张琪

（中交一公局集团厦门工程有限公司，福建厦门 361000）

0 引言

杭州地铁盾构施工处于极端软弱流塑土（其中，标准值＜5，流体指数＞1）的复杂环境中，容易产生上浮和管片姿态偏差，造成管片破损渗漏，水平收敛超限，盾构尾部变形大，沉降大，临近施工对既有盾构隧道产生严重的影响。

1 工程概况

“庆建区间”是杭州二号线庆菱路站到建国路站盾构区间的简称，它始于庆菱路站，穿过沪杭铁路，沿环城东路和凤起路，最终到达建国路站。沿线公路车流量巨大，隧道两侧建筑物密集，多层高楼林立，在凯旋路、庆春东路、凤起路等路段，地下管道数量众多，但通常埋深不超过4m。

区间隧道洞内的地层主要由6_2 淤泥质粉质黏土构成，而隧道底部的地层则由6_2 淤泥质粉质黏土、7_1 粉质黏土和8_1 粉质黏土组成。泥质地层具有“四高三低一长”的特征，其特征值小于5，液性指数大于1，属于极软流塑地层。盾构隧道所处地层主要物理力学参数如表1 所示。

表1 盾构隧道所处地层主要物理力学参数

庆建区间工况如表2 所示。

表2 庆建区间工况(以上行线为例)

2 盾构机在极软流塑地层施工的难题

2.1 盾构隧道施工上浮问题

盾构隧道施工期间，在100—170 环、215—246 环、299—325 环、354—372 环4 个部分，以粉质黏土为主。具体的上浮数据如图1 所示。

图1 停机状态下上行线部分盾构上浮数据

2.2 管片破损、渗漏

根据现场管片断裂的统计分析，发现断裂的部位多集中在弧面上，特别是隧道上部和后一环段的交界处，而在坑道中部B2 处的破坏程度比较低。

由于盾构机在上浮后，管片与盾构机的姿态吻合程度较低，无法很好地配合，致使在盾构机推进过程中，由于千斤顶无法垂直紧密地贴合管片，从而产生径向分力，造成管片开裂、断裂。

2.3 盾尾形变

在后期的施工中，盾尾形变不断增大，上下段的水平偏差分别为4.2cm 和3.8cm，盾尾的上浮和形变相互影响，给盾构机的姿态控制带来了困难。

3 极软流塑地层盾构隧道施工技术

3.1 掘进前控制技术

3.1.1 盾构设备选型

在软土层开挖中，盾构法通常被认为是性能较低的选择，因此在施工过程中应尽量避免使用该方法。在极软流塑地层中，选择合适的盾构设备至关重要，如果选择不当，将难以避免上述问题。

（1）刀盘及刀具

一般开盘时开口比例为50%或更高，中间开口比例可适当增大；为了便于刀片入地，降低盾构机的竖直姿态，宜选择具有大开口的辐条刀片；工具选择撕裂刀、切刀和刮刀，适合于软土挖掘。

（2）主机重心

在盾构隧道施工过程中，盾构机的中心位置、重心位置要尽量接近，重心要适当地向前倾斜。

（3）其他盾构系统

满足一般的土压平衡盾构性能要求。

3.1.2 掘进辅助措施

（1）增大重量，可产生向下分力

由于盾构机体较轻，重心与形心的偏差较大，容易导致上浮趋势。为了提高盾构机体的自重和向下的分力，应在盾构机体中心部位加入40～50t 的铅块，并通过调整重心的位置来减缓上浮的趋势。

（2）增加管片环间垫片

为了减小管片断裂概率，在环间增加了4mm 厚的石棉垫圈，以减小环和环管的刚性接触。同时，在盾构隧道施工过程中，采用了衬垫石棉板的方法，提高了管片的预应力。

（3）提前做好上浮地层预判

在施工过程中，要充分借鉴类似地质情况下的施工经验，对相应的地层上浮情况进行预测，并在施工前做好相应的准备。在盾构姿态难以控制的情况下，降低盾构机的竖直姿态，留出上浮的空间。

3.2 掘进中施工技术

3.2.1 掘进参数控制

（1）推力分配

增加千斤顶的上侧推力，降低下侧的推力，为盾构提供一个向下的分力。但是，为了减少成形隧道管片的应力集中和受力不均，应适当地控制上、下分段油压差，防止出现错台、渗漏等问题。

（2）同步注浆

为了确保泥浆的稠度，必须对同步灌浆浆料的配合比进行优化，并适当提高水泥、砂量。在开挖时，只需两段注浆管道同时进行注浆，以保证施工的均匀性，同时适当提高注浆量。特别是在小半径的平曲线施工中，使用硬质泥浆可以实现快速、稳定施工。

（3）姿态控制

在极软流塑地层中，盾构机的姿态应保持在-30mm 以内，并预留一定的上浮量，以防止盾构机的竖直姿态超出极限。盾构隧道施工的主要问题是盾构姿态的改变，如果有上浮的趋势，要及时调整上下分区的推力进行纠偏，并遵循“早纠、勤纠、勤复测”的原则。

