中鐵號盾構機掘進保證措施

丁枲詔 代鵬飛

（中鐵隧道股份有限公司，廣州 510000）

隨著我國城市地下工程的飛速發展，盾構法施工以其特有的機械化程度高、對地面影響小、安全、進度快等特點，成為城市地鐵隧道的主要施工工法。地鐵線路多選擇在人員相對密集、相對繁華的路段，地鐵線路多下穿既有管線及建筑物。盾構機的設計比較適合軟巖施工，但是城市地鐵環境極為復雜，軟硬巖交錯，尤其是廣深地區，被業內稱為“地質博物館”。復雜地層中盾構下穿建筑物成為盾構施工的重難點。目前，相關研究多討論設計比選、優化參數等內容，現場的可實際操作性不強[1-2]。本文通過實踐經驗總結，以滿足現場操作為目的進行整理提煉，為盾構機在復雜地層中掘進方法及如何控制地表沉降提供較真實的參考意見。

1 工程概況

1.1 工程范圍

龍洞站—柯木塱站區間主體結構包括盾構法及礦山法隧道，其中礦山法隧道在進行開挖及初期支護后，由盾構空推時安裝管片作為久二次襯砌結構。右線起止里程YDK27+743.109～YDK29+362.400，長度1619.291m，中間暗挖段起止里程為YDK28+362～YDK28+435，長度73m，其中2#聯絡通道與暗挖施工橫通道合建，中心里程為YDK28+376.615。左線起止里程為ZDK27+743.110～ZDK29+362.400（包含短鏈2.5m），長度為1617.74m，中間暗挖段起止里程為ZDK28+321.864～ZDK28+481.964，長度160.1m，聯絡通道中心里程ZDK28+374.364，區間雙線總長3237.031m，其中中間暗挖段共長233.1m，盾構掘進段3003.931m。龍柯區間總平面圖如圖1所示。

標準環管片內徑為5.4m，外徑為6.0m，寬度為1.5mm，分為6塊，分別為一塊封頂塊（K塊）、三個標準塊（A1、A2、A3塊）、兩個鄰接塊（B、C塊）。管片設計為錯縫拼裝形式。管片采用強度等級為C50，抗滲等級為P12的混凝土預制。

為滿足盾構隧道在曲線上偏轉及蛇形糾偏的需要及保證管片安裝質量，設計采用左轉彎、右轉彎、標準環三種襯砌環形式，轉彎環楔形量為38mm。管片連接采用彎曲螺栓連接，其中每環環縫采用10根M24縱向螺栓連接，每環縱縫采用12根M24環向螺栓連接。螺栓等級為5.8級，螺母為5級。

圖1 龍柯區間總平面圖

1.2 特殊段地層工程地質概況

根據施工地質剖面圖，結合地質補堪資料，揭示隧道上軟下硬、全斷面硬巖及孤石地層為：花崗巖強風花帶7H、花崗巖中等風花帶8H、花崗巖微風花帶9H。隧道洞身通過的地層主要為花崗巖殘積土層，該地層強度不高，自穩性差，遇水易崩解。龍洞站～柯木塱站特殊地層工程量如表1、表2所示。

1.3 水文地質及地表環境

1.3.1 水文地質

特殊段地層的地下水位埋深變化較大，初見水位埋深為0.9～3.9m，平均埋深為2.09m，穩定水位埋深為1.3～8.2m，平均埋深為3.92m。地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切，每年5～10月為雨季，降雨充沛，水位明顯上升，冬季降雨減少，地下水位隨之下降。無地表水體，地下水相對不豐富。

1.3.2 地表環境

隧道掘進需近距離穿越大量建筑物，如表3所示。主要建（構）筑物包括：華美路跨線橋等樁基礎，沿著廣汕公路兩側分布的大量村鎮居民用房、商鋪。居民用房、商鋪為二至五層建筑，多為天然基礎，且多數建筑年代較久，對地表沉降變形較為敏感。盾構施工過程中需重點關注建筑物。

本段沿廣汕路輔道行進，道路經過多次加寬翻修，新遷移鋪設管線和老管線縱橫交錯，非常復雜。具體情況如表4所示。

左線路面分布有一條直徑1200mm自來水管、一條污水管、一條雨水管，靠近人行道分布有高壓電纜，龍柯區間分布大量通信光纜。

表1 龍洞站—柯木塱站特殊地層工程量（全斷面硬巖和上軟下硬分布里程）

表2 龍洞站—柯木塱站特殊地層工程量（孤石分布里程）

表3 盾構過暗挖段地表建構筑物一覽表

表4 盾構區間管線統計

右線路面管線較復雜。分布有兩條通信光纜，其中一條為新遷移至人行道上的長途光纜，一條為老線路未遷移且和軍用光纜合建，還分布有一條直徑350mm的燃氣管道、一污水管道。

