0 引言

　　盾构法施工在地铁和隧道建设中应用越来越多，尤其是土压平衡盾构在隧道中的应用越来越广泛^[1]。对于其在软弱土层中的掘进研究方面，张恒等^[2]通过数值模拟和现场监测，对影响地表沉降的掘进参数进行了模拟分析，计算结果表明，地表下沉与盾构掘进参数密切相关;丁智等^[3]对软土区双线盾构施工引起的地表变形规律进行分析，发现单环排土量与盾尾注浆压力的比值与地表最终沉降之间呈现较好的正相关性。张润峰等^[4]认为盾构刀盘回转方向与土仓压力具有一定相关性。魏纲等^[5]提出多因素作用下，改进统一土体移动模型的方法，并建立了力学计算模型。

　　土压平衡盾构机在软弱土层中掘进时，需进行各参数间的协调，采取必要的控制技术、辅助工法等措施解决长距离隧道施工轴线控制、管片上浮破损、盾构机栽头、沉降控制等问题，并且保证掘进按期顺利完成。以往研究多以某一参数为切入点，参数间相互联系弱，缺乏系统研究。本文以某供水管道工程土压平衡盾构施工为背景，基于测试数据，结合盾构控制技术与施工参数开展深入、系统研究，研究成果可作为盾构施工参考。

　　1 工程概况

　　杭州市大毛坞至仁和大道供水管道工程某标段区间全长3.3km。土压平衡盾构施工过程中穿越地层主要为全断面软土层(62.9%)、风化岩层(21.7%)、软硬不均土层(8.2%)、上软下硬土层(7.2%)。

　　该区间场地内地层由上至下分布有薄厚不均的粉质黏土、淤泥、淤泥质粉质黏土。隧道主要穿越淤泥质粉质黏土地层，该层呈灰色，流塑状，土面有油脂光泽，无摇震反应，干强度及韧性高，具有较强的结构性及压缩性。地质断面如图1所示。

　　

　　图1 盾构掘进地质断面(单位:m) 

　　 

　　场地内潜水面埋深0.300～5.000m，高程0.100～2.500m。水位年变幅约为1m，各土层性质如表1所示。

　　  

　　表1 主要土层物理力学指标  

　　 

　　 

　　

　　本工程区间线路较长，对刀盘刀具耐磨性及重量要求高。同时，该软土层压缩性大，抗剪强度低，盾构姿态控制、沉降控制难度大。此外，盾构下穿西溪湿地池塘、高压天然气管线及诸多临近建(构)筑物，风险源多。如何保证盾构机在软弱土层中安全掘进，各参数间的协调配合与技术控制是难点。

　　2 软弱土层中盾构掘进控制技术

　　2.1 掘进控制措施

　　本盾构区间掘进主要在全断面软土中掘进，易发生盾构机栽头、管片上浮破损，刀盘土仓易结泥饼等问题。为保证盾构机在淤泥质软弱土层中安全掘进，避免沉降、姿态偏差过大，在掘进过程采取以下技术措施。

　　1)为控制盾构机水平和垂直偏差，避免盾构机蛇形量过大造成对地层的扰动，盾构机的掘进速度应控制在30～40mm/min，刀盘转速1.5r/min左右。且每日保证一定掘进量，避免掘进停止及盾构长时间停机。

　　2)淤泥质地层注意渣土改良的效果，根据实际情况，注入泡沫增加土体的和易性和流动性，保持盾构机出土顺畅。建立土压平衡，使盾构机在淤泥质地层得以顺利掘进。

　　3)严格控制同步注浆、二次注浆量，保证管片背后的间隙得到有效填充。在卵石、圆砾中施工时，由于孔隙较大，同步注浆压注量应控制在建筑孔隙的180%左右，同时根据监测数据的反馈加以适当调节。

　　4)为抵消拼装管片时盾构机刀头下沉影响，应始终控制刀头在盾构机设计轴线的正上方，使得盾构机刀头下沉后正好接近设计轴线，同时盾构机推进过程中禁止在此淤泥地质中长时间停留。

