淺析盾構長距離穿越全斷面硬巖掘進技術

王貫洲 李尊 吳富強

摘 ?要：隨著我國經濟的發展，城市地下空間的開發利用越來越高。地鐵，管廊施工中盾構施工技術應用達到空前高度，而我國地域遼闊，地下施工中地質狀況相對復雜，全斷面硬巖富水地質對于地鐵盾構施工來說具有相當大的難度，在業內一直有著相當高的關注，因此研究該課題具有重要意義。本文結合施工的相關實踐經驗，分析施工中的難點及應對措施，就長距離穿越全斷面硬巖富水地質盾構施工簡單闡述個人觀點，以期對后續施工中遇到相似地層能夠提供參考。

關鍵詞：硬巖富水地質;盾構掘進;施工技術

中圖分類號：U455.43???文獻標識碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）03-0000-00

1 工程概況

廣州市軌道交通七號線8標南村站～中間風機房（不含）盾構區間線路最小曲線半徑R=350米，線路縱斷面為下坡，最大坡度26‰，線路埋深12.04m～36.73m，隧道頂覆土7.86m～32.55m。隧道過珠江瀝窖水道段凈覆土均大于11.5m。區間隧道于YDK17+427附近穿越北亭斷層。線路主要穿過<6Z>混合花崗巖全風化帶、<7>強風化泥質粉砂巖、<7Z>混合花崗巖強風化帶、<8>中風化泥質粉砂巖、<8Z>混合花崗巖中風化帶、<9Z>混合花崗巖微風化帶等。

根據地質鉆孔資料：<8Z>中風化混合花崗巖：裂隙發育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀局部短柱狀，巖質較硬。天然單軸極限抗壓強度值為11.43～58.30Mpa，平均值為26.76Mpa。

<9Z>微風化混合花崗巖：局部裂隙較發育，巖芯呈柱狀，局部機械破碎呈碎塊狀，RQD為50～90%，巖質堅硬。天然單軸極限抗壓強度值為26.4～107.3Mpa，平均值為73.0Mpa。

盾構區間左線長1678.269m，硬巖地層962.57m，占左線線路的57.35%;區間右線長1703.560m，硬巖地層776.806m，占右線線路的45.6%。

地下水水位普遍較淺，局部埋藏較深，穩定水位埋深為3.60～11.0m，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，大氣降水充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降雨減少，地下水位隨之下降，年變化幅度為2.5-3.0m。

2 盾構機的配置

2.1盾構機刀盤配置

本標段盾構區間掘進采用兩臺海瑞克復合土壓平衡盾構機，刀盤為復合面板輻條式，刀盤上安裝有64把齒刀，8把邊刮刀，31把單刃滾刀，4把中心雙刃滾刀，1把超挖刀。刀具在刀盤上的超前量較大，正面滾刀的超前量為175mm，齒刀超前量為140mm，正面滾刀的軌跡間距為100mm，邊緣滾刀的軌跡間距為9.59～100mm。

刀盤在安裝全盤滾刀時開率為28%，滾刀裝刀刃數為39刃，為了更有利于破除巖層順利掘進，滾刀采用窄刃口標準刀圈（3/4刃口），邊緣滾刀啟動扭矩調整在30N.M，正面在26-28N.M。在盾構施工掘進過程中時刻關注掘進參數的變化，如有異常波動隨時準備開倉檢查更換刀具，嚴格制定相關掘進參數。由于刀盤設計為早期復合型設計，開口率相對較小，泡沫注入口僅有4個，這給施工中渣土改良帶來一定困難，要時刻注意注入管路的壓力變化，防止管路堵塞。

2.2盾構機主軸承密封及潤滑配置

兩臺盾構機均為小直徑軸承（2.6米），外密封為三道迷宮式橡膠密封，內密封兩道橡膠密封，外密封采用最外層HBW油脂注入密封，后兩道及內密封采用EP2潤滑脂。盾構區間過江段相對埋深較大，降低水頭壓力最大處可達3.5公斤，在施工掘進中為了更好的保護主軸承防止密封擊穿失效，時刻密切關注潤滑油脂注入量及HBW油脂注入脈沖和注入量，潤滑油脂和HBW油脂均采用易注入，且粘度指標相對高的產品，尤其是HBW油脂的質量，防止在注入過程中堵塞分配閥。