3.2.2 掘进管理

每环盾构隧道施工分为两个阶段，每一个周期都要进行一次盾构姿态、盾尾间隙、管片的超前量测量，并依据实测数据进行后半环的施工。

3.3 掘进后控制措施

3.3.1 二次注浆

在纠偏时，为了减少管片的上浮，必须采用二次辅助注浆的方法，即对8—10 环段进行二次灌浆，以提高成形隧道管片的稳定性。

3.3.2 管片拼装

为了便于管片装配，宜适当增大每环的开挖长度，防止块体间隙不足，对相邻管片造成挤压，导致管片断裂。在装配时，要对第一个管片进行准确的定位，因为它的位置关系到其他块体的位置和拼缝宽度。在难以进行管片姿态控制的情况下，落下块体应比邻近的块体略低。第一个块体的拼装应该是平坦的，以避免块体拼装后形成喇叭状。

3.3.3 管片复紧

严格执行管片复紧制度，在完成一个环后，首先要对上一个环进行第一次复紧，复紧力必须大于管片的安装扭矩，并且必须小于400N。当第一个钻头钻到1m 左右（即将与盾尾分离）时，再次拉紧。

3.4 实施效果

虽然在庆建区间出现盾构姿态控制困难后，采取了一系列的措施，但总体效果并不显著。在杭州6 号线枫桦西路至之江海洋公园站区间和杭海9 号线等后续建设项目中，已经完成了盾构机的选型和相应的配套措施，基本上解决了盾构姿态控制问题。此外，还将盾尾姿态偏移最大值从+224mm 降至+100mm，使得杭州隧道的渗透系数由22.4%下降至6%，基本消除了杭州隧道横向收敛变形超限问题。

3.5 盾构上浮及管片破损开裂控制措施

3.5.1 掘进前控制措施

第一，盾构机重量增加，即提供一个向下的分力。在该工程中，在盾面中部加设一块20～30t 的配重铁块，在一定程度上加大了下斜力，从而延缓了盾构上浮。

第二，上超控制。根据施工的经验，为了防止上超产生的反作用力过大，在上侧的千斤顶上加了一个钢楔，以提高上侧的压力，这样才能在一定程度上保证盾构不会上浮。

第三，贴超控制。通常是通过衬垫石棉板来改善应力状态，增加缓冲阻力，从而降低管片断裂概率。

3.5.2 掘进中控制措施

第一，推力分布。是指采用某种方法来减少推力差，以减少管片局部压差，从而改善管片在施工中的性能。

第二，减小推力。上浮段的地质情况比较复杂，使得盾构机的施工姿态不能很好地适应，为了满足设计要求，必须先降低推力，然后再进行速度控制。为了提高纠偏效果，可以考虑采用其他方法，例如使用膨润土来减少阻力。

3.5.3 掘进后控制措施

第一，采用二次注浆法。在注浆过程中，将盾尾用环箍紧固，确保了管片的稳定性，减少了纠偏过程中管片的上浮现象。

第二，在拼装施工中，每环应留出充分的拼装空间，以确保装配质量和降低相邻管片的损坏。在装配中，要确保第一个管片的定位准确，以便确保下一个管片的定位精度。

3.6 管片开裂钢环加固措施

该项目钢环的宽度为800mm，环向划分为10 个，NO.1～NO.3 的长度为2000mm，NO.4～NO.10 的长度为1610mm，在纵向上分成两个宽度为400mm 的区块。加固应遵循下列原则：一是裂纹宽度超过0.3mm；二是管片有贯穿裂纹；三是管片错位超过20mm；四是横向会聚超过60mm；五是剥离深度超出保护层厚度时，会有钢筋暴露。

4 结论

第一，在极软流塑地层开展盾构隧道施工时，设备选型和掘进的管理尤为重要，特别是盾构主机、刀盘的选用和主机重心和形心的设置要慎重、适当；要建立高素质的盾构隧道施工队伍，实行管、养、修一体化管理；在施工过程中，要加强对盾尾的管理，例如盾尾检测、盾尾钢环加固等；增加尾喷口，提高尾喷口的密封性，降低尾喷口的渗漏；建议使用被动铰接盾尾间隙较大的盾构机，并适当增大调节裕度。

第二，管片装配质量对盾构姿态的控制和管片断裂的影响很大；在装配时，对成形隧道的椭圆曲率进行严格的控制。

第三，纠错要坚持“早纠、勤纠、勤复测”的原则，切勿操之过急。在纠正过程中，应坚持“护管片比保线形重要”的原则，在纠偏过程中，要尽可能地利用回转回路封住顶块的位置，以增大管片的超前量；在调整了盾构姿态和管片姿态之后，再考虑轴向问题，以防止管片连续破碎。

第四，在极软流塑地层进行盾构隧道施工时，必须加强横向收敛变形的实时监控，一旦发现横向收敛变形，应及时采取相应的防范措施。

第五，为了指导施工现场的横向收敛变形控制，防止钢环加固提高工程造价，必须对其进行横向收敛性分析。

第六，目前，在极软流塑地层进行盾构隧道施工时，对盾构机和管片的受力情况尚未完全了解，在此基础上，施工过程中的盾构姿态难以控制和管片开裂是否是隧道开挖过程中应力释放所致，目前还没有统一的理论模型。