目前, 中国已建成崇明隧道、上海大连路隧道、扬州瘦西湖隧道、南京纬三路隧道等水下盾构隧道, 在盾构机直径、水土压力、里程长度及地层复杂程度等方面不断创造纪录。

福州市地铁2号线泥水盾构机穿越闽江施工是福州流塑淤泥质土层中首例泥水平衡盾构越江工程, 尚无可直接参考的经验。

盾构机掘进过程是盾构机与水土交互作用的过程, 刀盘周围部分土体受到动力作用, 而盾壳周围土体更多地受到静力作用。淤泥质土是一种典型的软土, 具有含水率高、孔隙率大、强度低等特征, 而福州广泛分布着淤泥质土层^[1,2]。

闽江过江通道工程所处地层以夹杂粗中砂、粉质黏土的淤泥质土为主, 地质条件十分复杂。水文地质勘察测得含泥粗中砂水位埋深为4.06～4.11m, 标高为3.420～3.870m。

福州市地铁2号线穿越闽江段地层以流塑淤泥质土为主, 淤泥质土强度非常低, 标准贯入度仅为2.4, 地基承载力为55kPa, 快剪试验测得黏聚力为21.1kPa, 内摩擦角为2.1°。该地区淤泥质土振动次数越多动强度越低, 动黏聚力为0.3～4.0kPa, 动内摩擦角为7°～10°。

1) 淤泥质土中间夹杂含泥粗中砂、含粗砂粉质黏土, 盾构切口泥水压力设置困难。如果切口压力值设置过大可能击穿江底, 如果设置过小容易造成开挖面塌方。

2) 地层以淤泥质土为主, 标准贯入度为2.4, 呈流塑状态, 掘进过程中盾构机重心靠前, 十分容易出现栽头现象。

水土合算将土与土孔隙中的水视为一体, 适用于不透水及弱透水粉质黏土、粉土和黏土及流塑状淤泥^[3]。

在盾构掘进施工中, 以静止土压力和主动土压力作为切口环泥水压力上下限值, 控制掌子面前方土体的稳定性, 防止施工期间地面沉隆变化过大。在地层性能不易改良的前提下, 增加泥水容重、提高浆液黏性指标是阻止劈裂发展的控制手段^[4]。在冲刷槽区段处, 采用高密度、高黏度的浆液, 防止过量泥浆渗入地层。施工过程中必须根据实际监测数据和工程地质条件、水文地质条件、盾构机埋深姿态等进行综合分析及调整。

泥水压力过大时可能击穿地层, 特别是在砂层或夹砂的地层中;泥水压力过小会造成掌子面土体发生一定程度塌落, 使建筑空隙变大, 增加管片上浮的可能性。

泥水压力上限值为:

式中:P_上为泥水压力上限值 (kPa) ;P₁为地下水压力 (kPa) ;P₂为静止土压力 (kPa) ;P₃为变动土压力 (kPa) , 一般取20kPa;γ_w为水的容重 (kN/m³) ;h为地下水位以下的隧道埋深 (算至隧道中心, m) ;K₀为静止土压力系数;γ为土的容重 (kN/m³) ;H为隧道埋深 (算至隧道中心, m) 。

泥水压力下限值为:

式中:P_下为泥水压力下限值 (kPa) ;P'₂为主动土压力 (k Pa) ;K_a为主动土压力系数;C_u为土黏聚力 (kPa) 。

在泥水盾构过江施工时, 切口环处的泥浆压力需平衡掌子面处的水土压力, 实现动态平衡过程。

以水土合算方式计算泥水压力时, 覆土厚度和水位线位置是决定切口环泥水压力的关键因素。地层性质决定黏聚力、内摩擦角及泊松比的取值, 进而影响泥水压力取值。在地层埋深和水位线一定的情况下, 分析掌子面前方土层性质对切口压力值的影响。970～1 070环掌子面土层参数如表1所示。

假定隧道掌子面为单一土层, 土层为淤泥质土、粗中砂或粉质黏土, 计算得到盾构刀盘中心泥水压力值如图1所示。由图1可知, 淤泥质土掌子面和粉质黏土掌子面水土压力相差0.05MPa左右。