2.3盾尾密封

本區間兩臺盾構機尾盾長度均為3.7米，出廠設計為三道盾尾刷，受長度限制不易增加，故改造為4道盾尾刷，考慮到過江段水頭壓力大，裂隙發育豐富，在下井前更換的盾尾刷均采購高強度，高彈性，增強型鋼絲盾尾刷。焊接過程中嚴格監控焊接質量。初始手涂油脂選擇進口高質量手涂油脂，涂抹過程中保證涂抹質量，且保證每層鋼絲束均充滿油脂，鋼絲刷彈性鋼板三角區域均塞滿油脂，保證彈性鋼板受壓恢復后產生小的間隙并加強密封效果。

3 盾構區間施工主要風險分析

3.1盾構機穿越北亭斷裂帶

南村站～中央風機房盾構區間于YDK17+427附近穿越了北亭斷層，斷裂帶地段巖體相對較破碎，完整性較差，地下水較豐富，活動劇烈。

可能存在的風險： 盾構穿越該區域易引起盾構機噴涌、造成地層失水過多從而引起地表沉降，危機頂部的房屋。

3.2下穿市頭村多幢房屋

盾構機在里程YDK17+400-YDK17+900范圍內穿越市頭村隧道正上方房屋30座，影響范圍內房屋130余棟。房屋主要為2-5層樓房，個別為平房。房屋大部分都為磚混結構，有少數房屋為混凝土結構，房屋基礎為條形基礎、松木樁和混凝土灌注樁基礎。

可能存在的風險：（1）建筑物在隧道施工影響范圍內對盾構引起的地表沉降較為敏感。（2）盾構掘進時產生的不均勻沉降會導致影響范圍內房屋基礎橫、縱向附加不均勻沉降，可能造成房屋開裂、傾覆、倒塌等現象。對危舊房屋的影響會進一步加嚴重。

3.3盾構機過珠江瀝滘水道

盾構機在通過房屋后，還要穿越一條600米長的珠江瀝滘水道，珠江瀝滘水道水深2.3m～19.7m，隧道洞頂埋深11.5m～33.0m。

可能存在的風險：

（1）隧道范圍內水頭壓較大，可能會引起噴涌、突水、盾尾刷被擊穿等突發情況，若水量較大不能及時有效控制，可能會淹沒盾構機，甚至危及設備和人員安全。（2）盾尾漏水、漏漿。（3）主軸承密封失效。（4）鉸接密封失效。（5）盾構江底換刀安全風險：坍塌、氣體中毒、減壓病等。（6）在右線過江段有4個地質鉆孔位于隧道正上方，地質鉆孔與珠江貫通，易引發噴涌，嚴重時可能造成江水倒灌。（7）盾構法施工安全風險：硬巖段盾構機卡殼風險、隧道水平運輸風險、管片上浮、破損。

4 盾構區間施工重難點分析

4.1保證開挖面土體穩定

珠江瀝滘段隧道拱頂上方覆土條件復雜，且水壓力相對土壓力更大，如何控制降低施工擾動、防止地表沉降、確保盾構施工質量、避免發生涌水，坍塌等災害是珠江瀝滘段盾構區間掘進施工的一大難點。

4.2保證盾構機密封系統完好

盾構過江時，需確保盾構的盾尾和鉸接密封、主軸承密封、出土螺旋機密封系統完好，3大密封系統的完好有效性是保證土壓平衡盾構機在高水壓環境下順利、安全掘進的必要前提。在施工中要時刻密切關注三大密封系統的完好有效。

4.3控制管片上浮

在硬巖地層中掘進，一般土倉壓力較小，造成同步注漿漿液的快速流失，形成管片與巖層之間的空洞，后方的水系順著該空洞穿過盾殼與土體的間隙流入土倉內，形成螺旋出土口處的噴涌，同時加劇了漿液的流失。若不能有效的封堵過水通道，則形成惡性循環。噴涌加劇、施工困難同時伴隨著管片上浮。

