软弱地层盾构姿态失稳与处理措施研究

李加金

摘要 成都轨道交通盾构施工中，受砂卵石层、泥岩等软弱岩层影响，易出现上浮问题，导致盾构机姿态控制难度增大。文章结合盾构机姿态控制问题，深入研究了盾构机姿态失稳原因，并针对性提出了姿态失稳纠偏控制措施。复杂地层中的盾构施工应遵循“勤纠、缓纠”纠偏措施，并严格控制掘进速度，保持盾构机姿态稳定；针对地下水和注浆造成的姿态上浮问题，可通过加强止水和优化注浆处理。曲线段掘进施工中，通过合理制定纠偏方案，有效解决了盾构机姿态失稳问题。

关键词 轨道交通；隧道盾构；盾构机姿态失稳；盾构机纠偏

中图分类号 U455.43文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0082-03

0 引言

当前，在盾构施工过程中，受掘进复杂断面地层变化影响，盾构机姿态控制可能出现偏离，严重时可能造成隧道偏离设计轴线，导致隧道管片错台、局部破损和渗漏水等病害[1]，严重影响隧道工程施工质量和使用寿命。相关研究表明，盾构机姿态偏差主要原因为地质条件变化；在泥岩、圆砾地层盾构施工中，盾构机姿态控制难度大、易超限[2]，并造成刀具偏磨、姿态上升、纠偏困难等问题，以及管片上浮问题上浮量较大等问题。该文结合成都轨道交通30号线一期工程，深入研究了软弱地层盾构姿态失稳原因及处理措施，旨在为轨道交通工程盾构施工提供有益参考。

1 工程概况

成都市轨道交通30号线一期工程全长26.284 km，轨道交通路线自双流机场2航站楼站延伸至洪家桥站。该工程总体呈西南东北走向，全程为地下线，共规划设计23座车站，其中包括14座换乘站。最大站间距为1 792.486 m，最小间距为362.176 m，平均站距为922 m。

根据规划设计，该工程划分为3站3区间，3站为赵家山站（302.72 m×20.9 m×14.5 m）、锦逸站（原皇经楼站）（145 m×20.3 m×31.38 m）、娇子立交站（159 m×22.7 m×36.5 m）。区间隧道衬砌外径6.0 m、内径5.4 m，管片宽幅1.5 m、厚度300 mm，由6片管片组成。施工区段内全部为盾构施工。

2 工程岩土水文条件研究

根据岩土勘察文件揭示，拟建工程沿线地表第四系堆积层广泛分布，表层土多为第四系全新统人工填土，以杂填土为主；娇子立交站及周围为第四系全新统冲积层，锦逸站区间及周围为第四系上更新统冰水沉积、冲积层。岩土层自上而下依次为：黏性土、砂类土、卵石土、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩。轨道交通盾构主要穿越泥岩层，由于泥岩具有岩质极软、强度低、遇水软化、失水崩解等特点[3]。轨道交通施工中受泥岩性质影响，起始站基坑覆土层易沿泥岩滑动，造成基坑失稳崩塌；盾构施工中泥岩层节理裂隙发育、围岩自稳性差，易出现隧道拱顶失稳、侧壁开裂、基底隆起变形等问题。

根据水文勘测，待建场址范围内的地下水上层以赋存滞水的杂填土、砂石土、卵石土为主，地下以第4系孔隙水和基岩裂隙水为主。其中，第四系孔隙水赋存于场地第四系全新统和上更新统砂卵石土层中，受上层滞水和河湖下渗补给，是对车站基坑和浅埋隧道有较大影响的一种强透水层。基岩裂隙水主要在强风化基岩中赋存，富水段局部存在，隧道盾构施工穿越该层时，受地下水影响较大。因此，在隧道中施工时，会产生较大的裂隙水。

3 盾构机姿态失稳及原因分析

3.1 盾构机姿态失稳

工程盾构施工中，施工单位采用2台盾构机在棬子树站始发。施工单位在隧道开挖后，严格按照“提前管理，严格注浆，短掘进，强支护，快封闭，勤测量，严把每一根循环进尺，确保前期支护及时到位，确保工序衔接”的原则进行施工。盾构隧道受力条件得到改善，隧道建设安全得到保障。然而，盾构机在行驶至351环时，出现姿态异常上浮问题，导致盾构机随掘进呈逆时针方向滚动、呈“波浪线”水平姿态变化；由201环+18 mm变为227环-66 mm，再变为248环+20 mm，出现“甩尾”问题，变动周期约为50环。在现场盾构掘进施工中，盾构机垂直姿态呈现上浮趋势，施工单位尝试下压盾构机姿态，在下压过程中出现尾点“甩尾”的情况，导致盾构机姿态上浮、下压难以调整，从而导致管片姿态上浮，浮量在30～80 mm，最大浮量出现在249环，最大点上浮+89 mm。盾构机上浮、姿态调整困难直接影响盾构隧道的调线调坡，并引发管片成形错台、管片连接破损、隧道止水渗漏等问题[4]，对盾构隧道工程质量产生不利影响。

