黏性土地层中土压平衡盾构推进实践分析

赵 峰（上海宏波工程咨询管理有限公司， 上海 201707）

1 工程概况

哈尔滨地铁联络线 3 标段学府四道街站—哈西大街站的盾构区间的左线全长 959.635 m、右线全长 970.44 m，区间设置联络通道兼废水泵房 1 座。盾构区间埋深在 18 m～27 m 之间。区间隧道从哈西大街站至学府四道街站采用 1 台海瑞克 S-540 土压平衡盾构机施工。衬砌环全环由小封顶、两块邻接块和三块标准块构成，拼装方式采用错缝拼装。

2 盾构区间地层特性

本工程盾构区间主要穿越的地层为⑥32粉质黏土（fak＝130 MPa）、⑥33粉质黏土（fak＝170 MPa）、⑥34粉质黏土（fak＝210 MPa），其中⑥32粉质黏土呈软塑状态。隧道围岩分为 I 级和 II 级，土石可挖可分为 I 级和 II 级。

3 盾构在黏性土地层中掘进出现的问题

盾构掘进过程初期多次出现刀盘空转，刀盘扭矩超过设定扭矩而跳闸停机，盾构机推进阻力也迅速增大，螺旋排土器无法正常出土且压力舱压力上升很快等现象。经开舱检查发现，造成上述现象的原因是在盾构机刀盘和压力舱中发生了结饼和闭塞。

土压平衡盾构机在富含黏土矿物的高黏性地层中掘进施工时，由于高黏性土的黏附性大，易在刀盘或压力舱内局部黏结，在长时间压力作用下排水固结、强度增长而结成饼状硬块，这种结成饼状硬块的现象被称为结饼。

土压平衡盾构机在高黏性土或黏粒含量较高的地层中掘进施工时，由于高黏性土的黏性大，渣土易在盾构机压力舱内黏附。压力舱中心轴处设有搅拌翼，搅拌范围内的土体与侧壁的黏附力主要抵抗搅拌翼的扭矩，其黏附力在竖向的投影很小，因而该部分土体不会首先发生黏结。压力舱局部凹凸不平或边角位置易先黏附土体，这部分土体会与周围土体摩擦产生热量，使土体升温，在压力和高温的作用下发生压密固化；被黏附的接触面的强度和黏附土体自身的强度均急剧增大，将土体由黏附变为黏结而更不容易脱落。当压力舱内局部产生黏结土体后，由于黏结土体的表面较压力舱内的部件粗糙得多，使得土体在已结块的周围更容易发生黏附和黏结，由此形成恶性循环，最终导致压力舱内搅拌翼的搅拌范围以外部分被黏结的土体堵塞，从而导致螺旋排土器无法将压力舱内的土体排出，盾构施工无法继续进行。这种土体堵塞压力舱导致螺旋排土器无法继续排土的现象被称为闭塞。

4 盾构在黏性土地层中掘进采取的对策

对于结饼、闭塞的处理通常有两种方式。一是开舱人员进舱处理。由于压力舱内必须维持与开挖面相同的压力以确保开挖面稳定，因此压力舱是一个高压舱，对进舱人员构成生命危险。二是对开挖面前方土体进行加固，防止开挖面坍塌，然后可以直接开舱处理。以上两种方式均有一定的风险和难度，为了避免发生结饼、闭塞等情况，本工程采取以下措施确保盾构掘进顺利实施。

4.1 改良渣土

根据本工程盾构所处土层特性及土压平衡盾构机在黏性土层中易出现的问题，对盾构开挖面土体进行改良，使土体达到塑性流动状态。为此，本工程采用泡沫剂改良技术。

泡沫是发泡液和压缩空气经过发泡装置而产生的。发泡液的主要成分是表面活性剂，它由聚合而成的长链分子构成，含有憎水基和亲水基。泡沫是典型的气-液二相体系，其中，90% 以上为空气，10% 为泡沫剂溶液；而泡沫剂溶液 90% ～ 99% 为水，其余为泡沫剂原液。泡沫剂在盾构施工中的应用原理，是通过无数小气泡组成的泡沫混入到渣土中，使土体达到塑性流动状态。

哈尔滨地铁联络线 3 标段学府四道街站—哈西大街站盾构区间采用泡沫剂对开挖面土体进行改良。根据施工现场多次调试，最终确定盾构掘进过程中，通过盾构机配置的专用装置向刀盘面注入泡沫剂，利用刀盘旋转搅拌使盾构刀盘切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的黏稠度、较低的透水性和较小的摩阻力。

盾构在掘进过程中，每环向刀盘面注入泡沫原液 35 L～ 40 L，该泡沫剂的发泡率可达到 8～20（发泡率又称“泡沫倍数”，指一定质量发泡剂溶液所产生的泡沫体积与原液体体积之比）。

