浅析软土层中盾构掘进姿态控制技术

许毓昌

摘 要：天津市地形自西北向东南逐渐降低，本工程场地为海积—冲积滨海平原，区间施工范围内主要以软土层等为主，地层自稳性相对较差，因此在软土层中盾构掘进姿态控制是盾构施工的一大难点。本文通过实例，阐述了在软土地层中，通过优化盾构掘进参数及二次注浆等措施，确保盾构姿态稳定、可控。

关键词：淤泥质粉质黏土软土层;盾构机掘进速度;同步注浆浆液;盾构机姿态控制

1 工程概况

天津地铁11号线一期工程某区间为全地下盾构区间，区间管片衬砌采用形式为通用楔形环衬砌，管片内径5 500 mm，外径6 200 mm，厚度350 mm，环宽1 500 mm，楔形量为30.3 mm（双面楔形）。区间单线长1 374.231 m，最小平面曲线半径800 m，纵坡为“V”字坡，最大纵坡26‰;区间埋深约10.01 m～21.25 m，盾构隧道所穿越地层主要以淤泥质粉质黏土、黏质粉土、粉质黏土、粉砂等软土层为主。盾构在软土层掘进过程中由于周边土体约束力小，极易造成姿态纠偏困难。区间主要穿越地层岩土层物理力学性质指标详见表1。

2 软土层掘进姿态难以控制原因分析

区间线路顶部不均匀分布⑥2淤泥质粉质黏土，地层工程性质相对较差，尤其是覆土较浅段存在0.5 m～1.5 m的淤泥质粉质黏土层，盾构掘进过程中，在刀盘切削后对松软地层有一定的扰动，软土层无法提供充足的反力，导致盾体整体位移量大、盾构机姿态难以控制，极易造成盾尾姿态上台或者左右摆动的情况。在盾构掘进过程中，可能影响盾构掘进姿态难以控制的主要因素如下：

2.1 软土层土体收缩

根据区间岩土工程勘察报告，区间隧道洞身主要以⑥2淤泥质粉质黏土、⑥4粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土及⑨1粉质黏土为主，含水量介于16.0%～32.9%，呈流塑—可塑状态，其中⑥2淤泥质粉质黏土位于区间上部呈流塑状，承载力特征值为80 kPa。本区间盾构机掘进过程中，经刀盘转动后地层具有一定的流动性和渗透性，尤其是流塑状的⑥2淤泥质粉质黏土层最为明显。由于区间软土地层具有含水率高、孔隙比大、强度低等特点，盾构姿态调整过程中，盾体通过时对地层有一定的挤压，导致软土层土体收缩，使得盾构机姿态难以控制。

2.2 盾构机掘进速度控制

盾构掘进由操作司机在盾构操作室内进行，由技术人员经计算初设正面土压力值。土压力值根据隧道埋深、土层性质和地面超载计算，实际设定值根据监控量测结果适时调整。操作司机根据设定的正面土压力自动控制掘进速度或出土速度。当掘进姿态难以控制时，掘进速度过快，对软土层造成的扰动加大，地层无法为盾体提供足够的约束力，导致盾体整体位移、掘进姿态难以调整。

2.3 同步注浆参数控制

盾构同步注浆装置由注浆泵、清洗泵、同步注浆罐、注浆管路、阀件等组成，安装在第一节台车上。当盾构掘进时，注浆泵将同步注浆罐中的浆液泵出，通过四条独立的输浆管道，通到盾尾壳体内的4根同步注浆管，对管片外表面的环行空隙中进行同步注浆，及时填充管片与刀盘开挖直径间的间隙。软土地层中，同步注浆浆液初凝时间过长，导致脱出盾尾管片与土体未能及时得到有效的支护，成型管片整体稳定性差，在姿态调整期间，管片难以提供稳定的反力导致纠偏困难。

2.4 推进油缸区压控制

盾构机推进油缸结合管片分块角度，合理对推进油缸进行4个分区设置，通过16组推进油缸区压差进行盾构姿态的控制。结合本区间施工经验，软土地层中通过较大的区压差难以实现盾构姿态的调整，当推进油缸区压差超过90 bar～100 bar，盾构推进油缸作用在管片上的分力越大，盾构切口姿态与设计轴线偏差值在缩小的过程中，铰接与盾尾由于软土层中土体反力较小，导致铰接及盾尾姿态变化较大，难以有效的进行纠偏。

