软弱地层盾构施工技术分析

软弱地层盾构施工技术分析

杨勇强

中铁一局集团有限公司  陕西西安 710054

摘要：随着城市的不断更新发展，轨道交通都是城市建设的重点规划之一。而地质情况在很大层面上给轨道交通施工带来了更大的挑战，尤其是在以上海为中心的长三角地带，广泛分布有深厚的软弱地层。软弱地层因其独有的物理力学性质，及其较高的含水量、底承载力，给下地工程带来更大的挑战，而盾构本身自重大的特点，又与软弱地层形成鲜明的对比，使得盾构在软弱地层中施工更加困难。基于此，本文对软弱地层盾构施工技术进行探究分析，以期为后续类似的施工提供帮助和经验。

关键词：城市轨道交通；软弱地层；盾构施工

引言

由于软弱地层地基承载力较小，含水量较大，因此盾构掘进至软弱地层时，在荷载作用下易产生滑动或固结沉降的特点，会造成盾构掘进失稳等现象，极容易发生安全事故，因此在施工时应特别注意土质情况，根据地层变化情况，合理选择施工参数，进而保证盾构施工的安全和质量。

一、软弱地层盾构机选型分析

针对软土地层，盾构机选择为复合式盾构，刀盘为轻复合刀盘，盾构机应具备常规盾构各项性能的同时，还应该考虑以下几个方面的因素：

1、应着重对盾构机盾体重心进行研究分析及设计。盾构机在软弱质地层中掘进，因地基承载力较小，盾体前部偏重会导致盾构机“栽头“。为保证盾构机在软弱地层中的适应性，应将盾构机盾体重心位置适当向后调整，使盾构机达到平衡状态，从而更好得适应软弱地层。

2、应对刀具类型、刀盘开口率、防止涌泥涌砂的设计与制造可靠性提出更高的要求，从而保证盾构机在软弱地层中掘进的稳定性与安全性，进而保证成型隧道的质量。

二、软弱地层盾构掘进姿态控制分析

1、推力差控制

推力差是控制盾构机姿态的基本方法。针对软弱地层，盾构机对推力反应很敏感，因此，盾构推力差控制在软弱地层中非常重要。

软弱地层的推力一般控制在800～1200t的范围内。地层较软、埋深较浅时，推力小，盾构机易栽头。在纵坡坡度较大的区间掘进过程中，为了维持盾构姿态，上下推力差最大时达到300t。而因软弱地层中实际总推力较小，不足以提供大的力差，往往需要适当提高土压，增大总推力，并减小水平推力，把推力差分在上下油缸上。但推力差也不能一味增大，应根据实际土层情况不断调整，在实际推进过程中，若上下推力差超过150t，易造成管片上浮甚至破损现象，故推力差控制在盾构掘进姿态控制、成型隧道轴线及质量控制方面起到至关重要的作用。

2、铰接

软弱地层中，盾构机一般选用复合型土压平衡盾构机，而铰接一般采用主动式，盾构机的铰接用于辅助纠偏，使盾构机拟合隧道设计轴线。

当盾构姿态出现较大偏差，仅靠推力差无法扭转时，可结合偏差大小打开铰接，辅助纠偏。铰接装置使得盾构机在“中盾”和“尾盾”之间能够产生一定的折角，该折角一般控制在2°左右，运用铰接装置就能辅助盾构调整方向，使其向所需要的方向掘进。通过不同位置铰接油缸的伸出长度，控制盾构机盾体中间的折角角度，进而调整盾构姿态。但铰接油缸的行程也不宜过长，软弱地层中使用铰接调整盾构姿态时，应尽量确保两侧铰接油缸行程差在30mm以内，铰接伸出量宜控制在40～80mm范围内。

3、超前量控制

当盾构姿态恶化，推力差、铰接对盾构姿态纠偏作用不明显时，可以考虑在管片端面粘贴低压纤维橡胶板，从而调整超前量，改变油缸行程差，辅助盾构机纠偏。通过调整转弯环来调整上下油缸行程差以及盾尾间隙，进而调整盾构机垂直姿态。

