敞口式盾构在砂层地层施工常见问题及施工对策

敞口式盾构在砂层地层施工常见问题及施工对策

胡如成

中铁五局集团电务城通工程有限责任公司  湖南省长沙市   410205

摘要：敞口式盾构在区间存在孤石、漂石等地层中相对土压（泥水）平衡盾构有着自身优势，本文以北京地铁6号线二期某区间敞口式盾构实验段为工程背景，总结归纳了敞口式盾构实验过程中出现的施工问题及采取的相应施工对策，为敞口式盾构后续设计优化和在北京地区地铁采用敞口式盾构施工提供参考。

关键词：敞口式盾构；砂层地层；施工问题；对策

0 引言

由于盾构法在适宜的地层中具有明显的优势，所以，在城市轨道交通工程区间隧道的建设中大量地采用了盾构施工工法。盾构技术也从此得到了前所未有的发展，从最初的手掘式盾构发展到机械式敞口盾构，然后到现在的土压（泥水）平衡盾构，可以说其适用范围越来越广，施工效率和安全性越来越高，但是，由于我国地层条件的多样性和复杂性，如区间存在孤石、漂石等障碍物且地层自稳性较好的区间，敞口式盾构相对土压（泥水）平衡盾构来说还是有着其自身的优势，而且在特定的地层条件，采用敞口式盾构可以节省投资、节省资源和环境保护，具有明显的经济和社会效益。本文以北京地铁6号线二期某标段区间400m敞口式盾构实验段为工程背景，对我国首次采取敞口式盾构应用城市轨道交通工程施工过程常见问题及应对措施进行探讨分析。

1 工程背景

1.1 工程概况

北京地铁6号线二期某标段包括一站一区间，本工程选取区间右线388.294米的区段（K41+182.356~K41+570.650）作为敞口式盾构施工试验段，敞口式盾构区间从另一车站的端头盾构井始发，由西向东推进，完成掘进后从右线中间竖井吊出，其他段采用土压平衡盾构施工，施工范围如图1-1所示。

                    图1-1 项目区间施工示意图

1.2 区间地质条件

敞口式盾构区间从上至下地层依为①粉土填土、①1杂填土、②粉土、②1粉土粘土、②3粉细砂、③3粉细砂、④粉质粘土和④4中粗砂。主要穿越地层有②3粉细砂、③3粉细砂、④粉质粘土、④4中粗砂。地质纵断面图见图1-2所示。

              图1-2 敞口式盾构区间地质纵断面图

各地层岩土物理力学性能参数如表2-1所示。

表2-1  地层岩土物理力学性能参数表

1.3 水文地质条件

本段线路赋存两层地下水，地下水类型分别为潜水、承压水。由于隔水层粉质粘土4层缺失形成“天窗”，导致沿线潜水与承压水联通。潜水主要赋存于②3粉细砂、③3粉砂、④4中粗砂层中，水位埋深4.5~8.0m，水位标高12.47~13.57m。承压水主要赋存于⑤1中粗砂层中，水位埋深10.04，水位标高10.45m。

2 敞口式盾构施工实现条件

土压（泥水）平衡盾构，可以动态地实现土压平衡，从而确保掌子面的稳定和地表沉降的控制，敞口式盾构前端处于敞开式，不能建立土压，也就无法动态地平衡地层中的水土压力，所以要安全地实现敞口式盾构掘进，必须满足以下几个前提条件：

（1）盾构施工地层处于无水和少水状态，在有水地层需要采用措施将地下水位降低至隧道底板1米以下。

（2）地层的自稳性要好或经过加固等辅助工艺使其可以处于稳定状态。

（3）跟密闭式盾构一样，敞口式盾构施工需要对盾构进出洞段进行加固，使之满足敞口式盾构施工进出洞条件。

3 敞口式盾构组成及掘进原理

3.1 敞口式盾构主要组成

本工程采用的敞口式盾构主要由挖掘装置、推进及支护（盾体）、出渣系统、管片拼装和输送系统、后配套台车、动力系统和辅助系统等组成（如图3-1所示）。

（a）挖掘系统                              （b）掌子面支护结构

      （c） 出渣系统                            （d）管片拼装装置

                 图3-1 敞口式盾构主要构成部分示意图

3.2 敞口式盾构工作原理

敞口式盾构的主要工作原理和工作内容为：稳定开挖面、挖掘和排土、安装管片衬砌、推进盾构、同步回填注浆。以北京地区通用规格的管片环（外径6000 mm，内径5400 mm，宽1200 mm）为例，敞口式盾构的主要工作步骤和原理如下表1-1所示：

