改造盾构机及新型注浆材料对穿越软土层出现的问题及预防措施

改造盾构机及新型注浆材料对穿越软土层出现的问题及预防措施

李路

李路（江苏盛华工程监理咨询有限公司，江苏苏州215006）

摘要：本文结合苏州轨道交通2号线三医院站~火车站站盾构区间右线隧道，在施工中遇到软土层，并解决该地层出现的施工问题，为以后苏州轨道交通工程类似的地质条件提供了参考与借鉴。

关键词：盾构；轨道交通；软土层；准厚浆

1工程简述

苏州市广济路地下火三区间隧道分为左右线二条隧道，三医院站～火车站站区间右线从三医院站出发，沿广济路向北延伸右转穿越苏州火车站站场后，到达苏州火车站站。区间线路复杂，最小曲线半径为350m，最大坡度为26‰。穿越房屋多达130处。本区间第480~600环，圆曲线半径为410m，坡度为18.007‰，地面建筑物主要为一到二层贫民房。地面以下为人工填土，其下为晚更新世冲湖积相沉积层，区间钻探未见基岩。区间洞身通过的主要地层以④3粉土夹粉质粘土（埋深6.00～13.60m），④5层粉质粘土层（埋深12.20～21.50m），软塑为主，局部呈流塑。局部为④2（埋深4.50～11.50m），③2粉质粘土（埋深1.70～7.00m）。

2盾构设备情况

本区间使用的盾构机为日本小松公司配制的TM6340PSX土压平衡式盾构机，对盾构机进行了改造。盾构机改造后的主要性能指标如下：①盾构机刀盘配备了66把大先行刀、12把小先行刀、78把刮刀；②螺旋输送机增设1道防水匝门；③同步注浆泵改造为德国施维英注浆泵；④盾构密封3道，密封油脂为纳克牌。

3改良同步注浆及二次注浆浆液

为了更好的控制地面隆沉值，本区间同步注浆使用的是新型准厚浆液。

3.1原材料及配合比。新型改良浆液（准厚浆）原材料主要为消石灰（钙镁含量70.5%）、膨润土（膨胀率13.5ml/g钠基）、粉煤灰（Ⅱ级）、中细砂（细度模数1.6，含泥量4.2%，含水率3%~7%）、外加剂（减水）、水。

每方重量比（kg）：水：黄沙：粉煤灰：膨润土：石灰：外加剂=530：800：400：60：70：3。

3.2浆液性能指标。

浆液性能指标

3.3二次注浆。二次注浆浆液配合比：水：水玻璃=3：1（重量比）水泥浆水灰比=1：1（重量比）水泥浆：水玻璃=1：1（体积比）。

4地表沉降的原因与防治措施

4.1地表沉降的原因。本区间推进至第480~600环之间，盾构穿越土体明显发生了质变，该土层表现灰色，流动能力强。盾构在掘进到此处，土仓内的土体会自动流出，无需开启螺旋输送机，迫使土仓内的土压与外部土体土压无法达到平衡点，导致地面及建筑物出现沉降。该类土层埋深在17~21米左右。在该地层处，地面沉降值过大，主要表现为盾构前方土体出现沉降、盾身处沉降、管片脱离盾尾后沉降、后期累计沉降增大。经对该软土层引起地面沉降分析，得出以下结论：

（1）土体流失：①盾构工作面前方土体的挤入；②出土量过大；③盾构推进曲线造成土体损失；④盾构推进时切口环上的突缘引起超挖；⑤因盾构的推进引起土体孔隙水压力变化。（2）同步注浆量不足、流失：该土层土体空隙较大，前期试验段得出的注浆量无法满足软土层所需的注入量。主要表现为挤密周围土体，顺的盾壳流入推进土体前方。（3）推进速度过快：推进速度过快，前方土体扰动过大，导致地面下沉。（4）二次注浆不及时：二次注浆没有在管片拖出盾尾后及时进行注浆。

