0 引言

　　盾构法施工因其具有地面影响小、机械化程度高、安全、工人劳动强度低、进度快等特点被广泛应用^[1]。也因其广泛的适用性而产生了特定工况下的施工技术问题，如地层不同^[2,3,4]，隧道埋深^[5,6]，对周边和既有结构的影响^[5,7,8]及盾构形状、大小等^[9,10]。

　　田瑞忠^[4]研究了盾构穿越粉砂、粉土液化地层施工技术，盾构在穿越粉砂、粉土液化地层时容易产生过大的地面沉降。杨友彬等^[3]研究了在泥炭质土地区下穿条形基础建筑群，并阐述了沉降控制措施。虽然目前对于粉土和黏土地层的盾构施工技术已有大量研究，但大部分是高含水的软弱粉土和黏土地层。程池浩等^[11]以武汉地铁6号线20标老黏土地层盾构区间为依托，发现该地层中易在刀盘上产生“泥饼”和“糊刀”现象。而印度德里CC126项目，地层以高标贯击数的粉土和黏土为主，无水地层，选用大开孔率的土岩复合地层土压平衡盾构机，左线推进时刀盘上并未有明显的“泥饼”和“糊刀”现象，但却遇到了推力增大、姿态偏离的问题。本文针对此现象，结合以往实践经验和理论分析，对可能原因进行排查，确定了发生该现象的原因，在右线盾构施工时采取了相应措施以解决此问题，实践证明措施行之有效，对以后同类土层的盾构施工具有很好的指导意义。

　　1 工程概况

　　1.1 项目简介

　　CC126项目属于德里地铁三期延长段，隧道区间由左右线和1个联络通道组成，左线起讫里程DK4+850.303—DK4+144.536，长705.767m，右线起讫里程DK4+838.850—DK4+138.645，长700.205m，区间平曲线最小转弯半径422m，最大纵坡0.456%。隧道平均覆土深度为13m，采用土岩复合土压平衡盾构机施工，整条线穿越密集的居民区。通长隧道为圆形断面，管片外径6.35m，内径5.8m，管片宽度1.4m，错缝拼装，同步注浆采用水泥浆和水玻璃双液浆。

　　1.2 水文地质条件

　　该地区主要位于印度恒河支流亚穆纳河冲积土形成的盆地区域，项目所在地隧道区间地层主要有回填土、砂土、粉土和黏土，兼有少许风化碎石组成，具体土层分类及物理力学参数如表1所示。根据区域水文地质资料和钻孔资料显示，上层填土滞水，但分布不均，且富水性差，下部土层主要为孔隙水，主要分布于粉土和黏土中，富水性中等，底部基岩存在裂隙水，属于弱承压水。常年地下水位位于地面以下19～21m，盾构隧道底部以下1m。

　　2 推力增大控制

　　2.1 问题描述

　　左线区间，盾构机平均推力为15 000～32 000k N，如图1所示。第1～200环推力基本为12 000～20 000k N，刀盘扭矩为1 000～1 500k N·m，刀盘转速为1.5～2.0r/min;第200～300环，推力持续增大，从20 000k N之后逐渐增大至32 000k N，刀盘扭矩减小为100～800k N·m，此时刀盘转速为2r/min;第300～500环推力开始逐渐减小，最后在20 000k N左右波动，刀盘扭矩在1 500k N·m左右波动，此时刀盘转速控制为2r/min。

　　

　　图1 盾构机推力值  

　　 

　　刀盘中部土压平均控制在0.04～0.05MPa，上部初始土压控制为0MPa，盾构机基本保持半仓推进，推进速度从最大35mm/min最后降至10mm/min以内，盾构机在200～300环区间推进困难，如图2所示。

　　

　　图2 盾构推进速度 

　　 

　　盾构机在推进过程中的推力增大，导致其行进困难，且已成型的管片在推进油缸的作用下容易破碎，造成了较大的质量问题。若通过降低推进速度来减小推力，又会导致进度严重滞后。

　　2.2 影响因素分析

　　  

　　表1 主要土层物理力学参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 主要土层物理力学参数

　　推力主要与地层土性质有关，一般情况下，盾构机盾体与周围地层土体的摩擦力，可以达到总推力的2/3左右。理论计算得到的最大推力为20 000k N，对于推力从20 000k N增大到32 000k N的产生原因分析如下。