表3-1  敞口式盾构施工步骤及原理

4 施工常见问题及解决措施

388.294m敞口式盾构试验段主要穿越地层为细、粗砂地层，地层自稳性本身就较差，尤其在盾构施工前进行了降水，使得砂层失水严重，使得砂层的粘聚力比原状土更差，稍有扰动就会产生大面积坍塌，导致了敞口式盾构在此地层施工产生了诸多施工问题，给施工造成较大困难，经总结归纳，敞口式盾构在施工过程主要有以下几个主要问题。

4.1 盾构推力过大、速度慢

4.1.1 主要原因

由于敞口式没有刀盘切削装置进行土体切削，只是靠安装在前盾里的挖掘装置（图3-1 （a））进行土体的开挖，由于操作空间和开挖装置自由度的限制，导致存在开挖盲区（尤其是下部分土体），且没有超挖断面的功能，使得盾构在推进过程存在两个方面的主要阻力：（1）由于没有超挖功能，盾构四周都与土体之间存在滑动摩擦力，这个摩擦力远大于土压平衡盾构与土体之间的摩擦力；2）由于存在开挖盲区，导致侧边土体及下方土体在不断地挤密后产生被动土压力，这也是导致了盾构掘进过程中推力过大，掘进速度慢最主要的原因。从图4-1可以看出，盾构始发时的最大推力高达21000KN，从而导致始发时反力架产生较大变形，同时对管片的受力安全性提出了挑战。

（a）盾构推力统计                        （b）盾构掘进速度统计

             图4-1 盾构主要能参数统计

4.1.2 施工对策

为解决盾构掘进过程推力过大的问题，避免因推力过大而引发一系列不良后果，经过研究分析，施工过程中采取了如下施工措施：

1）对始发反力架进行了二次加固，确保其受力安全，主要是在反力架上横梁与车站板梁之间增加支撑受力点和反力架构件连接部位的加强（如图4-2所示）。

（a）反力架上横梁与车站板梁间增设支撑        （b）反力架连接部位的加强焊接

                     图4-2 反力架受力变形过大加固措施

2）在盾体周围注入膨润土以减少盾构与砂层之间的摩擦系数，从而减少掘进的推力。

3）对掌子面存在开挖盲区的区域利用人工开挖土体，重点是减下断面堆放在盾构上的土，这样可以减少盾构在推进时前盾开口切入土体的正面阻力和下断面土体挤压而对掌子面形成被动土压力，这个阻力是敞口式盾构推力增大，且速度缓慢的主要原因，也是敞口盾构以后需要设计优化的重中之重。

4.2 地表沉降过大

4.2.1 主要原因

从上表2-1可以看出，敞口式穿越的砂层的粘聚力为0，内摩擦角最大为300，最小仅为160。而这两个指标反映了土体本身的抗剪强度，从地层两个主要物理力学性能指标数据可以看出，区间的砂层自稳性较差，再加上盾构施工过程中的频繁扰动，很容易造成掌子面土体坍塌。而敞口式盾构设计采用的前帽檐和支护挡板在这种地层中无法很好地发挥支护的作用，大量地砂土从支护挡板后面坍塌，造成了盾构施工过程了渣量无法控制，实际出渣方量远远大于理论出渣量（如图4-2、4-3）。

图4-2 出渣统计表                      图4-3 渣土坍塌

4.2.2 施工对策

根据土力学中的土体滑移理论我们可以得知，可以把敞口式盾构前方一段范围内的土体当作一个边坡（如图4-3所示），从滑移曲线模型可以看出，土体临空面高达6220mm，且滑移体较大，盾构一旦开挖下方土体（相当于边坡坡脚被破坏），这时处于极限平衡状态的滑移体就会在重力的作用下发生滑移坍塌。