4.2减小地表沉降的防治措施。结合以上分析原因，根据以往施工经验，地表沉降量的大小主要与盾构机的推力，推进速度，注浆压力和注浆量有关系，本工程具体措施如下：①减少盾构推进土体流失：用土仓闸门控制出土量，自动出土模式改为人工出土模式。②提高土仓压力：在计算出的土仓压力的基础上增加土仓压力值。理论计算0.31MPa，调整后0.34MPa。③控制掘进速度：正常掘进速度为4~5cm/min,掘进此地层时速度控制在2~2.5cm/min。④增加同步注浆量：根据试验段得出的同步注浆量适当进行增加，本工程试验段注浆量为3.8m3，推进此地层时，调整为6m3。⑤跟踪二次注浆：正常施工二次注浆范围为盾尾脱出7环开始注入，盾尾脱出9环注完。推进此地层二次注浆范围为盾尾脱出4环开始注入，盾尾脱出6环注完。注浆量由原来得1.2m3调整到2m3。

4.3具体操作过程及达到的效果。施工情况简述：施工至第494环，盾尾出现了漏砂现象，大约1立方米，地面相对应的监测点沉降-15.1mm。立即增加了同步注浆量、二次注浆量、盾尾油脂量，在以后施工中，没有在出现漏砂现象，地面隆沉值在可控状态下。在推进至第535环时，穿越土层土体发生了变化，地面沉降较大，沉降累计值不断增大，沉降量难以控制。在盾构推进至第575环时，调整了推进速度与同步注浆量，地面沉降值没有达到较好的控制效果。继续分析原因，在掘进至第593环时，对施工参数再次做了调整，土仓压力由原来的0.31MPa，调整为0.34MPa，推进速度控制在2~3cm/min，同步注浆量逐渐增加至6m3，二次注浆量逐渐增至2m3。调整后对地面监测情况进行观察，地面隆沉均控制在±2mm范围内。

5管片错台原因分析与措施

5.1管片错台原因分析。本区间隧洞推进至第480环处，即在进入半径410m圆曲线段时，管片出现了错台现象。主要现象表现为：管片脱离盾尾后，立即出现错台、随着管片离盾尾的距离逐渐增大，错台量逐渐增大、错台主要分布在环与环之间。经过分析得出以下结论：①拼装作业不规范：管片拼装前盾尾杂物没有彻底清除；管片拼装时没有均布摆匀，螺栓较难穿插；管片拼装完成后螺栓没有及时上紧等不规范管片拼装作业，导致管片错台。②注浆控制不当：同步注浆与二次注浆不均匀，对管片造成较大的挤压，从而导致管片局部变形。③盾构机姿态与管片姿态关系控制不好：盾构机进入圆曲线，管片姿态没有跟上，导致盾尾间隙不均匀。迫使管片拖出盾尾产生变形。

5.2减少管片错台的措施。通过对管片错台原因进行分析，并总结了一套可以有效控制管片错台的管理办法，具体如下：

（1）规范管片安装程序。①拼装前首先应对盾尾杂物进行清理，如果有漏水现象必须补打盾尾油脂止水，在保证盾尾无杂物、无积水的情况下才能开始安装管片。②在管片拼装过程中，必须严格控制管片拼装的垂直度、整圆度、拧紧螺栓的扭矩以及在曲线地段和修正蛇行时楔形管片的拼装位置，防止接缝张开漏水。（2）加强同步注浆管理。①控制好同步注浆压力和注入量，均匀注入。②二次注浆时，控制好注浆压力和注入量，管片注入口处的注入压力一般是0．1～0．3MPa，避免单块管片受压力过大产生错台。

结语：盾构法隧道工程是一项综合性施工技术，通过多年不断摸索和实践己经形成了一套比较成熟的施工技术，在地铁建设中得到了广泛的应用。本文主要针对软土地层控制沉降措施、盾构常见问题处理办法，提出了一套比较成熟技术管理办法，在工程施工中取得了显著的成绩。希望类似工程得以借鉴。