盾構穿越特殊地層掘進施工技術應用分析

曲艷強

摘要：依托沈陽地鐵10號線萬泉公園站～泉園一路站盾構隧道工程，大致分析了沈陽典型礫砂、圓礫地層土壓平衡式盾構的掘進時土壓控制原則，并結合現場管片上浮不良現象以及盾尾鉸接拖拉故障，分析原因并提出切實可行的處理措施。

關鍵詞：盾構;特殊地層;掘進施工技術

隨著城市化進程的加快，盾構隧道建設呈現蓬勃發展的趨勢，在盾構隧道建設過程中，會遇到各種復雜地層，其中巖溶不良地質條件是困擾盾構隧道順利建設的關鍵技術難題。在對探明巖溶不良地層進行處理時，存在處理方法選取困難，地層處理參數選取多依靠經驗，不良地層處理質量難以把控，進而造成后續盾構穿越巖溶不良地層時出現開挖面坍塌、刀盤結泥餅、噴涌等常見風險。

一、工程簡介

長春地鐵2號線一期工程施工線路始于西湖站止于東方廣場站，整條線路長約20.5km，共設車站19座.本項目所涉及的世紀大街站-東方廣場站區間左右線均為盾構區間，左、右線設計起迄止里程范圍均為K39+17.862～K39+992.257，設計范圍左、右線長度分別為974.36m和974.395m（區間左線在里程K39+945.737處存在短鏈0.035）。

區間左、右線平面均由直線段和R =1500m，R =1000m，R =1200m的三處曲線段構成，區間出世紀廣場站后線間距為13.5m，然后逐漸減小到13.0m，至東方廣場站時線路線間距增至13.5m。區間縱向基本呈“V”字坡，自西向東坡度依次為+2‰、-21‰、-4‰、+8‰、+26‰、-2‰、（-為下坡，+為上坡），左、右線設計軌面高程均為182.276～190.628。隧道埋置局部較深，其結構覆土為10.21m～17.09m。區間附屬結構包含一座聯絡通道（左線中心里程為K39+489.428，右線中心里程K39+490.000），聯絡通道與泵站合建。

本區間采用兩臺盾構機從世紀大街站始發，東方廣場站接收吊出，擬投入本區間工程施工的兩臺盾構機分別為一臺Φ6280mm維爾特盾構機及一臺Φ6140mm三菱RME246SE盾構機， 盾構從世紀大道站開始，盾牌穿越吉林路，地面交通十分繁忙，地下管線復雜而且多，在盾構施工期間，發現右線隧道70-90環，140-390環，間隔左線70-90環，140-200環，部分參數在隧道施工過程中發生明顯變化，例如刀頭上扭矩的增加。

二、盾構改良技術

（一）流體部分

第一，增加1路刀具中心沖洗，增加2號拖車怠速位置的增壓沖洗泵（功率11kW，流量20m3 / h，最大壓力20×100kPa），氣動球閥設置在噴水管，主控室控制氣動球閥的開啟和關閉;第二，在刀頭上添加兩道膨潤土注射系統。 由于現有膨潤土泵的排量較小，需要增加一個軟管泵和兩個控制氣動球閥，單管單泵功能可單獨或同時注入第三，當中心旋轉接頭增加膨潤土通道時，相應的跑道密封潤滑需要相應增加，使用多點泵的預留出口增加潤滑線。

（二）刀盤及回轉接頭部分

一方面，重新制作旋轉接頭，旋轉接頭包含6個通道，包括4路泡沫和2路膨潤土，中心通孔是刀頭的中心沖洗通道，新制的旋轉接頭和原始旋轉接頭采用法蘭連接法蘭。在連接方式中，盡量避免新制旋轉接頭的不同軸和刀頭的旋轉中心的問題;另一方面，在刀頭的適當位置加兩個或兩個噴嘴，使刀頭的噴嘴總數達到六個，并根據噴嘴的位置重新定位泡沫，膨潤土的位置分布，噴管在外部鋪設的，外管焊接有保護蓋以保護管道，用橡膠材料代替原刀盤泡沫噴口的尼龍板，增加噴口板的孔徑。

