復合地層盾構掘進的指導原則

鐘長平 竺維彬 鞠世健

(1.廣州軌道交通建設監理有限公司 廣州 510010;2.廣州市地下鐵道總公司 廣州 510030)

在國外，盾構法用于隧道掘進施工已有180多年的歷史，在國內則始于20世紀60年代的上海。經過多年的發展，盾構法已成為國內外在比較均質的地層和軟土地層進行隧道施工的一種成熟的施工方法。進入20世紀90年代后，廣州地鐵人大膽引進國外盾構技術，廣泛用于復合地層的隧道施工，取得了巨大的成就。迄今已用于廣州地鐵1～6號線、8號線、9號線、廣佛線、珠江新城集運系統區間隧道施工，完成隧道掘進任務超過200 km!如今，在廣州學習地鐵盾構技術，并茁壯成長起來的建設、設計、監理、施工人才，正活躍在全國各大城市地鐵建設的主戰場上。某種程度上說，正是廣州地鐵引領了地鐵盾構技術的新潮流，開創了全國盾構施工的新局面。

為攻克復合地層盾構施工的難關，廣州地鐵人解放思想、與時俱進，本著攻堅啃硬、艱苦奮斗、永不言退的“盾構機精神”，經過消化、吸收、調整、改造，因地制宜、推陳出新，摸索出一整套盾構在復合地層中施工的技術，創立了復合地層盾構施工理論體系。在實踐中，提煉出復合地層中盾構掘進的指導原則，那就是“思想重視、預先控制、動態平衡、精細管理”。

1 盾構掘進的指導原則

1.1 思想重視

思想是行動的先導，思想重視是抓好各項工作的前提。盾構施工也一樣，只有各級人員上下一致，統一思想，高度重視，盾構施工才能搞好。很多施工單位以為花了大價錢買了好盾構機就萬事大吉了，于是思想麻痹，不好好地進行各項準備工作，結果施工過程中問題層出不窮，弄得焦頭爛額，吃盡了苦頭。

思想重視要落實到“三個到位”上。一是領導到位，各級負責人要加強領導、靠前指揮、率先垂范、以身作則，發揮好表率帶頭作用;二是責任到位，進一步強化組織，明確分工，落實責任，強化制度保證，加強督促檢查，確保安全、質量、進度處于有效控制;三是工作到位，緊密結合工程實際，細化施工方案，嚴格按規范、設計圖紙進行施工，滿足合同規定的各項要求。

1.2 預先控制

預先控制為前饋控制和主動控制，它是在施工前準備階段制訂計劃時的控制，通過制訂計劃、編制施工組織設計和專項施工方案、召開專家論證會、進行技術和安全教育與培訓、準備應急預案和應急演練等組成的持續性計劃，建立預期或預先控制。重點是預防系統偏離預先制定的標準，使系統維持在指定的限度之內，防止不符合期望的事情發生。

預先控制在盾構施工安全管理中占有重要的地位，它使管理者及早采取預防措施，防止問題的發生，免受損失。

1.3 動態平衡

土壓平衡式盾構的原理是通過調整推進速度和螺旋式排土器的轉速，使土艙壓力與開挖面水土壓力相對應，使之達到動態平衡的狀態。即:通過控制土艙壓力可達到控制開挖面前部下沉(或隆起)目的，最好是控制開挖面前部不產生下沉或略有隆起(≯5 mm);土倉壓力的設定應略高于開挖面水土壓力，一般為0.2～0.4 bar;掘進時避免土倉壓力出現過大的波動，最好不要大于0.2 bar;在拼裝管片過程中，應保持千斤頂推力，防止盾構機后退，以穩定土倉壓力;盾構停機時要適當加大土倉壓力進行保壓;及時、均勻、足量地進行同步注漿;必要時可二次補漿;盡量對圍巖少擾動、微擾動;充分發揮圍巖的時空效應和自承能力;盡可能連續、均衡、快速施工;嚴密監測，及時反饋，優化參數。

2 精細管理

細節決定成敗!盾構施工是個系統活，也是個細活，成功的關鍵在于精細管理，其核心是科學務實的精神和認真細致的態度，要求對每一個工序和每一個步驟都要認真對待，預先制訂對策，過程中把每一個細節都要做好，按方案不折不扣地執行到位。倘若思想麻痹、不認真準備、馬馬虎虎，盾構施工肯定要出問題甚或引發事故。筆者基于復合地層土壓平衡式盾構隧道掘進實踐，提煉出精細管理體現在以下方面:

2.1 建筑物調查

盾構到達建筑物前要做好各項準備工作，特別要做好建筑物的調查和鑒定，對重要和敏感建筑物要求編制專項施工方案，必要時召開專家討論會，如需要應對建筑物進行預先加固。

2.2 補充地質鉆探

在地質詳勘的基礎上，一般應對沿線地質水文情況進行補勘，尤其在始發和到達端頭、聯絡通道、敏感建(構)筑物、重要管線等地段要加密地質補勘鉆孔，以便更準確地摸清上述重點區段的地質水文情況，據此制訂切合實際的施工組織設計并確定適應地層的盾構機掘進參數。

2.3 重大風險關鍵工序節點驗收

為加強地鐵盾構工程施工的安全和質量風險管理，應根據有關法規和文件精神，制定重大風險的關鍵節點驗收制度，如盾構始發/到達前、聯絡通道切割管片前、過江過河前、穿越重要建(構)筑物前等節點進行驗收。

2.4 重大風險施工方案專家審查制度

為加強地鐵工程施工的安全和質量風險管理，應根據有關法規和政策，制訂盾構工程重大方案專家審查制度，如盾構始發/到達端頭加固方案、聯絡通道加固及施工方案、過江過河方案、穿越重要建(構)筑物方案、盾構新機選型和舊機改造方案等，實施專家審查。

2.5 盾構機檢查、維修

盾構過建(構)筑物前，應對盾構機做全面的檢查、維修，合理考慮刀具配置，進行刀具更換，并充分做好所用相關材料、構配件、人力等的準備，確保連續掘進施工，盡量避免通過建筑物期間停機。盾構機過江前，重點對刀盤、盾尾密封和鉸接密封進行檢查與維護，同時要對盾構機的液壓、電氣、水循環、潤滑、注脂、注漿、泡沫、鉸接等系統進行檢修，重點內容包括:空壓機的檢測與維修、螺旋輸送機閘門檢測與維修、注脂系統的檢測與維修、管片拼裝機的檢測與維修、泡沫系統的檢測與維修、對液壓系統進行狀態監測。

2.6 添加劑的加入

土壓平衡的核心是使開挖下來的泥土呈塑性流動狀態，且具有一定的止水性，充滿土倉以控制開挖面;同時，用螺旋出土器來調整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土倉內的泥土有一定的壓力，以抵抗開挖面的土壓力和水壓力。為了滿足土壓平衡式盾構的順利施工，必須使用外加劑對開挖土體進行改良使之接近理想狀態，即應該滿足不易固結排水、土體處于流塑狀態、土體具有不透水性。

常用的外加劑包括水、膨潤土、泡沫、高分子化合物和分散劑等，其用量和比例應根據地層的含砂率和含水量等確定。以廣州地區某地鐵工程砂層與殘積土、風化巖層不同組合的典型復合地層的掘進為例，外加劑的使用情況如表1所示。

表1 廣州地區某地鐵工程復合地層外加劑的使用情況

2.7 同步注漿

及時進行均勻足量的同步注漿，確保注漿時機和注漿點位，采取注漿量和注漿壓力兩個指標雙控，同步注漿中最擔心注漿管堵塞，防止注漿管堵塞有以下措施:

1)漿液運輸管路的鋪設。要避免管路彎曲造成漿液流速緩慢而沉淀。地面儲料罐至井下漿液車中途下料要采用大口徑輸送管放漿，要縮短放漿時間，同時將漿管口盡可能靠近漿液車底部，打開閘門即可依靠漿液自重放漿。

2)緊湊安排工序。要縮短漿液在隧道內的運輸時間，并在洞口和砂漿車位置設置電源插座，專供砂漿車攪拌電機用，保證砂漿車攪拌器正常連續工作，避免因施工停頓時間過長而引起漿液離析。

3)砂漿車向盾構機儲漿罐泵漿時，要降低出漿管高度，同時開啟攪拌機攪拌漿液。

4)在不影響其他管路及運作空間的前提下，適當改善同步注漿管路，減少彎頭，增大管徑，避免漿液在管路中沉積、堵塞。

5)保證盾構機及后配套設備的正常連續運行。堅決避免盾構機在推進過程中，因人為停機造成同步注漿工序中斷而使漿液凝固堵塞管路。

6)在拼裝管片時的停止掘進期間，應間隔緩慢注漿幾次，一方面可保持管路暢通，另一方面為同步注漿保壓，阻止水進入管背。

7)禁止采用壓縮空氣來清洗注漿管道。

2.8 二次注漿

根據盾構機掘進地層的情況，必要時進行二次注漿，即在脫出盾尾4～5環的管片上，及時通過吊裝孔在1、11點位對每環管片進行二次補注雙液漿回填，現場注漿時以注漿壓力來控制，超過控制壓力即停止注漿。注漿壓力控制在4～5 bar，最大不超過5 bar，以免造成管片外周圍壓力過大，對管片造成破壞。二次注漿必須保證管片背后的空隙充填密實，防止地面建筑物產生過大沉降。