4.4進行合理的刀具選擇配置

隧道范圍內存在混合巖強、中、微風化硬巖地層，且軟硬不均，石英含量也高，盾構掘進過程中對刀具的磨損大，如何進行合理的刀具選擇配置，防止刀具發生非正常磨損，損壞;如何在掘進過程中設定合理優化的盾構掘進參數，保護好刀盤、刀具，減小刀具的磨損量，且保證有效連續掘進施工，減少開倉換刀次數;在珠江瀝滘內一次性通過的可能性太小，要多次換刀，當刀具磨損到一定程度時，需要在珠江瀝滘內選擇適當安全位置進行換刀作業，如何選擇適當位置，從而保證換刀工作的安全、快捷、及時是本段盾構施工的一大難點。

5過珠江段施工主要安全風險及控制措施

5.1過珠江風險的識別

盾構下穿珠江瀝滘水道施工的風險評估等級為Ⅱ級，屬于工程自身風險，風險控制等級為總部級。施工中主要的風險源有以下幾點：

（1）隧道范圍內水頭壓較大，可能會引起噴涌、突水、坍塌、盾尾刷被擊穿等情況，若水量較大不能及時有效控制，可能會淹沒盾構機，甚至危及設備和人員安全。（2）盾尾漏水、漏漿。（3）主軸承密封失效。（4）鉸接密封失效。（5）盾構江底換刀安全風險：坍塌、氣體中毒、減壓病等。（6）在右線過江段有4個地質鉆孔位于隧道正上方，地質鉆孔與珠江貫通，易引發噴涌，嚴重時可能造成江水倒灌。（7）盾構法施工安全風險：硬巖段盾構機卡殼風險、隧道水平運輸風險、管片上浮、破損。

5.2施工管理措施

（1）針對性編制盾構機過江專項施工方案，并組織專家進行審核論證，并嚴格按審批的方案施工。（2）針對性編制專項應急預案，提前進行演練并儲備應急物資;建立與相關單位應急聯動機制。（3）加強對作業人員及管理人員的技能培訓、管理培訓、安全教育、安全培訓、應急培訓等，提高施工人員的整體素質及應對問題的能力。（4）提前做好設備的維修保養工作，確保盾構機整體處于良好的運行狀態，現場儲備易發生故障和易損壞的設備部件。（5）加強對電瓶車的檢修，禁止電瓶車帶病作業，加強對軌道的檢查，盾構機雙軌梁前安裝阻軌器等防溜車設施。（6）實行重大風險源領導值班制度。（7）合理組織盾構施工，確保整個現場的工作的有序性和連續性，充分調動整體的工作積極性。（8）嚴格貫徹和落實各項管理制度、風險管控措施和專項方案。（9）做好各項方案、預案的交底工作。

5.3 技術措施

5.3.1施工前地質補勘

因珠江瀝滘水道為主航道，前期地質補勘有8個孔未能進行地質鉆孔，只進行了物探掃描，不能準確的反映珠江的地質情況，在施工前經過多方協調與溝通，對未能鉆孔的8個地質鉆孔注漿進行了地質補勘，詳細了解過江段地質情況，更有利于制定針對有效性施工措施，針對不同的風險，制定有針對性的施工技術措施，做到提前預判，有的放矢。