（三）電氣部分

首先在主控室增加顯示屏。顯示器包括膨潤土泵的啟動和停止，增壓泵的啟動和停止，以及水射流氣動球閥的啟動和關閉嗎，操作面板增加電位計旋鈕以控制軟管泵的流量;另外，用PLC模塊的配電柜，控制軟管泵的變頻器，開關，繼電器以及用于增壓泵的開關和繼電器。

三、始發段管片上浮原因分析及控制措施

（一）始發段管片上浮現象

襯砌管片脫離盾尾后，管片上浮是盾構隧道施工過程中普遍存在的問題。直徑6m左右的盾構隧道管片上浮量一般在0～60mm之間，但有些情況下局部地段上浮量超過了限定值100mm，引起襯砌結構侵入建筑界限。本工程施工中，尤其是始發段，發生了管片上浮量較大的不良現象。即盾構推進時，盾構姿態與設計軸線比較，基本控制在軸線下0～30mm，但后面管片測量時，發現管片上浮量較大，連續幾十環在軸線上方40～60mm，對施工造成困擾。測量結果顯示，盾構的姿態顯示是正確無誤的，管片在脫離盾尾前有少量的上浮，即下坡段上部的盾尾間隙小;管片脫離盾尾后的幾環，管片上浮量是逐步增大的;大概2天后管片上浮量基本固定，只有微量變化。管片上浮主要發生在管片脫離盾尾到掘進后2天的時間段內。

（二）始發段管片上浮原因分析

第一，地下水力砂礫砂層具有較大的透水系數，是一個較強的滲透層。在盾構掘進完成后，段外的建筑物間隙充滿水（或漿液），并且該段處于懸浮狀態，該浮力是多少？以項目段的設計參數為例：段的外徑為6000mm，厚度為300mm，寬度為1200mm。環件的重量為G = 161kN（混凝土密度根據2.5t / m3計算），環形件接收浮力F = 339kN（管排水量為33.9m3），F> G.該段的浮力大于其自身重量。在全截面地下水（或未固化的泥漿）的條件下，該段本身具有上升的趨勢;第二，盾構反推力盾構姿態，盾尾姿態和分段姿態。這三種姿勢在隧道掘進過程中可能不完全重合，并且存在一定的角度。起始段是下坡，并在穩定良好的礫石砂層中下坡行駛。推進系統的上分組壓力不一定小于下分組壓力，甚至可以更大。當在下坡路段中進行隧道掘進時，盾構推進系統自身的推力方向是“向后和向上傾斜”。根據力學原理，推進力可以分解為水平方向和垂直分量。該段在垂直分力的作用下向上移位，最后在高程方向上浮動現象;第三，分段螺栓擰緊。形成的段通過螺栓在環向和縱向上連接，在同步灌漿漿料凝固之前固定段取決于分段螺栓，分段螺栓如果松動，就會加劇相應的管件松動或者上浮浮動。

（三）始發段管片上浮控制措施

1、適當的注漿方法考慮地下水（未凝結的漿液）的原因，只要管片浸泡在盾構掘進形成的建筑空間內的“液體”（地下水、漿液）內，管片就永遠存在上浮的趨勢。由于管片螺栓的剛性固定作用，管片剛脫離盾尾的2～3環長度內，由于受到盾尾的約束力，管片不會上浮。這時只要漿液及時凝固，管片上浮的趨勢就會被遏制。從漿液的凝固時間上，同步注漿系統注入雙液漿，可使漿液盡快凝固，遏制管片上浮。但國內生產盾構大部分都是注入的水泥砂漿，設備本身性能上不滿足此項要求。要求漿液在盡可能短的時間內凝固，就要在水泥砂漿性能上和注入方式上來解決問題。一是調整合適的水泥砂漿配合比，增加漿液的和易性、降低離析，初凝時間控制在4～6h;二是掘進過后，及時在盾尾后5～10管片上部進行二次注漿（雙液漿最好）。2、控制盾構參數掘進日進尺過快，與同步注漿漿液的快速凝結是矛盾的。掘進速度快，同步注漿漿液不能及時凝固，管片懸浮造成上浮現象。因此，同步注漿采取水泥砂漿的盾構設備，掘進速度一定要控制，每天8～12環為宜。盾構過量的蛇形運動勢必造成頻繁的糾偏，這個過程就是管片環面受力不均的過程，極易造成盾構姿態、盾尾姿態、管片姿態的不匹配，造成管片豎直向上分力的加大。掘進過程中必須控制好盾構的姿態，盡可能使其沿設計軸線前行，若發生偏差，糾偏時不能猛糾急糾，人為造成管片