2.9 防結泥餅

盾構機設計上，應有防結泥餅的考慮。

1)在刀盤上設有主動攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉動，同時，土倉壁上也設有固定攪拌棒。在刀盤攪拌棒和固定攪拌棒的攪拌下，泥餅被充分攪動和破碎，減小了黏結的機會。

2)刀盤的轉臂采用四條呈放射狀的圓柱鋼管，可保證中心區土體能順利滑到土倉下方。

3)刀盤、倉壁、攪拌棒等處設置多個添加劑噴頭，可以根據需要向渣土注入一定的水、泡沫等。

4)在施工過程中，如條件允許，盡可能更換中心滾刀為中心刮刀，增大中心區的開口率，也有利于避免形成泥餅。

5)在條件允許時盡可能地加大推進力，選用自轉扭矩較小的滾刀，以保證刀具的正常滾動，防止滾刀偏磨。

6)加強掘進中的土體改良管理，盡量將改良渣土的泡沫通過刀盤面板上的孔道向切割表面噴注，使渣土經過刀盤開口進入土倉的流動性好，不易產生結餅。特別需要注意的是，向刀盤面板注入泡沫的孔道與向土倉攪拌棒中注入泡沫的孔道是并聯管道，而進入土倉的管路短時，則阻力小，流進的泡沫量大，勢必會造成注入到刀盤面的泡沫量減少，而影響刀盤面板處的土體改良。

7)土倉渣土堆積太多，壓力建立太高易結泥餅，因此在圍巖穩定地層可采用半倉土掘進，如果需要進行土壓平衡掘進，可往土倉里加氣，達到所需壓力，這樣可以減少土倉渣土量，進而防止結泥餅。

8)注意渣土溫度變化。如果掘進速度較慢，而渣土溫度較高，則有可能導致結泥餅。應經常用激光溫度儀測渣土溫度，觀察溫度變化，如有異常則在掘進時加大泡沫劑用量，這樣可大大降低結泥餅的幾率。

9)一旦產生泥餅，可空轉刀盤，使泥餅在離心力的作用下脫落。開挖面在確保穩定下可采用人工進倉處理的方式清除泥餅。

2.10 防噴涌

1)在掘進過程中，維護保養好機械設備，加強施工各環節的管理，防止不必要的臨時停機，以保持連續掘進。

2)在掘進過程中，適當采用氣壓，以阻止裂隙水流入土倉。適當加入泡沫劑以改良渣土黏度和液化度，防止渣土過稀造成噴涌。

3)在掘進停止時，將渣土裝滿土倉，減少向土倉匯水。在螺旋機排土前，刀盤應把土倉內的水、土充分攪拌，使土倉內土體有良好的密水性，避免噴涌。

4)加強同步注漿管理，有效控制注漿壓力。適當增加注漿量，使實際注漿量略大于理論注漿量，以保證管片背后盡量填充密實。

5)通過管片吊裝孔補注雙液漿，及時封堵管片背后的空洞及水流通道，防止管片背后匯水流入土倉。

6)在噴涌不嚴重時，一般采用螺旋輸送機尾部的雙平板閘門，交替啟閉間隔排渣。在螺旋出土器出土口上安裝高強橡膠擋渣帶，使出來的稀渣落在皮帶機上，防止四處噴灑以及仰拱積渣過多。

7)加大速凝雙液漿環向封堵的頻率，每隔一定距離進行一次環向封堵，形成有效隔離盾構機后方來水的“環箍”，降低土倉匯水量，避免掘進噴涌;同時，縮短同步漿液的初凝時間，以加強同步漿液的止水效果，保證同步注漿質量。

2.11 渣樣分析

在掘進過程中，應安排有經驗的技術人員，對每環掘出的渣土采集渣樣，認真對照地質詳勘報告等地質資料進行分析，以便適時調整盾構掘進參數，及時反饋指導掘進施工。

2.12 出土量控制

在掘進過程中，應安排專人如實、詳細地記錄每環的出渣量。如按每斗土的油缸行程，將其與理論出土量對比，及時修正掘進參數，避免過量出土引起地面沉降、塌陷、建(構)筑物破壞等嚴重后果。