5.3.2過江前的盾構維修保養

盾構進入珠江瀝滘水道前，右線預計在730環處進行換刀和設備檢修，左線預計在690環處進行換刀和設備檢修，海瑞克盾構機保養部位主要是：

（1）主驅動系統：主要是檢測主驅動密封、旋轉接頭的泄漏情況、主軸承保壓系統調節、主驅動馬達震動和齒輪油檢測。

（2）推進系統：主要檢測推進系統潤滑情況、推進油缸位置調整、管片安裝狀態下壓力測試。

（3）注漿系統：主要檢測盾尾注漿管是否通暢、注漿泵工作壓力和泵送能力。

（4）聚合物系統：檢測聚合物泵的工作情況、管線加入聚合物的可能性，管路是否有效可用。

（5）人倉保壓系統：檢測samsong系統工作的可靠性穩定性，人倉保壓功能完好性和空氣管路泄漏完好情況。

（6）液壓系統：檢測油樣和管線泄漏情況。

（7）泡沫系統：檢測管線的疏通情況。

（8）刀具更換：江底隧道范圍內大部分為中風化、微風化地層，要配置適應硬巖的盾構刀盤。更換全部刀具。

盾構進入珠江瀝滘水道前，著重對主軸承密封、鉸接密封、盾尾密封，螺旋機閘門裝置進行認真的檢查、維護，確保密封效果。

5.3.3注漿系統改造

海瑞克盾構機既有配置同步注漿系統，掘進過程中，通過同步注漿系統向剛脫出盾尾的管片背后空隙中注入同步漿液，以達到將管片和開挖地層間空隙及時快速有效填充密實、固定管片位置、防止管片背后空隙形成積水通道，以此保證盾構隧道管片快速穩定，減少錯臺漏水，保證施工質量。

實際上，根據以往施工經驗，注入的同步漿液凝固時間較長，在巖層穩定或較穩定地段，使用敞開式或欠土壓平衡模式掘進時，注漿漿液難以填充到管片背后拱頂部分空隙，極易形成水流通道，尤其是盾構機在江底基巖中穿過時，后方水流通過管背頂部形成的水流通道匯聚沿盾殼外間隙流入土倉，由此造成螺旋機排碴噴水、涌砂和管片錯臺、漏水、地面沉降等問題，嚴重影響工程進度和質量。

因此，為保證注漿效果，我項目部決定對注漿系統進行改造，增加同步注雙液漿系統，利用現有的同步注漿罐及膨潤土罐來實現同步注雙液漿。同步注漿罐儲存水泥漿，膨潤土罐儲存水玻璃，在掘進的同時注入雙液漿，達到快速有效封頂且漿液不流失效果，能夠快速填充壁后開挖空間穩定管片，隔斷水流通道，。同步注雙液漿的流量可達200L/min，能滿足盾構掘進需求。

5.3.4參數設置

根據盾構機過魚塘等相似地段施工參數總結及左、右線施工的經驗，盾構在過江時掘進<7Z>強風化混合花崗巖地層時，可以選用土壓平衡模式掘進，參數設定為總推力1000～1600T，刀盤轉速1.0～1.5r/min，刀盤扭矩1.5～3.0MN·m，土倉頂壓力為1.6～2.0bar;在掘進<8Z>中風化混合花崗巖、<9Z>微風化混合花崗巖硬巖地層，選用半敞開式掘進模式，參數設定為總推力800～1300T，刀盤轉速1.5～2.5r/min，刀盤扭矩1.0～2.5 MN·m 。施工過程中根據實際情況和監測數據進行實時合理調整及優化掘進參數。

5.3.5防噴涌技術措施

（1）單液漿、雙液漿結合使用，及時環向封堵。在硬巖地層中掘進，尤其是隧道下坡階段，必須快速有效切斷管片與圍巖間隙匯集的地下水與開挖面的水力聯系。隧道區間地層含水層中長度越長，管片背后形成通道儲存的水力和壓力就越大;因此，注漿就要密實填實襯砌空隙才可以有效阻水，減少后方來水通過通道匯入土倉。為保證注漿效果，過巖層段注漿采用單液漿、雙液漿結合使用的方式，及時環向封環，5～10環形成一次雙液漿封環，阻隔后方的來水，每次封環2-3環。在水壓大的情況下，為防止漿液注入過程中被水沖走，我方準備油性聚氨酯及聚氨酯催化劑，保證聚氨酯發泡至特定強度的時間控制在10秒左右，保證注漿效果。另外根據后期的監測情況，進行二次補漿。

（2）掘進控制。盾構掘進過程中，嚴格控制土倉壓力、進尺、出土量，土壓力控制在1.6～2.6bar，每進尺30cm大約出土一渣斗（約12方），保證盾構機連續均衡快速通過。掘進停止時，提前保壓，土倉內壓力保持與外界水土壓力平衡;開始掘進時螺旋機排土前，通過刀盤轉動把土倉內的渣土充分攪拌，使土倉內渣土能夠連續順暢排出，避免渣土離析噴涌或是螺旋機卡死。

