盾构穿越泥炭土地层施工技术研究

盾构穿越泥炭土地层施工技术研究
摘要：泥炭土等软弱地层由于高压缩性、高触变性、低抗剪强度及低承载力，导致盾构姿态控制困难、地层变形量大，从而出现线路与设计线路偏差大、盾构机栽头、超挖、地表异常沉降等不良后果。

关键词：盾构；泥炭土；姿态控制；沉降控制
一、工程概况
深圳电网北环110KV电缆隧道Ⅱ标盾构隧道内径4.0m，外径4.6m，采用一台复合式土压平衡盾构机施工，盾构机从12#竖井二次始发后遭遇泥炭土地层，长度约110m，地层从上往下依次为：1-1素填土、2-1粉质粘土、2-2粉砂、3-1泥炭土、6-2b硬塑粘土，隧道纵坡为11.88‰上坡，隧道顶部埋深10.8～9.5m，泥炭土属于软土地层，具有高压缩性、高触变性、低抗剪强度及低承载力。

二、施工容易出现的问题
根据以往施工经验，在泥炭土等及软弱地层中进行盾构掘进容易出现盾构姿态控制困难、盾构机栽头、地表沉降等问题。

（一）盾构姿态控制困难
在本工程全风化花岗片麻岩及硬塑状粘土地层中均能够保证盾构机掘进过程中垂直及水平姿态控制在允许范围内（±50mm），在9～10号竖井区间42m长泥炭土地层掘进中出现了盾构机垂直姿态下沉至－70mm始终无法抬升至限值范围内，盾构机水平姿态变化速度极快多次超出允许偏差的情况，尤其是每次人工复测后导向系统显示姿态变化较大。

原因分析如下：
1、泥炭土地层软弱，塑变性强，盾构机重心位于中前部，属于“头重尾轻”结构，盾构机在地层中有一个向下倾斜的趋势。

2、由于地层软弱、高触变性，水平姿态调整时盾构机在水平方向产生推力差后反应灵敏，方向变化快，容易出现姿态调整过大现象。

3、管片拼装（盾尾间隙和管片选型）不合理导致盾构机受迫性大幅度调整姿态。

4、盾构机故障或工序耽误长时间停机，导致盾构机自身下沉造成姿态异常变化。

5、由于管片在软弱地层中由于盾构机推力及电瓶车行驶发生移动，造成安装在管片上的盾构机导向系统后视点变动影响导向准确度。

（二）地表沉降大
通过对9～10号竖井泥炭土地层段地表沉降观测与区间硬塑状粘土层地表沉降数据对比发现泥炭土地层在盾构通过后沉降时间长且沉降量急剧增大，最大达到75mm。

图1 泥炭土地层与硬塑性粘土层地表累计沉降对比图
原因分析如下：
1、泥炭土地层特性为强度低、塑变性强、有机质含量高，呈软塑或流塑状态，盾构施工必然扰动地层土体引发地层损失，隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，导致地表沉降。

2、盾构机掘进参数选取不合理，土仓压力过小或不稳定、刀盘转速过快导致地层受到过大扰动，导致超挖。

3、同步注浆不饱满，或浆液性能不佳，未能有效填充管片与地层之间的间隙导致地表沉
降。

三、施工技术措施
（一）掘进参数控制
1、推力控制
在推进过程中增大上下部油缸的压力差，使盾构机机体保持一个斜向上的姿态，向前推进，水平调向时缓慢增大两侧油缸的压差，避免出现较大的水平倾角，并在水平姿态即将到
位后立即调整压差，防止反向姿态超标。

总体推力控制在5000KN左右，并根据掘进速度进
行调整，在保证盾构机向上倾斜前提下为确保管片均衡受力及密封效果，上部油缸压力不宜
小于40bar。

2、铰接控制
我单位使用盾构机采用被动铰连接系统，依靠外力使铰接千斤顶伸缩，通过铰接系统使
盾构机前后部分发生弯折从而实现盾构机转弯及纠偏。

但在纠偏过程中一侧的铰接拉得太长
收铰接会加大不利的趋势，甚至使纠偏前功尽弃，一定要做到收铰接时间不可太长，压力不
要太高，尽量把趋势从正值纠到负值（或负值到正值），并使之过2个趋势点再收铰接，这
样就会把姿态调到了有利的一侧，这时收铰接才会对姿态纠偏起到事半功倍的效果。

一旦姿
态恢复良好趋势且无曲线时，为尽量减小栽头的可能性，可将铰接系统锁死，使盾构机前、
中盾同盾尾行程刚性整体，盾构机重心后移。

图2 盾构机铰接系统示意图
3、掘进速度控制
盾构机在掘进过程中刀盘转动会对前方地层造成扰动，泥炭土触变性强，受到扰动后会
快速向土仓内流动，为了缩短掘进对地层的扰动时间、快速通过软弱地层，避免更多的泥土
涌入土仓，易采用较快的推进速度。

泥炭质地层易切削，容易开挖且均一性好，是盾构快速
掘进的有利条件，但在掘进过程中要控制好推力，始终保持均衡的掘进速度，根据盾构机的
射击性能，掘进速度宜为70～80mm/min。

4、土仓压力控制
理论上讲，土压平衡盾构挤土会引起地面隆起和深层土体向远离隧道的方向移动，一方
面地面隆起可以部分抵消后期沉降，另一方面，土体受到挤压后土体会变密实，在盾尾通过
的瞬间，会减少隧道周围土体向空隙处的塌落，使同步注浆得以顺利进行，从而减小了土体
损失的产生。