　　5)为防止盾构机因重心靠前造成栽头，特预备10t“压仓铁”备用，在需要时可立即调整盾体重心，消除栽头现象。

　　2.2 姿态控制技术

　　盾构掘进施工中，需要盾构的开挖轨迹与隧道设计轴线相对一致。若掘进与隧道设计轴线位置偏差超限，就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小，使管片局部受力恶化，管片破损。

　　本工程区间采用激光导向系统测量盾构坐标和位置，盾构推进机构包括16个推进油缸和推进液压阀组。推进油缸按照在圆周上的区域可任意成组，每个油缸可单独进行流量、压力控制。在曲线段施工时，通过分区操作盾构推进油缸控制掘进方向。为使盾构沿正确方向开挖，可单独或任意分组，调整油缸的压力，油缸也可以单独控制。

　　当盾构处于水平线路掘进时，应使盾构保持稍向上的掘进姿态，以纠正盾构因自重而产生的栽头现象。

　　通过调整每组油缸的推进速度、压力，对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。

　　本项目中将全部推进油缸分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4个区域(见图2a)。当盾构机发生上仰偏斜时，可以适当增大Ⅰ，Ⅱ区油缸压力;当发生左下偏斜时，可适当增大Ⅲ区油缸压力，并适当减小Ⅰ区油缸压力。同时结合导向系统反馈(见图2b)，以达到调节推进方向的目的。

　　在曲线地段(包括平面曲线和竖向曲线)施工时，对推进油缸实行分区操作兼使用铰接油缸，使盾构机按预期方向进行调向运动，如表2所示。

　　

　　图2 推进油缸 

　　 

　　  

　　表2 油缸工作调节 

　　 

　　 

　　

　　注:△表示油缸工作，▲表示增大油缸推力

　　2.3 地表沉降监测

　　本区间地表监测点布置如图3所示，横向以地表隧道中心线为中心布点，依次以2.5,3.5,5,5m间距对称布点。纵向布置以区间始发段和接收段100m范围进行加密监测，每10m布设1个监测点，其余地段每20m布设1个监测断面。已设断面点孔埋设于原状土中，埋设深度10cm。

　　

　　图3 监测点布置 

　　 

　　在监测过程中，一旦数据超过警戒值70%，监测部门应进行预警，同时加强相应沉降控制措施，以避免沉降的进一步发展。

　　对于地面监测点布设，在不受人为活动干扰区域，直接将钢筋植入原土层中，定时监测;对道路、广场等地面硬化区域，需用水钻开取直径150mm小孔，将地面硬壳破除后，再将钢筋植入原土层中，其顶部低于地面5cm，以防止过往车辆的碾压，并对监测点进行保护。

　　3 盾构掘进参数

　　本区间内地基土层较弱，场地内淤泥质土及淤泥质黏土层厚度较大，因此，盾构机全程采用土压平衡模式掘进。在土压平衡工况掘进时，土仓内泥土压力与作业面的土压力和水压力相抗衡，与此同时，螺旋式输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，始终维持开挖土量与排土量相平衡，以保持正面土体稳定，并防止地下水土流失引起地表沉降过大。同时严格控制好盾构机的姿态、土仓压力、刀盘扭矩、掘进速度、注浆压力等主要参数。

　　3.1 平衡压力设定原则

　　土仓压力应能与地层土压力和静水压力相抗衡，在地层掘进过程中根据地质和沉降监测信息进行调整优化。调整措施如表3所示。

　　  

　　表3 沉降调节措施 

　　 

　　 

　　

　　盾构在掘进施工中将参照理论计算结合盾构智能化辅助决策系统预测的方法来计算平衡压力设定值，土仓平衡压力设定值近似等于开挖面前方理论土压力P，即

　　

　　 