（3）改善渣土性能。當噴涌較大時，向土倉內加入高濃度膨潤土、聚合物等改良劑，改善土倉內渣土的特性，使渣土具有良好的可塑性、、和易性、止水性及流動性，便于螺旋輸送機順利連續出渣。

（4）土倉卸壓。當拼裝結束或更換電瓶車后再次掘進之前，發現土倉頂部壓力大于0.6bar時，及時從土倉壁11點鐘方向進行卸壓，將土倉上部的水放出，當土倉頂部壓力卸到小于0.2bar，再轉動刀盤將土倉內的水和土充分攪拌后進行掘進，對防止噴涌具有一定的效果。另外為防止通過卸壓排除的泥水卸到盾尾后不能抽走，增加盾尾清理的工作量，故將卸壓管接到皮帶上，將卸出的泥水放到渣斗里。

（5）確保出土螺旋機閘門系統完好。江底位置盾構掘進地層主要位于<7Z>、<8Z>、<9Z>混合花崗巖地層中，根據已過類似地層的渣樣分析來看，盾構機所切削下來的石塊較小、較均勻，沒有大石塊。石塊卡螺旋機閘門的情況發生的可能性較小。過江前需確保螺旋機閘門的密封系統良好。

（6）易發生噴涌的地層中掘進保證連續快速通過，避免或減少在該地段停機或者進行設備檢修。設專人對盾構機進行維護保養，快速檢查排除故障，盡可能的減少設備故障停機影響施工連續性。同時對設備進行定期或不定期的檢查和維修保養，對于各種設備故障提前做好維修的準備工作，提前預判，減少設備帶病作業。避免問題出現時，不能及時快速恢復運轉。

（7）增加隧道內排污能力，保證隧道正常施工。1）做好排污設備的儲備工作，除現場配備的排污水泵外在倉庫備用足夠的完好可用排污泵，一旦水泵損壞能及時快速更換，保證及時將盾尾積水排出保證連續施工。2）隧道內設置兩套排污系統（一用一備，可以隨時切換），均可將污水直接抽到始發井。3）如果盾尾積水無法及時排出可在喂片機后方增設防水堤（沙袋），隔斷后方來水匯集，同時采取措施將積水向防水堤后方排水優先有效保證管片正常拼裝。

5.3.6防盾尾漏水、漏漿技術措施

（1）進入珠江瀝滘前，通過盾尾鉸接區域黃油嘴注入足量的鋰基脂潤滑油，并對鉸接密封系統進行檢查調整。

（2）掘進過程中嚴格控制盾構機的掘進姿態，保證姿態平緩連續，杜絕頻繁糾偏，或是過急糾偏，時時關注姿態趨勢防止主機形成反向折角。

（3）在過江前對主軸承密封和盾尾密封系統進行全面檢查與維護，如有必要可提前進行內側兩道盾尾刷更換。

（4）盾尾油脂在過江段采用流動性密封性泵送性好的油脂，同時加大盾尾油脂的注入量，在施工中及時進行手動切換保證注入效果。

（5）對注油脂的管路進行改造，加一個三通，通過管片吊裝孔定期向盾尾刷內補注盾尾油脂，防止盾尾漏水。

（6）嚴格控制盾尾油脂的有效注入量，管片拼裝前要充分清理盾尾泥沙積物，并檢查管片密封止水條固定情況;加強檢查盾尾密封腔油脂密封狀況。并根據潮汐變化，不斷調整盾尾油脂和同步注漿的注漿壓力。

5.3.7江底換刀技術措施

（1）開倉換刀前，先在盾尾后5～6環注雙液漿進行封環，同時在盾體外注聚氨酯封住后方來水。

（2）在地層不好的地方換刀時，應先帶壓進倉觀察掌子面，如果掌子面不穩定則帶壓換刀，若確認掌子面穩定時，可改為常壓換刀。

（3）右線進入主航道<7Z>地層前，一定要在<8Z>地層完成一次全面換刀 。

（4）江底換刀時，選擇破巖能力好、耐磨性較高的刀具，盡量減少開倉換刀頻率，換刀時如發現刀具偏磨不轉的，必須進行更換。

5.3.8掘進地質鉆孔區域技術措施

（1）在到達地質鉆孔前，在<8Z>地層進行開倉檢查更換刀具，對設備進行檢查維修，確保盾構機能連續、快速的通過該段區域。

（2）盾構過珠江主航道下部<7Z>地層及地質鉆孔時，土倉上部土壓比計算土壓稍高并且不超過0.2bar（不考慮水壓），故在掘進該段時土倉壓力將控制在1.5bar左右。