4.2 分析设定盾构掘进参数

4.2.1 盾构掘进理论参数

（1）土仓压力。土仓压力是一个能综合反应地层情况、掘进速度与出土速度之间相互关系的关键参数，必须慎重选择，并且在施工过程中依据监测结果及时调整。盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，在具体施工时应根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。土体静压力P的计算式

式中：K0——侧向力系数，粉质黏土取 0.6；

γ ——粉质黏土重度，取 19.7 kN/m3；

h ——隧道覆土深度，取 18 m～27 m。

（2）掘进速度。为减小盾构在穿越过程中对地下土体的扰动，以便及时调整盾构的姿态，同时结合哈尔滨地区盾构施工经验，掘进速度初步定为 3 cm/min～4 cm/min。施工中必须及时根据监测结果调整控制掘进速度，保证盾构连续匀速掘进，确保均衡施工，减少停顿；保持推进速度、刀盘转速、出土速度与注浆速度相匹配，从总体上控制地面的隆起和沉降。

（3）排土量。盾构掘进出土量控制在理论出土量的98%～100% 之间，即每环出土量在 36.4 m3～37.15 m3之间。每环理论出土量Q的计算式

式中：D——盾构外径，取切口位置盾构外径 6.28 m；

L——管片径向长度，取 1.2 m。

渣土斗体积：4.83×1.49×2.24＝16.12 m3。在未进行超挖的情况下考虑松方系数 1.2，实际出土量 44.58 m3。施工过程中严格控制超挖。

（4）同步注浆。盾构尾部空隙量q的计算式

式中：D——盾构外径，取切口位置盾构外径 6.28 m；

d——管片外径，取 6 m；

L——管片径向长度，取 1.2 m。

计算空隙量为 3.24m3。考虑盾构施工地层中以粉质黏土为主，实际注浆量取值为理论方量的 1.2～1.8 倍，即 （3.88～5.83）m/环。注浆量的最终确定要视注浆压力、隧道稳定情况以及地面沉降情况而定，以上数值仅为经验值。在前 100 m 试验段掘进时加强地面沉降、隆起监测，及时分析数据并总结整理出实际参数。每方浆液配比成分如表1 所示。

表1 浆液配比表

根据盾构施工经验，同步注浆采用表1 中的浆液配比，在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边环境等，通过现场试验优化确定。

同步注浆时必须要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，在同步注浆压力和注浆量方面进行双控，做到适时、足量。具体注浆参数还必须通过地面沉降信息反馈来确定。

4.4.2 盾构掘进实际参数

在盾构掘进过程中，虽然通过泡沫剂对掌子面土体进行改良处理，但若推进参数设置不合理，仍会在刀盘中心及压力舱内结饼，造成螺旋出土器不能正常出土。根据现场实际施工情况反映盾构所处地层为粉质黏性土，土质特性呈软塑、硬塑状态且无地下水，盾构隧道围岩自身有一定的自稳性。在盾构推进过程中，在不影响地面环境的情况下，通过优化推进参数，可以大大降低开挖土体的结饼情况。

以左线 DK8＋047.87～DK8＋035.87（561 环～570 环）为例，将推进时设置的相关参数列于表2 中。

表2 盾构推进参数表

4.3 盾构施工监测分析

4.3.1 施工监测目的

（1）监测和分析各种施工因素对地表变形的影响，为改进施工措施、减少沉降提供依据。

（2）根据前一步的观测结果，预测下一步地表的沉降情况和对周围建筑及其他设施的影响程度，以合理的代价实行保护措施。

（3）检验施工结果是否达到控制地面沉降和隧道沉降的要求。

（4）研究土壤特性、地下水条件、施工方法与地表沉降的关系，为改进设计方案提供依据。

4.3.2 监测数据分析

本次监测数据分析仍以左线盾构推进 561 环～570 环的监测数据为例。根据设计及相关盾构施工监测规范要求，当左线盾构推进 561 环～570 环时，对受影响的相关地面和建筑物监测其沉降（或隆起）情况。地表监测点为34 点，累计变化量最大为－6.9 mm；地下管线监测点为 14 点，累计变化量最大点为－2.3 mm；建筑物监测点为 60 点，累计变化量最大点－7.0 mm。

从以上监测数据分析可以看出，地面、管线和建筑物沉降变化量较小，说明通过渣土改良和合理设置盾构掘进参数，盾构掘进施工对周边环境没有造成重大影响，均处于受控状态。

5 结 语

根据哈尔滨地铁联络线 3 标段学府四道街站—哈西大街站的盾构施工情况分析，可以得出以下结论：合理利用泡沫剂改良开挖土体，使其达到处于塑性流动状态的基本要求，同时合理优化盾构参数，从而使土压平衡盾构机可以用于黏性土层施工，并且能有效控制该施工作业对周边环境的影响。