极软土质条件下盾构始发的关键技术研究

芦志国 邓耀华 吴 金

1.中铁七局集团第三工程有限公司 西安 710032；2.苏州市轨道交通集团有限公司 苏州 215004

1 工程概况

1.1 盾构区间概况

盾构施工的区间工程场地位于苏州吴江市，标段共包含2个盾构区间：中山路站—汽车客运站站区间（第1区间）、汽车客运站站—庞金路站区间（第2区间）。其中：第1区间左线长1 615.64 m，右线长1 591.40 m，区间埋深8.90～19.20 m，区间中段下穿行船河桥，道路两侧多为空地。第2区间工程下穿S227省道、京杭大运河，区间左线长1 430.42 m，右线长1 427.47 m，埋深9.90～18.10 m。2个区间都采用“冷冻+矿山法”施工。工程投入2台盾构机分别进行掘进施工，2台盾构机始发场地均设在汽车客运站站（图1）。

图1 盾构区间工程概况示意

1.2 沿线地层特性

根据地质资料，标段内地层层序自上而下依次为：①1淤泥层、①2杂填土层、①3素填土层、②1黏土层、③1黏土层、③2粉质黏土层、③3粉土层、④1粉质黏土层、④2粉砂或粉土层、④3粉土夹粉砂层、⑤1粉质黏土层、⑤2粉砂或粉土层、⑥1黏土层、⑦1粉质黏土层、⑦2粉土或粉砂层、⑦3粉质黏土层、⑦4粉土或粉砂层、⑧1黏土夹粉质黏土层、⑧2粉质黏土层。

在苏州软土地区，软土地层缺乏自立性，经施工扰动后很有可能产生临空面。再加上土壤开挖后的防水性能较差，容易产生较大的位移，突发大量的涌水。这会对盾构的始发施工带来严重影响。因此，在实施盾构始发之前，必须精心研究并采用合理的施工方案，保证盾构始发的成功。

1.3 始发井结构概况

汽车客运站站东西端头均为盾构始发井，设计为明挖地下2层钢筋混凝土结构；围护结构采用厚800 mm地下连续墙。主体结构防水等级为一级，采用全包式防水。端头井端墙厚800 mm，侧墙厚800 mm，底板为厚1 000 mm钢筋混凝土（不包括垫层），始发井中板、左右线留设11.50 m×7.50 m的盾构机下井口，顶板均为11.50 m×7.50 m盾构机下井口，用于盾构机和后配套台车的吊装下井及组装。

2 盾构始发的不利因素

2.1 土质不利因素

盾构始发与到达处处于④2粉砂层、②黏土层，该土层含水量丰富，且强度较高、压缩性低、渗透性好，在微承压水水头压力作用下极易产生管涌或流砂，给盾构始发带来风险。盾构始发掘进时应适当控制掘进速率，避免对土体产生过大的扰动，以减少施工后的沉降。盾构推进时其上部主要为淤泥质黏性土，下部为砂质粉土，土质差异较大，所受到的上、下阻力不均匀，施工时应该合理控制盾构推进参数，保证始发时盾构轴线与设计轴线偏差量控制在最小。

2.2 其他不可预见因素

地下空间的施工风险大，即使在施工前期做好充足的准备，也不能完全保证施工的安全。在进出洞口的施工过程中，由于施工扰动对土体稳定性和止水性存在影响，使得开凿后出现土体坍塌和流砂事故的风险大大增加。为了降低事故发生的概率，需要在土体改良的规定时间内，按照强度和止水性的相关要求，对改良后的土体进行检测。该项目在施工过程中常见的问题有以下2点。

2.2.1 盾构始发时洞门处土体涌入井中

在洞口拆除封门后，井外的软土地层不能自立。洞圈处的密封装置还不能将土体完全阻挡在洞外，导致洞外的土体沿着洞口进入井内，继而引发地面沉降，对地面上方的建筑和地下管线的正常使用产生难以预计的影响，同时也会导致盾构施工的中断。

2.2.2 盾构始发时周圈涌现泥浆

由于洞口的密封装置在进出洞口时遭到磨损，之后没能及时做好防漏防渗的处理。因此，在盾构机尚未全部通过竖井或已经脱离始发圈时，竖井以外的泥浆已经开始从洞圈与盾构之间的缝隙中不断地涌入竖井内。如果不及时采取应急措施，将会引起洞口处已经建好的隧道发生大量沉降情况，最终导致地面沉陷。