　　2.2.1 盾体包浆

　　在推进过程中，理论同步注浆量为5.5m³/环。初始推进时，考虑到地层土体的渗透性，实际注浆量考虑了1.1～1.2的增大系数，每环注浆量在6～6.5m³，平均每环注浆量比理论注浆量多出了0.5 m³，注浆压力平均0.2MPa。由于地层土体渗透性很小，多余浆液会在注浆压力作用下溢流到盾体与周围土体的空隙中去，导致浆液留滞在盾壳上，形成一层包裹膜，导致盾体与土层的间隙逐渐减小，而摩擦力逐渐变大，甚至越积越厚，使盾体外部侵入未开挖的土体中，从而导致盾构的推进从克服摩擦力转变为剪切破坏土体，推力显著增大。

　　2.2.2 开挖直径变小

　　该地层采用土岩复合地层盾构机，刀盘上安装有刮刀、齿刀及圆弧刮刀，并在周边安装了10把17寸的滚刀。推进过程中，可能由于周边刀具磨损减小了开挖面直径，从而导致盾体周边空隙变小，摩擦力增大，继而推力增大。但后经开仓查刀，发现刀具没有磨损，排除了此因素的影响。

　　2.2.3 结泥饼

　　地层中黏性土体黏聚力大，有造成刀盘结泥饼的可能性，故采用泡沫加水的渣土改良方式。在渣土改良中，泡沫浓度始终控制在1.7%～2%，粉土和黏土改良效果较好，如图3所示。

　　

　　图3 渣土改良效果  

　　 

　　开仓检查如图4所示:图4a显示掌子面上有刮刀运行轨迹，说明该土体强度高;图4b显示刀盘开口未被封堵，处于正常工作状态，且盾构机扭矩基本在1 000～2 000 k N·m正常范围内波动，对推力增大的影响不大，故排除刀盘结泥饼的影响。

　　2.2.4 铰接系统

　　在推进转弯过程中，为了调整盾构机轴线，使用了铰接油缸系统，有2～4cm的行程差。后来尝试缩回铰接，发现其对推力的影响不是很大，故排除铰接油缸的使用造成推力增大的判断。

　　

　　图4 开仓刀盘情况  

　　 

　　2.3 处理措施及效果

　　对于以上4点原因，通过推进过程中的不断验证，最终判断盾构机推力增大主要是由于盾体包浆的影响。针对此问题，采取了以下措施。

　　1)为了防止进一步包浆，减少了每环同步注浆量，控制在5.5～6m³/环，而二次补浆控制在盾尾10环以外，确保浆液不会流入盾体掘进区域。

　　2)在中盾处连接膨润土管，推进过程中每环连续向盾壳外注入1.5～2m³膨润土，形成1层黏膜并产生润滑作用，从而减少浆液的黏附性和与土体之间的摩擦力。

　　3)针对不同地层控制注浆量。在砂土地层，由于其渗透性比较大，注浆损耗系数控制在1.1，在粉土和黏土地层，由于其渗透性很小，按理论注浆量同步注浆。

　　左线隧道因推力增大的问题，导致工期滞后1个月。在盾构机接收时，发现盾构机盾体包浆严重(见图5a)，盾体腰部至顶部包浆厚度达到10cm;而理论上盾构机推进过程中形成的盾体空隙为2.5～6.5cm，可见推进时盾体侵入了未开挖土体中，从而验证了盾体包浆致使盾构推力增大的判断。

　　

　　图5 盾体包浆情况  

　　 

　　右线推进中采取以上措施以控制盾构推力，仅历时2个半月便全线贯通，工效得到了大幅提高。整个过程中，盾构推力一直维持在25 000k N以下，特别是在与左线同样的高标贯击数粉土和黏土地层中平均推进速度可以达到30mm/min。在盾构机接收时，虽发现盾体上有少许的包浆现象，但平均厚度只有2cm(见图5b)，从而验证了以上措施对处理盾构机盾体包浆的有效性。

　　2.4 推力增大理论分析

　　盾体被浆液包裹后的平均直径接近6.9m，而刀盘开挖直径只有6.73m，故被浆液包裹的盾体向前推进时必须剪切破坏未被开挖的土体，分析时认为这部分阻力和因盾体直接增大而增加的摩擦力是造成盾构机推力增大的主要因素。

　　按实际推进情况，盾构机在处于高标贯去数的黏性土地层中产生的推力最大，取盾体土体平均重度γ=19k N/m³，黏聚力c=240k Pa，内摩擦角φ=5°，覆土平均深度h=13m，隧道中心线约为地下H=15.9m，且位于含水层以上。假设地面均布荷载P_C为50k Pa，故产生的平均竖向有效应力为:σ=γH+P_C=352kPa。