環面受力不均。

四、盾構掘進保證措施

（一）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。

（二）針對盾構掘進施工重難點處理措施

盾構隧道通過補充大于1米的孤石來確定，地質鉆機用于在地面鉆孔，采用專用PVC管將炸藥引入孔內，在孔外進行爆破處理。在施工過程中，必須嚴格監控推進缸和盾構機姿態的突然變化，筒倉壓力的變化和氡的量。如果發現異常，請進入筒倉進行檢查，以確定是否有單獨的石頭并確定單獨的石頭。與刀頭的位置關系。在隧道掘進過程中，當礦石被卡在刀頭中或與刀盤一起旋轉以擾亂周圍的土壤時，考慮從洞內土倉內進行處理，在倉庫中，巖石分離器主要用于處理孤石。鑒于孤石的堅硬特征，在工具選擇中使用超硬耐磨滾刀將顯著提高工具的破巖能力，并且在挖掘過程中將以低速切割成碎片，如果隧道掘進速度非常慢或巖石與刀頭一起滾動，則應將其輸入土壤倉進行手動處理。靜態巖石爆破，爆破爆破和特殊工具可用于移除孤石，對于較小的孤石，通過注漿加固來加固地層，并在加固后將周圍土壤和孤石形成一個整體，然后用盾構機破碎巖石。

（三）確保同步注漿與二次注漿

同步注漿用砂漿，依據地層情況試配確定配合比，綜合考慮漿液拌和及運輸時間，初凝時間一般控制在5～6h，每班取樣兩次。注漿壓力比土體靜水壓力大0.05MPa，注漿與推進同步、勻速注入;注漿過程中密切關注盾尾漏漿情況，若出現滲漏，停止掘進和注漿，相應位置連續泵入盾尾油脂，以不滲漏為準，恢復推進后注漿注意控制壓力。停機期間關閉單向閥，每隔10min注入一次，以免堵管;停機時間≥1h時，需注入膨潤土保管，對泵頭進行清洗;停機時間≥4h時，需注入膨潤土保管，拆除軟管接頭，對泵頭和管路進行清洗。二次注漿有三種方式：在脫出盾尾后第四環位置頂部（曲線段為轉彎外側管片上半部）注入雙液漿（1：1）或水玻璃（試驗確定，控制初凝時間在30～40s）以盡早固結穩定管片，避免管片上浮，確保姿態;從盾尾倒數第七環開始每間隔五環往后從頂部進行單液漿（水泥漿）注入，單孔單次0.5～1.5m3;后期管片脫出臺車后依據隧道滲漏水情況進行對應注漿（注漿如壓力上升較快，間隙注），注意盡可能與前次注漿位置錯開。（6）依據渣土松散系數及含水率，密切關注渣土情況和出渣量，結合渣土體積和吊裝重量確定單環出渣量，避免超挖或欠挖。（7）在富水砂層掘進盡量做到連續快速掘進，確保各工序間銜接順暢，盡量減少停機次數和時間。（8）做好地面及成型隧道監測工作，及時反饋相關信息以指導具體施工。（9）對影響范圍內管線、建構筑物進行事先調查和鑒定，采取遷移、加固等措施。（10）加強管片拼裝質量，對管片螺栓進行至少三次復擰。及時對盾尾泥水進行清理，除對流出的含有較多砂土的盾尾油脂進行清除外，其他可以暫時保留。

五、結語：

設備的改進提高了土壤的流動塑性，確保了土壓力平衡的建立，避免了刀盤超過額定扭矩和刀盤結餅等現象。 隨隧道中土壤的沉降呈“V”形變化，兩側沉降變化受現有樁基的遮攔作用影響，導致隧道兩側的變化不完全一致，沉降呈 均勻現象，滿足規范的要求。

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