将上软地层的静止水土压力值设定为切口压力值以防止地层击穿, 泥水压力设定值和建议值如表2所示。地质勘察孔的采样间距为20～40m, 地层性质和地层范围划定存在着不确定性。掘进过程中需密切关注出渣土量的变化, 如果排渣量超过理论出渣量的5%, 应分析切口环泥水压力是否设置较小;如果地表被击穿, 应分析泥水压力设置过大的原因。当复合式泥水盾构机停机保压时, 通过分析盾构机气泡仓液位波动情况及时调整泥水压力值。

盾构机刀盘直径6.48m, 安装管片长1.2m, 每环推进油缸行程为1.75m, 便于安装管片的楔形块, 理论出渣量为39.6m³, 970～1 070环的单环送排泥流量差值为39.5～41.9m³, 验证了泥水压力设定值的合理性。

在淤泥、淤泥质土、粉土等软土中施工时, 盾构机易发生栽头现象。应用ROBTEC测量系统能实时对比盾构机当前水平、垂直位置与设计线路位置的偏差。盾构机掘进过程是不断纠偏的过程, 盾构机主体偏差控制在±50mm, 以保证建成的隧道位置在规范允许范围内。在地层条件一定的情况下, 盾构机姿态调整主要考虑分区压力及铰接系统参数设置。

在盾构机支撑环前方装配32根推进油缸, 每2根为1组, 共分16组, 按不同方位布置为4个分区, 单根推进油缸推力为1 300kN, 总推力达41 600kN, 如图2所示。盾构机上下区压控制盾构机的俯仰, 推进油缸压力设定如图3所示。

在推进油缸上区及下区千斤顶合力作用下将产生纠偏扭矩, 其为纠正盾构姿态的关键。当纠偏扭矩足够抵消盾构重力力矩、泥水仓重力力矩、上下部土压力力矩、盾构摩擦力力矩、作用于盾构刀盘力矩时, 可保持盾构机沿设计线路掘进;当纠偏扭矩大于上述合力矩时, 盾构机头呈一定仰角姿态^[5,6]。

数据处理后发现盾构机俯仰纠偏扭矩与角加速度有很好的相关性, 如图4所示。

前端、铰接、盾尾是盾构机姿态控制的3个关键位置, 图5所示为泥水盾构机在江底掘进400～600环时实际姿态值与设置值的偏差。无论水平还是垂直姿态, 盾构机都在做典型蛇行运动。

盾构机重心一般靠近前端, 垂直姿态控制难度明显高于水平姿态。对于盾构机易出现的栽头现象, 通过加大下区压力、将盾构趋势控制在3‰～5.5‰加以避免。

盾构机姿态纠偏过程需考虑已拼装管片姿态, 使盾构机随着管片方向运动, 否则易出现卡尾现象。通过盾构趋势反馈调整分区压力, 盾构机水平及垂直姿态得到较好控制。当掘进至400～600环时, 盾构机易出现下沉和栽头现象;当掘进至500～600环时, 加大盾构趋势至5.5‰～10‰, 可抵消因地层承载力不足引起的栽头现象。

1) 过江隧道穿过地层以流塑状淤泥地层为主时掌子面水土压力采用合算的方式。在江底冲刷槽及含砂夹层地段优选高密度、高黏度的泥浆浆液, 防止过量泥浆渗透进地层。粗中砂或粉质黏土在上、淤泥质土在下的地层中泥水压力设定以控制上部地层稳定不击穿为目标。同时, 时刻关注出渣情况及盾构掘进参数, 及时分析地层变化, 调整切口环泥水压力设定值。970～1 070环的单环送排泥流量差值为39.5～41.9m³, 超挖量控制在6%以内, 验证了泥水压力设定值的合理性。

2) 针对淤泥质地层的强度及变形特征, 采用设定推进油缸分区压力保证盾构机的俯仰姿态。参照理论设定推进油缸分区压力, 使盾构机水平偏差控制在±50mm, 垂直偏差控制在±100mm, 顺利通过江底流塑性淤泥地层。