      （a）滑移体处于平衡状态                   （b）滑移体下滑状态

                             图4-3 滑移模型示意图                   

 为了维持开挖面稳定，采用了对盾构前仓进行分仓改造，将开挖面单一土体自然坡分成3级自然坡，增大土体与仓板间摩擦力以平衡地层应力，从而增加土体稳定性。

具体改造方案为：

(1) 拆除盾构机前檐和挡板；

(2) 为使土层形成一定的自然稳定角，在盾构掘进时在开挖面插入两块水平挡土钢板，仓板纵向长度2.2m，隔板最前端伸出盾构前檐80cm；

(3) 为了抵消钢板因覆土压力造成的竖向挠度，钢板做成W型，并焊接相应的竖向钢板；

(4) 水平钢板进行底面加筋；

(5) 对现有的挖掘机进行拆除，安装一个轻巧小型挖掘机，以减少挖掘盲区。盾构最终改造情况见图4-4。

                 图4-4 分舱示意及最终改造情况图

4.3 盾体发生滚动

4.3.1 主要原因

敞口式盾构在推进过程中，由于分舱和地质不均匀的原因，在掘进过程中出现顺时针旋转的趋势。再加在掘进舱板变形，导致顺时针旋转逐渐加剧，掘进至153环，顺时针旋转角度已达4°59’17.8”，并且旋转趋势仍在继续扩大，如不采取措施及时进行纠编，将无法正常掘进，盾构滚动变化如图4-5所示。

 图4-5 盾构滚动变化趋势图

4.3.2 施工对策

施工过程中针对盾构持续发生滚动的现象，采取如下纠编指施：

（1） 洞内对开挖面进行适当加固，割除隔板前端变形部分；

（2）在盾构左侧适当增加配重，见图4-6（a）；

（3）在6#、9#仓增加能形成反向扭矩的弯折翼板，如图4-6（b）；

（4）适当改变部分推进千斤顶轴线方向，形成反向扭矩。

（a）盾构左侧增加配重块                      （b）反向扭矩的弯折翼板

                         图4-6  盾构滚动纠偏措施

5 效果分析

对敞口盾构在施工过程中发生的问题，通过深入分析和探讨，提出了有针对性的解决措施，通过现场施工验证，实施效果如下：

（1）盾构推力波动值不大，推力从刚开始的28000KN以上下降到了25800KN，且基本维持在这个数值。

（2）掘进速度得到有效地提高，从原来5mm/min左右实现了平均掘进速度达到了27.4mm/min，最高峰达到一天掘进12环。

（3）开挖面的稳定性得到了提高，出渣量也得到了有效地控制，虽然仍存在一定的超挖现象，但出渣量基本维持在49m3左右，略高于理论出渣量。

（4）盾体滚动得到了有效控制，截至盾构掘进完毕，顺时针旋转角度由4°59’18”逐渐减小为2°57’08”，效果显著。

       （a）盾构推力统计 

（b）掘进速度统计

（c）出渣量统计

图5-1采取措施后的掘进参数统计

6 结束语

对区间存在孤石、漂石等采用土压（泥水）平衡盾构无法较好的处理的稳定地层条件，敞口式盾构由于其造价低，渣土无需采用添加剂进行改良，对环境污染少，另外，操作人员可以直接进入掌子面对障碍物进行处理等优势，所以在类北京砂卵石或似于这类地层有其广泛的应用空间和价值。经过北京地铁6号线二期近400m的试验段验证，采用敞口式盾构施工必须注意以下事项。

1）采用敞口式盾构施工，地层必须具有较好的稳定性和处于无水状态，否则在施工过程中就会出现一系列的施工问题，这也是决定是否采用敞口式盾构施工的关键因素；

2）敞口式盾构的开挖装置必须灵活（要存在多个自由度），以便能减少掌子面土体存在的开挖盲区，尽可能多地减少堆积在盾构侧边和盾体下部堆积的渣土，以便降低掘进推力和保护盾构支护系统。

3）对盾构式敞口还需根据地层条件进一步设计优化，包括前端帽檐、支护档板等结构，使能能够根据需要单独控制，这样可以确保在土层等压力的作用力不变形，不至于被渣土堵塞死，能发挥其应有的土体支护作用。

4）敞口式盾构在施工过程中，还需考虑如何设置土体超挖等装置，以避免盾构在土层压力的作用下出现“叩头”和出现“叩头”现象能顺利地实现纠偏。

5）开挖装置还应具有通用性，施工过程中根据地层条件能够顺利得地进行更换，使开挖方式与地层条件更具适应性。

6）出渣系统设计应根据地层性质进行匹配设计，能确保出渣速度与开挖速度匹配，实现盾构动态均衡地实现掘进。

参考文献

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