　　式中:P为理论土压力(k N/m²);γ_i为第i层土重度(kN/m³);h_i为第i层土覆土厚度(m)。

　　3.2 刀盘扭矩

　　盾构掘进中需克服6种阻力矩:刀具切削土体所需的力矩T₁;刀盘正面的摩擦力矩T₂;刀盘周边的摩擦力矩T₃;刀盘开口处切削渣土所需力矩T₄;刀盘自重引起的抵抗旋转所需力矩T₅;刀盘在密封仓内搅拌渣土所需力矩T₆^[6]。刀盘的总扭矩为:

　　

　　 

　　选取本段0～200环的刀盘扭矩记录值(见图4)，可以看出盾构机在推进过程中参数较为平稳，控制较为良好。在淤泥质黏土地层中刀盘扭矩波动较大，平均扭矩维持在450～500kN·m。

　　

　　图4 刀盘扭矩 

　　 

　　3.3 推进出土量控制

　　出土量的控制是盾构机在土压平衡工况模式下工作时的关键技术之一。螺旋输送机的排土量Q_s由螺旋输送机的转速来决定，即

　　

　　 

　　式中:V_s为每转1周的理论排土量(m³/r);N为转速(r/环);Q_s为排土量(m³/环)。引入排土率的概念，如式(4)～式(5):

　　

　　 

　　式中:K为排土率;Q₀为每环切土量(m³/环);A为切削断面面积(m²);T为切削厚度(m/环);O为松散系数。

　　理论上，K等于1或接近1，此时渣土处于良好的流塑状态。然而当渣土处于干硬状态时，因摩擦阻力大，实际排土量将小于理论排土量，则必须依靠增大转速来增大实际出土量，以使之接近Q₀。这时Q₀>Q_s,K<1，会使得土压增大。反之，当渣土柔软而富有流动性时，K>1，会使得土压减小。而渣土的排出量必须与掘进的挖掘量相匹配，使K值趋近于1以获得稳定而合适的支撑压力值，使掘进机工作处于最佳状态。本盾构区间每环出土量控制为45～50m³/环。当通过调节螺旋输送机的转速仍不能达到理想的出土状态时，可通过改良渣土的流塑状态来调整。采用的添加剂种类主要是泡沫或膨润土。

　　3.4 盾构掘进中渣土改良

　　为了使渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦阻力，可通过盾构配置的外加剂系统向刀盘前面、土仓及螺旋输送机内注入添加剂，如泡沫、膨润土或聚合物等材料可取得良好效果^[7]，利用刀盘、土仓搅拌装置及螺旋输送机旋转搅拌，使添加剂与土渣充分混合，达到稳定土压平衡的作用。

　　渣土改良过程以改良剂添加比为参数控制改良效果，其计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:FIR为改良剂添加比;V_f为改良剂的体积;V_s为未改良渣土的体积。

　　1)泡沫

　　泡沫适用于砂性土及黏性土层，使渣土具有良好的流塑性。同时，泡沫的加入可以起到防水作用，防止盾构发生喷涌和突水事故。但由于泡沫的用量和价格都较高，所以只有在加泥不满足要求及发生喷涌、突水的情况下才使用。当泡沫注入后，可将螺旋输送机回缩，控制好盾构推力，将盾构刀盘进行空转，使泡沫与土仓内的渣土充分拌合，使泡沫剂在改善渣土性状和止水方面发挥最大功效。根据本区间经验，当稀释液浓度为3%，发泡倍率为9，泡沫添加比为20%～25%时，隧道开挖面稳定，渣土运输顺畅，土压稳定在控制范围内，渣土改良效果较好。

　　2)膨润土

　　膨润土适用于透水性高的土体，在高透水性土体中膨润土泥浆较易渗入，并形成具有气密性的泥模，可有效改善渣土喷涌，有利于盾构掘进。膨润土系统主要包括膨润土箱、膨润土泵、气动膨润土管路控制阀及连接管路。有时将膨润土系统与泡沫系统共用一套注入管路。需要注入膨润土时，膨润土被膨润土泵沿管路向前泵至盾体内，根据需要，将膨润土加入到开挖室、泥土仓或螺旋输送机中。本区间掘进至卵石层，因其具有高透水性，开挖面不稳定，根据经验，采用15%～20%添加比膨润土进行渣土改良。