但土压力增大之后，对土体的扰动也相应增大，特别是对敏感性较强的淤泥质软土，另
外土压力增大后不利于盾构机的快速掘进和渣土的顺利排出，且在增大了刀盘结饼的可能性。

因此仍然按照常规做法计算土压力，取主动土压力理论值再增加0.02MPa左右作为土仓
压力初始设定值。

盾构推进过程中对刀盘位置地表的沉降变形进行监测，并实时反馈到盾构
机操作手，操作手根据地表的沉降或隆起情况通过调整推进速度和出土速度关系对土仓压力
进行微调。

5、刀盘转速及扭距控制
刀盘的转速要满足的条件便是与掌子面的充分切削，泥炭土地层属于软弱地层，刀盘不
宜使用过高转速，同时注意推力的调整，掘进过程中适当提高泡沫剂等渣土改良剂的用量防
止刀盘糊刀，始终保持适当扭矩掘进，防止扭矩过大来保证盾体不会发生旋转。

（二）出渣量控制
盾构机出渣量过大导致隧道超挖，是产生地表沉降和成型隧道沉降的最直接的原因，因
此掘进时更应该对做好渣土管理工作。

渣土管理包括碴土改良、出渣量控制、渣土性状鉴别
等内容。

加之刀盘喷水、渣土改良剂等加入体积，拟定出渣量控制在27～30m3，盾构掘进中值班工程师加强对渣土检查力度，电瓶车编组进入后配套后准确估计渣斗中残余渣土，准确计算
每个渣斗中的渣土量，根据掘进进尺与出渣量实时对比，掘进过程中发现出渣量超标时立即
通知盾构机操作手控制出渣量，确保不超挖。

同时时刻关注渣土性状，掌握前方地质变化情况。

（三）注浆控制
充足的同步注浆能有效填充管片脱出盾尾形成的空隙，在泥炭土软土地层中，地层极其
软弱且存在部分地层空洞，成型隧道管片处于类似悬浮状态，容易产生不定向的偏移，可以
通过增大同步注浆量、采用性能优良的新型惰性浆液、及时的二次注浆来有效控制地层变形
沉降及后期管片偏移。

1、增大同步注浆量
为了有效填充管片与地层之间的空隙，防止地层沉降，在泥炭土地层掘进中提高同步注
浆注入率，注浆量取需要填充的建筑空隙的1.8倍，即每米同步注浆量为3.75m3，每环1.2
米注浆量为4.5m3，同步注浆要与盾构掘进速度相匹配，并匀速注入，注浆压力取静止土压
力的1.2倍。

为防止管片脱出盾尾后上浮，适当增加上部管路的注浆量。

2、改良型惰性浆液
采用以消石灰、粉煤灰、膨润土、细砂、水和减水剂为原料的新型浆液具有保水性好、
抗水分散性较好、体积收缩小等特点的惰性浆液进行同步注浆。

3、及时进行二次注浆
由于泥炭土触变性强，在盾构掘进对地层进行扰动后后期沉降较大，需要通过及时的二
次注浆减小后期沉降，鉴于泥炭土的承载力较小，触变性强，单液水泥浆在高压力作用下，
易扰动土体，造成土体二次触变沉降，因此二次注浆采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力控制
在0.5Mpa以。

（四）管片拼装控制
本工程采用通用楔形管片作为隧道衬砌。

其不同的旋转位置，将产生不同的上、下、左、右超前量，通过不同位置管片的拼装，实现对隧道轴线的拟合。

因此拼装前管片的选型至关
重要，选择正确的管片旋转角度，能保证拼装工作的顺利进行提高拼装质量，保证构筑隧道
符合设计轴线。

另外，盾构推进施工中，成环管片作为盾构推进后座，对盾构推进起到一种
导向作用。

在盾构推进尤其是曲线推进时，通过严格的计算和量测来确定管片的超前量，同时应用
盾构本身数据系统结合盾构姿态，合理选取管片旋转位置，以达到管片相应的超前量，使管
片环面始终垂直于设计轴线，并保证管片周合理的盾尾间隙，避免出现盾尾卡管片导致纠偏
困难、影响管片拼装质量，使盾构能够按照设计轴线前进，不因调整盾尾间隙进行不必要的
姿态调整。

（五）测量控制
在泥炭土地层中掘进时加密对盾构机姿态及导向系统后视点的人工复核，根据掘进进度
每5环复核一次，每次复核均从竖井内导线点引入，保证测量准确性。

四、效果及总结
按照既定的技术措施盾构机顺利完成了本工程12～12#竖井区间泥炭土地层的掘进，盾
构机掘进垂直姿态虽仍大部分时间处于设计轴线以下，但未出现超过控制值的情况，水平姿
态控制良好，地表最大沉降25mm，取得了良好的效果。

盾构掘进需要对穿越的地层进行深入的分析，充分理解地层的特点，通过制定合理的掘
进参数并充分考虑各参数之间的影响，辅以有效的配套措施，才能实现良好的施工效果。

参考文献：
[1]黄辉，张伟荣.广州地区软弱地层盾构掘进沉降控制技术研究［J］.施工技术，2015（12）：430～432
[2]陈馈，冯欢欢.极软弱地层盾构施工关键技术探析［J］.建筑机械化，2014（11）：66～70
[3]唐生朝，刘波.盾构过全断面浅埋淤泥地层施工技术［J］.铁道建筑技术，2014（9）：11～14
[4]石文广，虞兴福，黄小斌.浅覆土软弱地层盾构施工地面变形控制［J］.浙江建筑，2010（4）：27～30
[5]王文军.盾构法隧道施工穿越淤泥质软土地层控制沉降技术探讨［J］.价值工程，2010（25）：108。