2.13 刀具檢查及更換

通過對沿線地質情況的分析和刀具磨損情況的預測，充分考慮到無氣壓換刀和氣壓換刀方式的適用條件，盡量避免在圍巖含水量大和需帶壓作業地段進行換刀作業。一般情況下，檢查及換刀較適宜的地段應隧道埋深合適，且覆蓋層無不良地層;并且隧道圍巖較均勻，力學性質較好，自穩性強。如需在加壓條件下進行刀具更換作業時，必須按照帶壓換刀操作規程作業。通常對正面滾刀磨損超過10 mm的刀具和邊緣滾刀磨損超過5 mm的刀具應進行更換，并保證其他刮刀和小齒刀的完好。

2.14 防鉆孔透水

盾構機掘進過地質鉆孔時，應采用土壓平衡模式掘進，并做好及時注漿，保證注漿的數量和質量。必要時可在盾構機掘進到鉆孔前選擇合適的位置停機，采用超前小導管注漿加固鉆孔下口，防止鉆孔透水，確保施工安全。

2.15 地面分段、跟蹤、補償、保護注漿加固

盾構施工中一般采取洞內措施對建(構)筑物和管線等進行保護，當這些措施還不能穩定沉降時，可通過地面分段、跟蹤、補償、保護注漿的方法對這些設施進行加固和保護。

2.16 應急預案與應急演練

盾構機掘進過建筑物前，必須有經過批準的應急預案，并應組織進行應急演練，做好各項應急準備。

3 監控量測

精細管理還包括測量和監測方面。測量工作是盾構施工的基礎，非常重要，各方應高度重視，不能出現一點問題。

3.1 測量多級復核

認真執行測量多級復核制。對于地面加密控制網，始發井或吊出井(含中間風井)洞門環中心，始發前包括聯系測量在內的基線及地下水準;在隧道掘進至150、300～400 m，距離貫通面150～200 m處時，包括聯系測量在內的地下導線及水準;掘進至600 m后，每隔500 m須增加一次包括聯系測量在內的地下導線及水準(含加測陀螺定向校核)、始發井與中間風井之間進行“兩井定向”等重要節點測量，承包商的測量成果經監理復核合格后，報業主測量隊檢測。

3.2 測點布置和監測頻率

施工前應要求編制監測方案，并督促布點和測初始值。監測點設置要規范，一定要打穿路面埋于土層中。施工中至少每天測2次，對重要和敏感建筑物以及沉降超限時，應加密監測至每2～4小時1次，特殊情況下應進行實時自動測量，施工期間應派專人在地面巡查。

3.3 盾構姿態控制

當盾構機進入到上軟下硬地層，需防止盾構機抬頭和走偏，其處理措施為:加強施工量測，控制好盾構機的姿態，及時有效地調整各項施工參數，特別是對前倉壓力的設定和千斤頂推力的合理分配。為防止盾構機抬頭，應適當加大頂部千斤頂的頂推力，平衡盾構機由于前方地層上軟下硬而作用在上下千斤頂不均衡的壓力，使盾構機平穩推進。在盾構掘進前，對刀具做全面的檢查和更換，特別是周邊滾刀的磨損，必須加以檢測，必要時予以更換，以確保開挖直徑，同時為防止盾構往上“跑”的趨勢，盾構機姿態適當調整在往下“跑”的趨勢，而且調整降低盾構機控制軸線，比設計軸線低20～30 mm。

在盾構掘進時，盾構水平姿態控制在±20 mm為最佳，考慮管片上浮對姿態的影響，垂直姿態可以控制在－30～－20 mm。自動導向系統的報警值為±50 mm，建議以±30 mm為預警值，盡量避免盾構姿態超過±50 mm。當盾構姿態偏差較大時，應采用千斤頂各區推力調整、鉸接油缸的調節、使用仿形刀、盾尾壁后有針對性注漿等進行糾偏。在糾偏過程中不能過急，應根據地質條件和線路方向調整掘進參數，以調整掘進方向，盾構姿態每環的差值最好在±5 mm之內，避免成型管片產生大的錯臺和破損。

3.4 監控重點

盾構施工應重視監控量測，做到信息化設計、信息化施工。施工過程中應將監測到的信息及時反饋，以調整優化施工參數。監控的重點有:土倉壓力是否合適，推力、扭矩是否異常，出土狀況是否正常，出土溫度是否異常，渣樣是否異常，出土量是否正常，注漿量與注漿壓力是否正常，盾構機姿態和管片姿態是否正常，是否有管片開裂、破損、錯臺，地表沉降是否異常，管線沉降是否異常，建筑物沉降與傾斜是否異常。

4 展望

放眼國內市場，盾構技術不僅向“長、大、深、難、快、優”方向發展，更是從交通向電力、水務、燃氣等寬廣領域延伸。為促進盾構產業“又好又快”發展，下一步應重視的工作有:大力培養盾構技術和管理人才，精于管理、勤于總結、勇于創新，加強安全預警與風險控制的研究。

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