3 盾构始发施工及其关键技术

3.1 盾构始发端头加固

盾构端头加固体均采用φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩，按照加固投影面积计算，A、B区弱加固（空桩段）投影面积内的综合水泥掺量为9.70%（即每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺量为7%），A区强加固（实桩）投影面积内的综合水泥掺量为27.69%（即每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺量为20%），B区强加固体（实桩）投影面积内的综合水泥掺量为20.70%（即每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺量为15%）；止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩，搭接长度为400 mm，投影面积内的综合水泥掺量为25.63%（即每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺量为20%）。水泥采用P.O 42.5级以上的水泥。止水帷幕与围护结构接缝处采用2根单重管旋喷桩补强，水泥掺量为200 kg/m；围护结构与加固区施工冷缝采用单重管旋喷桩补强，孔间距为200 mm，水泥用量为200 kg/m。在施工开始之前须采取试桩工作，以便根据试桩加固的效果，确定施工方案、施工工艺以及施工的各项参数。盾构始发端头加固平面如图2所示。

图2 盾构始发端头加固平面示意

为了确保始发端头加固的质量，还制订了以下2个参数控制要求：

1）经过加固的土体应达到良好的均衡性以及稳固的自立性。

2）A区加固后土体的无侧限抗压强度标准值达到1 MPa以上，B区加固后土体的无侧限抗压强度标准值则需达到0.50 MPa以上。

3.2 始发托架、反力架的安装及加固

在盾构机始发过程中，始发托架用于固定盾构机方向、承载其自重，并不断调整盾构机中心直至到达其设计标高。其次，在拆除负环管片之前，始发架还有着固定负环管片的作用。

反力架的作用是为盾构机提供推进反力，反力架支撑只有部分依靠在车站内侧墙上，剩余部分需增设反力架斜撑。始发托架与反力架的施工顺为：始发托架地面组装→始发托架下井安装、加固→始发托架加固验收→托架使用→待盾构机及后配套下井完成→反力架下井组装、加固→反力架加固验收→反力架使用[1-2]。

3.3 洞门凿除

根据车站围护结构体的厚度，凿除洞门厚度为0.80 m。凿除洞门需要先割除地下连续墙表面的混凝土和钢筋网，然后破除地下连续墙墙身的混凝土和钢筋网，最后实现废渣的清理。洞门需要分2次进行凿除。

3.3.1 第1次洞门凿除

洞口首次凿除的时间在盾构始发前7 d，凿除厚度为55 cm。施工人员使用风镐、钻机等设备，按照从下而上、先中间后两侧的顺序依次凿除地下连续墙墙身的混凝土和钢筋网。洞口凿除顺序如图3所示。

图3 洞门凿除顺序示意

3.3.2 第2次洞门凿除

第2次洞门凿除的时间为始发前4～6 h，凿除厚度为25 cm，施工时应迅速凿除残留的钢筋网与混凝土，并对洞门附近的钢筋进行修整，直至切割圆顺。同时，应尽量减少洞门土体无支撑的时间。第2次洞门凿除施工顺序为从下往上跳割割除钢筋，然后清理洞门凿除产生的废渣、脚手架等。

3.4 洞门密封、防水装置安装

1）洞门采用橡胶帘布、B环板、折页压板通过螺栓并按照一定顺序固定在洞门钢环上的方式进行密封，在盾构通过处采用折页压板进行密封。

2）在车站主体结构施工时，安装洞门预埋钢环（即A环板）；预埋钢环板加工时严格按照交底图纸说明进行，严格控制构件的加工精度以保证正常使用；预埋时严格控制安装精度、洞门中心安装位置、垂直度等。

3）在洞门第2次凿除前安装橡胶帘布、B环板、折页压板。安装顺序为：洞门圈预埋钢环（车站施工时已预埋）→安设双头螺杆→帘布橡胶板→圆环压板→折页压板→垫圈→螺母。洞门密封装置如图4所示。

图4 洞门密封、防水装置示意

3.5 盾构始发掘进

3.5.1 始发掘进参数

工程始发掘进长度设定为90 m，主要考虑以下3个方面的因素。

1）盾构机和后方台车的长度。

2）始发掘进需满足布置双线道岔的条件。

3）土体和管片之间的摩擦力能够支持盾构机的正常工作。

根据始发段地质情况，工程选择土压平衡模式推进。

3.5.2 始发掘进参数的控制

盾构始发掘进施工技术难度大，在始发掘进过程中，结合现场的地质情况，工程对盾构的推进速度、土仓压力、注浆压力进行了动态的调整。依据掘进线路的纵向剖面图，在计算盾构机拱顶处均布围岩的竖向压力时，可以直接把上覆土体的自重作为上覆土地层压力。

根据相关的计算，工程在开始掘进时暂取的掘进参数为：推进速度为10～20 mm/min，土仓压力为105 kPa，注浆压力为0.10～0.30 MPa，盾构轴线偏离设计轴线误差范围为-50～50 mm，地面隆陷控制在+10～-30 mm，同时将盾构机各组油缸的压力值严格控制在7 000 kPa之内，总推力控制在1×104kN之内，刀盘工作压力控制在9 000 kPa之内。

通过初始推进，选择6项指标作为施工管理开展后续施工任务的指导依据，主要包括土仓压力、推进速度、总推力、排土量、刀盘转速和扭矩、注浆压力以及注浆量，其中土仓压力是主要的管理指标。

