机头部网格在闸门开口可任意调整的情况下，盾构机胸板网格分成24 块小胸板可单独拆装，调整胸板开口率（9%～32%），以调控进泥效果；

（2）胸板自下而上拆卸，左右两边同时对称进行；（3）拆卸过程中作业人员要收集拆下的胸板螺栓，以备装回胸板时使用；

（4）拆除胸板过程中，派专人负责观察前方土体情况，有异常情况立即通知作业人员撤出；

（5）每拆完一块胸板，作业人员应仔细观察胸板开口处前方土体情况，确认土体稳定后方可进行下一块胸板的拆除作业；

（6）若前方土体不稳定，在拆除胸板的时候应加气压，土体稳定后方可由气压工进行胸板拆除作业。

3）利用750 N高压水枪设备及管路设施，增加水枪压力，切割冲刷硬土：

（1）顶进过程中若土体不易挤压进泥水仓，应停止顶进，先使用高压水枪将开口处前方土体清空，减小顶力后再顶进；

（2）顶进过程中若局部出土，应将大部分水枪集中冲刷不出土的地方，保证盾构机姿态，平稳推进。

4）由硬土层过渡到淤泥质土的时候，易发生涌土现象，为保证施工顺利和安全，需要将拆除的胸板装回：

（1）顶进过程中施工人员应时刻观察泥水仓内情况和盾构机顶力，若顶力变小、前方土体土质变软，应停止顶进并研究地质条件后判断是否回装胸板；若土体突然变软涌入泥水仓，导致水力机械来不及抽吸泥水，此时应立即停止顶进并加气压稳住前方土体，用高压水枪将泥水仓内泥土冲尽，并回装胸板；

（2）回装胸板施工前，应先确认前方土体是否稳定，若不稳定应加气压再进行回装胸板作业。

5）在上软下硬土层及硬土层中，盾构机头容易上抬，姿态难以控制。利用盾构机设置的4 只8 英寸海底阀，进行高压水枪冲泥，松动盾构机外壳下部硬土，便于盾构机纠偏，控制姿态。

5 结语

本文结合背景工程的高灵敏度、软硬复合复杂地质条件的特点，对盾构机设备及盾构施工技术开展研究，得到以下成果：

1）自主研发、设计、制造了适应于复杂地质条件的可调节式网格气压平衡盾构机，可适用于不良性质土层（高灵敏度）、软硬不均地质条件下的隧道施工，并具有气压清障功能，并为网格式盾构施工适用于各类复杂地质条件提供了设备支持。

2）开发高灵敏度土层及软硬不均地质条件下盾构施工技术，进一步完善盾构施工工艺及施工技术，为今后解决不良性质土质、复杂地质条件隧道工程提供技术支撑。

本文的研究成果将实现网格式盾构法适用于各类复杂地质条件隧道工程，在火电工程建设中更为广泛应用，其社会效益和经济效益十分明显。