（3）聯系有經驗的項目，確認聚氨酯和催化劑的品牌和配比，凝固時間，發泡效果、施工工藝等，并安排工人熟悉施工方法，確保施工時能熟練操作。

（4）每環掘進完成或開倉換刀后嚴格確認關好螺旋輸送機前閘門和人倉門，并定期檢查，確保螺旋輸送機前閘門和人倉門密封完好性能。

（5）確保隧道排污系統的完好性（由于管線較長，需在管線中部設增壓泵或其他措施加壓排水），能及時快速的將隧道內積水抽出來，施工現場多備幾臺15KW的水泵，如水泵損壞，可以及時進行更換。

（6）將相鄰標段左、右線隧道洞門用磚進行封堵，防止因江水倒灌危及相鄰標段安全的事故發生。

5.3.9保證施工連續性的技術措施

（1）選擇合適的掘進模式，設定合理的掘進參數，避免在掘進過程中發生螺旋輸送機卡死、刀盤卡等狀況，保證掘進的順利、連續。

（2）充分調動掘進班的勞動積極性，優化合理安排，定崗定責，加強各個工序之間的銜接，保證盾構施工的連貫性。

（3）加強洞內、洞外、地面的溝通，保證盾構施工的各種材料的供應正確、及時。

（4）根據施工計劃，對各種施工材料及設備及時采購，保證施工材料的充足、設備的完好。

（5）有專業技術人員加強對盾構機配套設備的保養工作，保證設備的完好使用率，減少故障停機。

（6）在洞內安裝道岔，減少換電瓶車時間，保證施工的連續性。

（7）優化電瓶車編組，在一列電瓶車上多加一個管片小車，使管片能一次運進去，節約時間，保證施工連續。

6 結語

本標段屬于在地鐵盾構施工中穿越全斷面硬巖地層相對較長的，并且主要穿越線路均在江底，江面有航道四季通航，過往船只較多，在施工中存在比較大的風險，本項目部在施工前準備充分，施工中組織銜接緊湊，雖然江底巖層強度高，換刀頻率高（在江底雙線前后換刀高達24次），但最終安全順利貫通。通過以上總結梳理以期能為后續盾構施工在相似地質條件下提供借鑒可能。

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收稿日期：2019-06-11

作者簡介：王貫洲（1985—），男，河南汝州人，本科，中級工程師，研究方向：地鐵盾構施工及設備管理;李尊（1990—），男，江蘇徐州人，本科，中級工程師，研究方向：地鐵盾構施工;吳富強（1989—），男，河南鞏義人，大專，中級工程師，研究方向：地鐵盾構施工及設備管理。

The Tunneling Technology of Shield Tunneling for Long Distance Through Full-section Hard Rock

WANG Guan-zhou，LI Zun，WU Fu-qiang

（China Communications Tunnel Engineering Bureau Co.， LTD.， Beijing ?100088）

Abstract：?With the development of our country's economy， the development and utilization of urban underground space is more and more high， the subway， the utility tunnel construction in the use of shield construction technology to an unprecedented height， and vast area in our country， the construction of underground geological condition is very complex， in each city is a new challenge， full face hard iwatomi water geology for subway shield tunnel construction is also considerable difficulty， in the industry has a very high attention， therefore also has a research on this subject has important significance. Combined with relevant practical experience in construction， this paper analyzes the difficulties in construction and countermeasures， and briefly expounds personal views and views on the construction of long distance crossing full-section hard rock water-rich geological shield， so as to provide references for similar strata encountered in subsequent construction.

Keywords：?hard rock rich water geology; Shield tunneling; The construction technology