　　3)聚合物

　　主要是利用聚合物本身高析水性能，使渣土产生塑性，用于防止喷涌发生。在高压富水地层中防止渣、水喷涌效果较明显。

　　3.5 同步注浆及二次注浆

　　针对淤泥质软土地层特点，确定同步注浆配合比如表4所示，并根据实际施工情况对浆液配比进行调整，同步注浆采用注浆量及注浆压力双控^[8]。

　　  

　　表4 同步注浆材料配合比(kg·m^-3) 

　　 

　　 

　　

　　注浆量应能保证使管片空隙充填密实且具有一定的和易性和流动性，同时可适当增加速凝剂，减少浆液的初凝时间。每环压浆量一般为建筑空隙的130%～180%，本区间管片与土体间的空隙约为3.34m³，则每推进1环同步注浆量为4.34～6.01 m³，实际注浆量根据监测数据调整。

　　注浆压力在注浆孔处水土压力的基础上适当提高0.1～0.2MPa，且不会压坏管片，避免浆液进入土仓，同时保证地面的隆陷值在允许范围内(+10～-30mm)。注浆完毕及时清洗管路。

　　二次注浆一般采用单液浆或双液浆，注浆压力一般为0.25MPa，不应超过0.40MPa。施工中应根据实际情况及沉降监测数据反馈信息调整浆液配比、二次注浆压力，以达到控制沉降、提高管片抗渗性能的目的。

　　4 盾构掘进效果分析

　　本区间进发段即为典型全断面淤泥质粉质黏土层，初始掘进螺旋机有堵塞现象，经渣土改良后土压保持在一相对稳定区间，出土顺畅，渣土改良前后效果如图5所示。

　　

　　图5 渣土改良 

　　 

　　选取50环某一断面，经计算其理论土仓压力约为130kPa。具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况及监测数据进行不断调整。其中0～200环土压力值如图6所示。

　　

　　图6 土仓压力 

　　 

　　由图6可知，盾构机在淤泥质黏土层中掘进土压力值多在120～170kPa，与理论值相符。同时选取0～200环监测点，得到地表沉降值，如图7所示。

　　

　　图7 地表沉降 

　　 

　　由图7可以看出，掘进过程中，经过初始试掘调整及渣土改良后，地面沉降值控制在0～20mm，未超过限值。土仓压力值与地表沉降值在盾构掘进过程中处于平稳变化，反映出盾构在淤泥质软弱土层中掘进，各参数控制、渣土改良的配合比较为合理。

　　5 结语

　　本文以杭州市大毛坞至仁和大道供水管道工程某标段区间土压平衡盾构施工为背景，针对土压平衡盾构机在淤泥质软弱土层掘进中的施工参数及控制措施进行研究，得到如下结论。

　　1)盾构在掘进过程中需保证各掘进参数的协调，当刀盘扭矩、掘进速度、出土量和注浆量分别控制在450～500kN·m,30～40mm/min,45～50m³/环，4.34～6.01m³/环，能够使土压平衡盾构较好地适应在软弱土层中掘进。

　　2)盾构掘进过程中土仓压力保持为120～170kPa，排土率保持在1左右时，开挖面获得稳定而合适的支撑压力，使掘进机工作处于最佳状态。

　　3)本区段同步注浆采用的膨润土与水质量比为1∶8，每环的压浆量一般为建筑空隙的130%～180%，二次注浆压力一般为0.25MPa，不应超过0.40MPa。

　　4)本区间主要采用泡沫进行渣土改良，当稀释液浓度为3%，发泡倍率为9，泡沫添加比为20%～25%时，隧道开挖面稳定，渣土运输顺畅，土压稳定在控制范围内，渣土改良效果较好。

　　5)盾构掘进过程中须严格控制掘进姿态，做好地表监测，确保盾构顺利掘进，沉降控制在合理范围内。