　　包裹浆液的凝固强度远大于土体抗剪强度，根据库仑公式，按极限应力状态进行分析，得未被开挖土体的抗剪强度为τ=c+σtanφ=271k Pa。

　　假设土体是环向整体破坏，破坏深度取刀盘扰动深度，即刀盘长度l的1.5倍，约为1.5m，则土体破坏的环向面积A=πDl=32.5m²。故剪切破坏未被开挖土体的阻力ΔF₁=τA=8 808k N。

　　由于盾体浆液包裹覆盖，直径变大，其摩擦面也会增大，故产生的摩擦力也会增大，增大的推力值ΔF₂约为:

　　

　　 

　　式中:μ为摩擦系数，取0.3;L为盾构机长度;P_e为盾构上部竖向压力;P₁为盾构上部水平土压力;P₂为隧道下部水平土压力;P_f为盾下底部竖向压力。

　　故增加的总推力值F为:

　　

　　 

　　所以总共增大的阻力约为9 200k N，与推力从20 000k N增大到32 000k N的实际情况基本吻合，说明按此假设计算因包浆而增加的总推力值是行之有效的。

　　3 盾体包浆下的姿态控制

　　3.1 问题描述

　　在软黏土和松散砂土地层中，轴线控制包括管片的选型和推进油缸分区油压的控制，转弯过程中辅助铰接系统，保证每环的超前量，其轴线控制较为容易。但粉土和黏土地层盾体包浆的情况下，因盾体周围没有足够空隙而无法自由进行姿态调整，轴线控制相对困难。特别是在爬坡阶段，隧道轴线在第200～300环坡度为0.456%，盾构机盾尾偏离轴线120mm，头部偏离轴线60mm，若不采取有效措施会导致后期地铁运营的设备侵限问题。

　　3.2 处理措施及效果

　　1)管片纠偏

　　控制管片的选型，在保证管片与盾尾间隙的条件下，控制好每环管片保持足够的下超量，每环下超量控制在5～6cm，让管片一直有向上走的趋势。

　　2)防止已成型管片下沉

　　在已成型的管片底部进行壁后注浆，让管片底部空隙填满，防止管片下沉和盾构机盾尾继续偏离设计轴线。

　　3)分区油压控制

　　在推进过程中保证盾构机底部推进油缸区域油压大于上部区域油压6～8MPa，不宜过大，以保证盾构机推进有一定的速度，左右区域油压按照实际平曲线姿态适度实时调整。

　　4)安装刀盘外周滚刀

　　该盾构机之前用于土岩复合地层，采用锥形盾体设计(见图6)，在刀盘外周安装了10把17寸的滚刀，如图7所示，从而增加了刀盘的开挖直径，扩大了盾体活动空间，有利于盾构机在低压缩性黏土中姿态纠偏。

　　

　　图6 锥形盾体设计尺寸  

　　 

　　

　　图7 刀盘外周滚刀情况 

　　 

　　5)保证土仓压力

　　由于之前土仓一直是半仓，上部土压力为0MPa，建立了土仓的上部压力，控制在0.02～0.03MPa。

　　采取上述措施后，特别是土仓建立了上部土压和增加外周滚刀的措施，后续推进过程中盾尾接近设计轴线的趋势特别明显。最终盾构机在爬坡阶段姿态得到了及时控制。

　　4 结语

　　1)高标贯击数粉土和黏土地层中盾构机盾体与地层的摩擦力大，同时由于其渗透性小，浆液总量控制不当，极易溢流至盾体部分形成盾体包浆，从而导致盾构推进时推力大，速度慢。

　　2)经实践证明，按理论注浆量注浆，在盾尾10环外进行二次补浆，并在中盾处每环注入1.5～2m³的膨润土，可有效减弱该地层盾体包浆造成的推力增大问题。

　　3)该地层中增加的盾构推力估算可仅考虑前盾剪切破坏土体和因盾体包浆而增大的摩擦力。

　　4)对于盾体包浆下的姿态控制，可采取管片超前量纠偏、底部注浆防止已成型管片下沉、适时控制分区油压及保证土仓上部压力等措施。

　　5)在高标贯击数粉土和黏土地层中采用土岩复合地层锥形盾体设计的盾构机是适用的。增加刀盘外周滚刀，增大开挖直径的措施能有效对盾构机姿态进行纠偏。