3.2 盾构机姿态失稳原因分析

盾构机姿态失稳的原因，主要包括地质原因、地下水和浆液浮力、掘进速度以及盾构机逆向推力等原因，可以根据现场盾构机姿态“上浮”的变化规律，结合工程地质实际情况进行分析。

3.2.1 地质条件原因

该工程典型的盾构隧道区间岩土为砂卵石和泥岩地层，岩层呈泥状分布。由于砂卵石岩层岩质自稳性差，在盾构机掘进施工中，砂卵石地层受扰动和自身重力作用影响，导致部分岩土层坍落，影响盾构机姿态控制。在进行泥岩地质施工时，风化泥岩密实，有一定强度，略有膨胀性，但遇水易软化，自稳性较差，不利于控制小曲线姿态。因此，在泥岩地质施工过程中，泥岩较难通过风化处理而使泥岩变得光滑。在砂卵石、泥岩分布不均、围岩变软、盾构姿态变化频繁情况下，盾构机姿态控制难度增大且难以控制，导致盾构机姿态纠偏难度增大，即使油缸分区压力差≥200 bar（1 bar=0.1 MPa）时，盾构机纠偏仍困难[5]。

3.2.2 地下水和浆液浮力

工程拟建场地的地下裂隙水含量丰富，第四系孔隙水和基岩裂隙水交互作用强。受地下水浮力和浆液浮力影响，盾构机、管片出现上浮现象。

同时，地下水对盾构机姿态调整产生不利影响。该工程采用小直径盾构机，局部富水区间上浮作用显著，加之注浆浆液可能通过盾体与围岩的间隙进入土仓，导致浆液不饱满、浮力增大，进而造成盾构机姿态上浮、调整难度大。根据工程设计，盾构刀盘与管片之间存在建筑空间，管片完全脱出盾尾后需及时填充该空间，以达到约束管片位移的目的。该工程中，盾构开挖直径6.2 m、管片内径5.4 m、厚300 mm、宽1.5 m；按管片混凝土比重23 kN/m3、浆液密度1 825 g/m3、水密度1 000 kg/m3计算管片体积为42.39 m3，管片自重为196 kN；计算砂浆浮力为758.14 kN，地下水浮力为414.54 kN。由此可见，浆液浮力和地下水浮力大于管片自重，浆液和地下水浮力受盾尾（盾构机自重350 t）约束；另一端受已固结水泥浆液约束不能上浮，而刚脱出盾尾的管片处于未固结浆液内，可将盾尾管片视为两端固定的“简支梁”，管片脱出盾尾后失去刚性约束并受软弱围岩影响，由此导致盾构隧道施工中脱尾管片上浮问题。

3.2.3 掘进速度

盾构施工中，当掘进速度进尺过快，同步注浆与盾构掘进速度不匹配时，可能造成同步注浆量不足，浆液受重力作用影响流入盾构机下部，不能有效填充盾构顶部建筑间隙，造成浆液不能及时固结和固定管片，加剧了盾构机上浮浮力和姿态调整难度，从而导致盾构机姿态上浮和管片上浮。

3.2.4 曲线段掘进

在区间盾构掘进施工中，当盾构机长期处于曲线段掘进时，盾构推进油缸与隧道设计轴线产生夹角，由“上软下硬”地层提供偏转附加扭矩，但受掌子面泥岩变软、地层对刀盘提供扭矩不满足要求等影响，导致盾构机相对设计线路偏转（如图1所示）、倾斜，造成盾构机姿态控制难度增大。

4 盾构机姿态控制措施研究

针对轨道隧道施工中盾构机姿态控制难点问题，施工单位针对性制定了盾构机姿态控制措施，以预防和控制盾构机上浮、管片上浮等问题。

4.1 盾构推进油缸分区控制和掘进姿态控制

工程直线段盾构施工中，施工单位应结合掘进地质条件、覆土厚度、试掘进技术参数对直线段掘进参数进行优化，通过优化刀盘扭矩、千斤顶推力等指令调整盾构机姿态；针对因岩土层性质变化导致盾构机出现的小偏差，应及时对盾构机姿态进行调整，通过优化刀盘扭矩、千斤避免盾构机“蛇”形掘进，减少盾构掘进对岩土层的扰动，单次纠偏≤4 mm/环。