4、开启超挖刀

开启超挖刀对盾构机纠偏也有一定作用。当盾构机轴线出现偏差时，可在反方向区域开启超挖刀，减小该区域土压力，从而达到纠偏作用。

5、根据管片姿态控制盾构机姿态

在软土地层中，盾构机趋势受成型管片趋势影响很大。拼装管片的趋势，决定了盾构机的走向。正确计算管片趋势，合理进行管片选型，是控制盾构姿态的关键要素。

在软弱地层曲线较多，管片带楔形量，采用错缝拼装的隧道中，因错缝拼装的方式不能使管片完全拟合盾构机轴线，并且每环拼装后，都会改变管片趋势。因此在管片拼装时，必须做到精细化操作，分析行程差、盾尾间隙和盾构机姿态，计算管片趋势，结合盾构机走向和设计轴线确定低压纤维橡胶板粘贴厚度。如纤维橡胶板粘贴厚度选择不合适，改变了管片趋势，盾构机姿态也会跟着出现偏差。

盾构机姿态的理想位置，并不是完全与设计轴线拟合。理想姿态的确定，需结合成型管片姿态变化趋势来确定。软弱地层中，管片拼装完成脱出盾构机后，通常会产生2～3cm的上浮。为了保证成型隧道线形，在推进时，将盾构机姿态有意识得放在隧道设计中线的正下方4～6cm，以此来抵消管片脱出盾构机后的上浮量。

6、同步注浆控制

在软弱地层中，同步注浆浆液一般采用惰性浆液，其特点是填充性、抗离析性、流动性；缺点是凝固时间较长，强度较低。在盾构始发、接收及下穿管线等特殊掘进段施工时，对惰性浆液配合比应进行适当调整。经现场试验，在每方惰性浆内分别加入50kg、100kg的PO42.5普通硅酸盐水泥后，其凝结时间将缩短至11h和8.5h。缩短同步注浆浆液的凝结时间，可以使管片及土体得到及时的包裹及稳固，在确保隧道稳定的同时，使得管片能够与土体之间尽早形成密贴，进而给盾构提供足够的抗扭转摩阻力，从而防止盾构产生过大滚动。

软弱地层中一般使用对称注浆装置，即单管单泵四点同时注浆的装置，注浆过程中，可根据管片的上浮情况来确定注浆点位以及每个注浆孔的注浆压力和注浆量，一般应通过增加上部注浆量的同时减少下步注浆量的方式来适当调整。

三、软弱地层盾构掘进安全技术措施分析

软弱地层中盾构掘进的安全控制，除了常规盾构的控制项目外，还应重点关注一下几个方面的控制措施：

1、土仓压力设定

软弱地层因其高含水量，应采用水土合算的方法计算静止土压力，使得盾构掘进过程中土仓压力与作业面水土压力达到动态平衡，进而保证盾构掘进过程中的安全稳定。

由于软弱地层含水率高，强度低，土性较差，在正常段掘进至软弱地层时，盾构机会出现突然下沉、栽头、姿态失控等情况。为确保盾构掘进安全性，土仓压力要在理论计算土压的基础上适当提高0.02MPa。

2、出土量控制

软弱地层盾构掘进施工中，超挖会导致较大的安全风险，如地面沉降、盾构机栽头等，而软弱地层其高含水率的特性，给出土量的控制带来了一定的困难，为保证开挖量准确，软弱地层中盾构掘进应采用方量及重量的双重指标，来控制盾构掘进出土量，使用渣斗车控制土体方量，龙门吊配备称重系统控制土体重量。盾构掘进过程中，发现出土量偏大，表明该区域存在超量现象，必须及时进行处理来保证掘进安全，处理方法包括二次补浆，情况紧急时可采用地面注浆加固等措施。

四、结论

软弱地层中盾构机姿态及管片上浮控制是盾构修建及成型隧道质量控制中的重要环节。盾构机姿态的控制关系到掘进的安全性和稳定性，管片上浮的控制关系到成型隧道的质量。本文对软弱地层中盾构机选型，以及掘进过程中上下推力差、铰接、管片前超量、同步注浆、管片姿态与盾构姿态等重要参数展开论述，深入分析了软弱地层中盾构机姿态控制及掘进安全的实现方法，为软弱地层盾构掘进提供可靠的技术指导，避免因管片上浮引起管片错台、破损等情况的发生。

通过以上分析，盾构在软弱地层掘进施工中，可以通过控制上下推力差、管片前超量及铰接伸长量、同步注浆及管片姿态与盾构姿态的拟合等方法来控制盾构姿态，进而确保软弱地层盾构掘进施工的安全和质量。

参考文献

[1]徐加文.软弱地层盾构法隧道施工风险管控技术[J].四川建材,2022,48(01):110-113.

[2]吴发展,赵鸿鹏.城市地铁盾构隧道穿越软弱地层加固技术[J].内蒙古科技与经济,2023(01):116-118.

[3]欧兵.软弱地层浅覆土盾构始发与掘进关键技术[J].工程机械与维修,2021(04):210-211.