在始发的前3环，考虑到刀盘刚开始切削土体，且前方为加固土体，故掘进时应缓慢建立土压力并且慢慢增加到设计土压力后，开始始发掘进，同时控制扭矩、转速和贯入度。施工过程中，再进行掘进参数的动态调整[3]。

3.6 同步注浆

盾构机盾尾进入土体后进行同步注浆，以迅速填充盾体与管片之间的空隙。浆液选取为水泥砂浆，同步注浆完成后还需进行二次注浆，防止因注浆不当引起管片上浮或偏移。

工程同步注浆压力设定为0.10～0.30 MPa，管片二次注浆的注浆压力为0.20～0.50 MPa。工程采用的实际注浆量为理论建筑空隙的150%～200%，即为3.56～4.74 m3。在同步注浆施工任务进行过程中，工程设置了注浆上限，当注浆压力达到设计的标准值时，就可以认为同步注浆施工任务完成。

始发段注浆浆液采用水泥砂浆，工程考虑到浆液的和易性及抗离析性，粉煤灰采用二级粉煤灰，膨润土采用钠基膨润土。根据现场试验结果和实际施工效果进行修正，力求砂浆配合比达到最优的工作性能。工程设定的始发阶段浆液初凝时间为6～8 h。

在正3环安装完成后，紧固好管片连接螺栓，停止掘进并对洞门圈进行注浆。注浆时密切关注洞门密封装置的变形情况，一旦发现漏浆情况应立刻停止注浆，并根据漏浆的具体情况采取相应的处理措施。注浆完成后立即用水清洗注浆管，以防止注浆管堵塞。

3.7 管片拼装

在始发井内，盾构机依靠负环管片提供支撑进行掘进，根据以前的施工经验，工程左右线各安装8环负环管片，0环管片插入隧道0.50～0.60 m，以满足洞门环梁施工要求。负环管片安装时通过管片拼装机对标准环管片进行安装，在安装过程中为防止管片失圆，必须按照错缝拼接的原则进行。

在拼装负8环管片的第1块管片时，先在负8环管片的A2块管片内弧面上画出管片向左偏移22.5°后位于弧底的位置，拼装时以水平尺进行确定；A2块管片拼装完成以后，再依次进行B块、C块及封顶块拼装。

3.8 极软土质条件下盾构始发的注意事项

1）为了控制推进轴线，保护刀盘，盾构机推进速度宜控制在10～20 mm/min；为了避免推进时刀盘损害洞门密封装置，始发前应在刀头和密封装置上涂抹油脂以减少摩擦。

2）盾构机启动的时候，司机需事先检查千斤顶有没有完全靠足。在开始推进和结束推进时，掘进速度不能太快；当沿设计路线每环掘进开始时，启动速度不应过大，应当逐渐提速。掘进过程中，掘进速度应尽可能保持稳定，防止波动。

3）掘进速度的快慢应当与每环注浆量的多少保持一致，保证在掘进过程中同步注浆系统处于良好的工作状态。

4）始发掘进开始时，为了将盾构机卡在始发架上，需要在盾构机的中心两侧设置防扭转支座，为盾构机始发提供反扭矩，进入洞门后割除支座并打磨。

5）盾构机组装完成后，安装负环管片前，需要手动将盾尾油脂涂抹在盾尾刷上，并保证涂抹饱满、足量。在对始发台、反力架以及首环负环管片进行定位时，需要对始发台、反力架、负环管片的安装精度进行严格控制，以确保盾构始发能够和设计的路线保持一致。

6）在盾构始发阶段，各项设备均处于磨合期，需要将掘进总推力严格控制在后盾支撑能够承载的范围内，同时也要确保刀盘在此推力下切入地层所产生的扭矩小于盾构机始发架提供的反扭矩。

7）盾构始发在反力架和洞内正式管片之间安装负环管片，在外侧采取钢丝拉结，并用木楔支撑在负环管片和托架钢轨之间，以保证在传递推力过程中管片不会浮动变位。

8）在打开洞门过程中，若出现流清水现象，必须用双快水泥和水玻璃进行堵漏。如果在割除钢筋时发生泥沙流动的现象，必须即刻停止切割钢筋，并采取注浆处理，堵住后方可再切割钢筋。

9）在洞圈上下左右4个关键性位置预埋外插φ50～100 mm的能大流量注浆的反向封闭式注浆嘴，并加装长1～3 m的注浆引管。若在凿除洞门后突发严重的泥浆砂石涌动情况，应当立刻停止对洞门的破除，并迅速用双快水泥进行封堵，同时从预埋注浆管灌注双液浆或能速凝的化学浆液，以确保洞门安全。

4 结语

基于苏州地区的地质条件，结合现有轨道交通施工盾构始发的关键技术，工程管理人员认真研究了盾构始发可能存在的各类问题，编制了系统的管理方案，实现了盾构始发的质量、进度、成本和安全的集成管理，为盾构区间的施工创造了良好的条件，确保了项目的成功。