2 盾構掘進保證措施

中鐵23號盾構機施工龍洞站—柯木塱站區間右線，此種地質條件中掘進，地表沉降控制是關鍵，因為該種地層擾動及失水易造成地表及建（構）筑物沉降，所以控制沉降是重點。由于本區間工程地質的復雜性，施工過程中不可控制的因素將會較多。因此，快速安全地掘進來通過孤石段以及控制地表沉降是影響本區間施工進度及安全管理的重中之重[3-7]。根據實際情況，筆者制定如下應對措施。

2.1 孤石探測及掘進處理措施

施工前，委托有經驗的勘察單位采用地質雷達結合地震反射波法及加密地勘孔（每3～5m一孔）對標段沿線內孤石情況進行詳細勘察，初步明確孤石的位置及大小。

盾構掘進施工過程中，對未超前探到的孤石，根據掘進參數的異常變化，及時發現前方遇到的孤石，采用廣深地區孤石掘進的處理方法。當遇到孤石時，參數波動較大，聲音明顯，有強烈的震動，操作人員立即減小推力，降低刀盤轉速，控制刀盤扭矩的波動情況，控制推進速度10mm/min以內，控制好土倉壓力，控制好出渣量，加強渣土改良效果，嚴格控制好地表沉降。也就是說，采用小推力、小扭矩、慢速度、穩土壓、勤改良、嚴控制的掘進方法。

2.2 針對盾構掘進施工重難點處理措施

盾構掘進隧道通過補勘確定的大于1m的孤石，在地表采用地質鉆機打引孔，通過特殊PVC管引炸藥入孔，在洞外進行爆破處理。在施工過程中，要嚴格監測推進油缸和盾構機姿態的突然變化、土倉壓力和出碴量的變化，如發現異常，進入土倉進行檢查，以判斷是否存在孤石，并確定孤石與刀盤的位置關系。盾構掘進過程中遇孤石卡住刀盤或隨刀盤一起轉動擾動周圍土體時，考慮從洞內土倉內進行處理。在倉內主要采用巖石分裂機對孤石進行處理。

針對孤石巖質較硬的特點，在刀具選擇上，采用超硬耐磨滾刀將會顯著提高刀具的破巖能力，掘進時采用低轉速將其切削成碎塊。若掘進速度相當慢或孤石隨刀盤一起滾動時，應進入土倉進行人工處理，可以采用洞內靜態爆破、炸藥爆破以及特殊工具等方法來清除孤石。針對較小孤石，從地表采用注漿加固的方式進行地層加固，待周邊土體與孤石形成加固后的整體，再使用盾構機破巖掘進。

龍洞站—柯木塱站區間，隧道與華美路跨線橋平行段長度約為395m（盾構區間長為174m），左線隧道與華美路跨線橋樁基中心的距離為4.59～9.05mm，右線隧道與華美路跨線橋樁基中心的距離為3.59～6.91m；隧道下穿廣汕路熱帶植物所天橋時，右線隧道與其樁基的水平凈距離約3.685m。

本區間過樁基段距離較長，盾構施工會對地層形成擾動，可能造成其樁基的變形，影響交通，甚至影響跨線橋和人行天橋的結構安全。如何確保盾構穿越過程中樁基的穩定，是本工程施工控制的重點。應對措施如下。

（1）在盾構穿越前，設定一模擬施工段，確定盾構施工參數；在盾構穿越前，做好機械設備維修保養工作，加強施工組織，確保安全通過；分類制定詳細的、切實可行的應急預案，根據監測結果，必要時實施應急預案，以避免對建（構）筑物造成較大的影響和損壞。

（2）控制好盾構姿態，避免盾構大幅糾偏、上浮、后退等現象發生；隨時調整盾構施工參數，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落或擠密現象，降低地基土橫向變形施加于樁基的橫向力；在曲線上推進時，放緩推進速度、一次糾偏量不宜大于最大值。加大注漿工作、加強糾偏工作，減少地層損失。

（3）施工過程中加強對橋基的監測，必要時增加監測頻率，做好監測數據統計與分析，及時反饋結果，指導現場施工；加強局部注漿管理，減少盾構通過后隧道外的建筑空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此產生的樁基負摩阻力；在施工過程中，根據地面及大橋橋墩變形情況，通過管片內的注漿孔，及時對周圍土體進行二次雙液注漿加固。