3 盾构姿态控制措施

3.1 软土层土体收缩

（1）软土层掘进中，适当降低刀盘转速，提高贯入度，减小盾构机刀盘对软土层土体的扰动。

（2）每环姿态调整过程中，采用“勤纠，缓纠”的原则，减小盾体对软土层土体的二次挤压。

（3）及时对脱出盾尾后3环采用双液浆进行压浆，填充土体由于盾体及同步注浆压力导致的收缩量，有效、快速提高管片与土体间的稳定性。

（4）本区间隧底处于微承压水层中，根据隧道内管片成型姿态及时进行注浆，控制成型管片上浮量不超过20 mm，保证隧道成型的稳定及管片质量的良好性。

（5）通过盾构机台车长度计算，每掘进35环后需进行一次测量搬站，提前对全站仪安装区域3环管片采用双液浆进行注浆，對管片与外界土体间的间隙进行加固，确保盾构机导向系统测量数据的稳定性。

3.2 盾构机掘进速度

（1）适当降低盾构机掘进速度，本区间存在黏土夹层，可根据出渣情况适当在泡沫原液内加入分散剂对渣土进行改良，保持螺旋机出渣的连续性。根据本工程经验，保持在25 mm/min～30 mm/min的掘进速度，盾构姿态较为稳定。

（2）保持每环管片盾构机连续、匀速掘进，减少掘进过程中停机时间，避免软土层中由于掘进期间多次停机，导致盾构机姿态波动较大。

3.3 同步注浆参数控制

（1）同步注浆浆液质量直接影响成型隧道管片与土体之间的间隙填充效果以及管片在土体中的稳定性能，结合软土地层扩散系数大及天津地铁等类似的施工经验，经过多次配比调整，通过提高水泥及砂的掺量，有效缩短浆液初凝时间及浆液稠度的控制，经过试验，最终采取水泥：水：砂：粉煤灰：膨润土为300 kg ：387 kg ：250 kg ：300 kg ：150 kg的配比进行施工，浆液初凝时间由原来的6 h缩短至4.5 h，浆液稠度达到10 cm，具有良好的泵送性能，满足软土地层盾构机掘进期间对同步注浆浆液质量的设计、规范要求。

（2）区间采用开挖直径6 470 mm盾构机进行掘进，综合始发前100环同步注浆量，该软土地层土体扩大系数为1.61 m³～1.74 m³。不同地层可根据注浆压力进行调整，结合监测数据，通过同步注浆压力及同步注浆量进行双控，本区间实际注浆量在6.5 m³～7.0 m³。

（3）软土地层中需控制好同步注浆压力及速度，在保证注浆量的前提下，同步注浆需做到与盾构机掘进速度相匹配，通过4路注浆管进行均匀、连续注浆，在微承压水层中，注浆压力可适当提高0.1 bar～0.2 bar，保证整环管片壁厚浆液填充饱满、均匀。

3.4 推进油缸区压控制

（1）合理设置盾构推进油缸区压，根据本区间盾构在软土地层中掘进施工经验，严格控制水平及垂直方向推进油缸区压差超过90 bar。

（2）调整盾构姿态期间，配合主动铰接进行缓纠。根据线路设计参数，对铰接行程差进行计算，通过铰接油缸区压保持盾构机切口姿态与设计线路的一致，稳住铰接和盾尾姿态，待盾构机往设计线路靠近的趋势增大后，再适当通过区压进行盾构姿态调整，减小由于推进油缸区压差过大导致盾体整体位移、姿态恶化的情况发生。

4 结束语

软土地层盾构掘进施工过程中姿态难以控制受多种因素影响，通过本区间不断优化掘进参数的情况下，及时对脱出盾尾后3环管片采用双液浆进行补强、控制好盾构掘进速度、提高同步注浆初凝时间、对推进油缸区压及主动铰接的合理运用，最大程度减少姿态调整期间对软土地层的扰动，减少盾构机在软土地层中由于“甩尾”姿态难以控制的现象发生，保证盾构机在软土层掘进过程中能够有效纠偏，确保盾构机姿态稳定、可控。