区间盾构掘进采用的是土压平衡式盾构掘进机，盾构机掘进姿态控制关键在于平衡压力参数的确定。工程中，施工单位应在盾构机正面、盾构体上方、盾构体下方安装土压传感器，并根据土压传感器、隧道埋设深度、土层性质等因素，及时调整土压，计算土仓内土压，使土压保持在计算数值的1.05～1.10倍之间，以减少土层变化对盾构姿态的影响，减少盾构施工对土层的扰动。同时，通过及时纠偏，保持土压平衡，使盾构机保持平稳姿态。

4.2 地下水处理和注浆参数确定

在盾构施工中，由于盾构施工局部区间地下水富集，砂卵石层和泥岩受地下水影响软化、塑化，施工至227环时盾构姿态出现偏转，初步分析盾尾脱出管片上浮，带动盾构机姿态偏转，造成盾构机姿态浮动。针对这一问题，施工单位针对泥岩厚度较大、地下水量较少的区间，采用封水环法止水，在管片脱出盾尾4～5环后，再进行2～3环向封；环向封采用多孔管片，并用双液浆进行注浆；通过采用不同的砂浆配比，调整浆液凝结时间，达到控制管片上浮的目的；并在管片内进行封水环法止水，在管施工单位对管片脱出盾尾4～5环后，采用封水环法施工。施工中，施工单位通过二次注浆加强管片约束的方式，采用快凝型水泥和水玻璃双液浆注浆，以防止盾构机姿态失稳现象的进一步加重。

针对地下水富集对围岩结构、盾构姿态、管片上浮的影响，可以通过洞内抽放的方式降低洞内水压。针对局部富水区域，施工单位自管片底部吊装处开孔。盾构施工期间，盾构机注浆管共有4路，其中上部注浆管2根，下部注浆管2根，上部注浆压力与下部注浆比例为2∶1～3∶1，以减少盾构姿态控制和管片上浮对同步注浆的冲击。

为保证注封水环法止水质量，施工单位应加强注浆质量控制（如表1所示），浆液初凝时间4～6 h，终凝时间8～12 h；固结体抗压强度≥0.3 MPa的24 h，抗压强度≥2.5 MPa的28 d；固结率≥95%，固结收缩率<5%。

4.3 掘进速度控制

盾构掘进过程中，针对掘进速度过快造成的盾构机姿态控制难点问题，施工单位应严格控制盾构掘进速度，砂卵石、泥岩岩层每班掘进速度≤5环，每环掘进时间控制在2～2.5 h，推进速度20～30 mm/min，并确保盾构机掘进速度与注浆量匹配，泥岩岩层注浆量≥5 m3、砂卵石岩层注浆量≥6 m3，确保同步注浆饱满、充分。

4.4 曲线段姿态调整

针对曲线段岩层提供扭矩不足的问题，施工单位在锦娇区间曲线段进行盾构机上浮姿态调整时增加2组推进油缸，油缸直径为325 mm，最大推力为320 t，行程200 mm增设推进油缸之间焊接T字板；盾构机需偏转掘进时，应推进油缸施加侧向推力，油缸油压差≤50 bar，千斤顶伸出长度差≤50 mm，为盾构机姿态调整提供扭矩。增设油缸后，盾构机姿态逐步稳定，并逐渐恢复偏转，轴线偏移速度减缓，盾构角姿态开始恢复，曲线段上浮偏差减小，盾构轴线趋于稳定。

曲线段盾构机姿态控制中，施工单位应加强盾构、管片测量，盾构机姿态偏差≥50 mm时停止掘进，二次注浆处理；对管片浮度≥30 mm/d进行加密测量，停止掘进，浮度≥50 mm/d进行二次注浆处理；单环纠偏≤5 mm，避免“急纠、猛纠”，防止盾构机纠偏幅度过大造成盾构机姿态偏转。

5 结语

在砂卵石、泥岩岩层盾构隧道施工中，受地质、地下水等因素影响，盾构机姿态易出现上浮、滚动等问题，造成盾构机姿态失稳。施工单位在软弱岩层盾构施工中应用工程施工经验，加强盾构机姿态控制和掘进速度控制，采取“勤整缓纠”纠偏措施，保持盾构机姿态稳定。针对地下水和泥浆造成的姿态上浮问题，可采取优化注浆参数、加强止水等措施进行处理。同时，曲线段盾构施工中，可通过增设油缸顶推措施纠偏，确保盾构机姿态稳定，预防和控制管片上浮问题。

参考文献

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