2.3 盾構機維護處理措施

中鐵23#盾構機在廣州地鐵六號線二期二標盾構工區龍洞站—柯木塱站區間使用，確保中鐵23#盾構機在后續掘進施工中順利進行，避免對施工進度造成滯后的不利影響。盾構機在成都項目部使用，貫通后成都項目部對中鐵23#盾構機全面進行了清潔保養和維修工作。盾構機運輸至廣州地鐵六號線二期二標盾構工區后，確保中鐵23#盾構機機況性能完好，能滿足現場正常施工掘進要求，施工現場對盾構機進行了全面檢查和維修工作。人們可以采取以下盾構機維護處理措施。

（1）對于刀盤改造工作，根據地層情況對刀盤進行改造，將刀盤中心位置開口率改大，土倉內加2個高壓噴水口，刀盤改造工作由中鐵裝備盾構制造公司負責；關于前體檢修工作，對旋轉接頭進行檢查潤滑，泡沫孔和膨潤土孔進行疏通，螺栓機筒體進行耐磨層堆焊，保壓系統管路檢查確保運轉正常；關于中體檢修工作，對推進油缸球頭、彈簧、撐靴和油缸中心固定支座進行檢查調整；關于尾盾檢修工作，對尾盾密封和安全氣囊進行更換，尾刷進行焊接。

（2）螺旋機螺旋耐磨層堆焊，安裝機和管片小車檢查維修完成；對泡沫系統進行全面檢查和調試，保證泡沫系統運轉正常；關于皮帶輸送系統，對皮帶架子進行校正調整和滾筒更換；吊機檢查維修，保證運轉正常；對油脂系統管路疏通檢查，油脂泵檢查調試，氣動閥和分配閥檢查清洗；液壓系統部分管路和液壓閥更換，液壓泵運行調試正常；電氣系統調試檢查運轉正常。

2.4 機械設備的管理措施及保養措施

2.4.1 建立完善的設備管理組織機構和科學的組織管理體系

人們要建立完善的設備管理組織機構，對于大型施工機械設備，必須制定詳細、規范、科學的組織管理體系，實行系統化管理。借鑒以往盾構施工的管、用、養、修成功經驗，結合廣州地鐵、深圳地鐵施工中的設備管理方式，對盾構和常規設備各系統實行工程師負責制，機械工程師、電氣工程師、刀具工程師、狀態檢測工程師共同組成盾構設備管理體系，并成立維保班和電工班為主的維護和修理組。

2.4.2 制定詳細的盾構管、用、養、修制度

根據盾構施工的特點，制訂盾構機綜合管理制度、盾構機使用安全操作規程、盾構機維修保養制度、盾構機油水管理制度、盾構機狀態檢測制度和盾構機配件管理制度等；對盾構機的使用及維修保養人員進行培訓，經考試合格后持證上崗，實行崗位責任制，實行“三定三包”，即定人、定崗、定機，包保管、包使用、包維修保養；建立盾構機履歷簿、運轉記錄、狀態監測記錄和維修保養記錄，實行盾構機的表格化管理；對盾構機進行成本管理，詳細記錄和考核油料消耗、配件消耗、電力消耗、設備完好率考核以及設備利用率考核等工作，總結和積累盾構機的使用成本分析。

2.5 刀具配置

刀具是易損件，因此必須定期檢查，制定維護保養計劃，使刀盤及刀具質量保證處于完好狀態，根據本工程的地層特點，結合類似工程的施工經驗，本區間計劃在260環、500環、660環、850環和1065環開倉檢查更換刀具。必要時采取帶壓進倉作業。換刀計劃如表5所示。

表5 換刀計劃

2.6 人員保證措施

本區間地層使用盾構推進，盾構機應配置相應的施工人員，每臺盾構機施工人員兩班輪轉。執行每天7∶30～19∶30～19∶30～7∶30工作制，白班、夜班各一班。

表6 班組人員配置

2.7 材料供應保證措施

材料管理是保證工程質量和確保工期的關鍵之一，材料管理也應制定管理制度，其管理工作主要有：根據工程進度計劃提前編制季、月、旬等需用各種材料計劃報表；組織材料供應方案，組織材料的采購、訂貨、運輸、驗收入庫保管工作；推行原材料、成品或半成品、設備的質量驗收制度；推行材料的檢驗和測試制度。

3 結語

本文針對該段盾構區間的地質情況，從盾構機始發前維護、孤石處理、掘進過程中參數控制及設備管理保養、刀具配置及更換、人員配置及材料供應等方面制定相應的措施，從而快速安全地掘進通過孤石段并控制地表沉降，為保證掘進施工的安全提供保障。

盾構法因其對環境影響小、占地面積小、施工不受天氣條件限制、安全高效快速等優點，已經在城市隧道施工技術中確立了穩固的統治地位，其適用的地層范圍也從最初的軟土、砂卵石、軟巖擴充到硬巖。本文探討的施工保證措施對盾構機在復雜地層中安全快速掘進具有一定的指導意義。