全斷面富水砂層盾構施工風險控制措施研究

張濤

（西安市軌道交通集團有限公司，西安710018）

1 工程概況

西安地鐵14號線工程（北客站—賀韶村）依次沿開發大道—學府中路向東路敷設，線路全長13.76 km。尚賢路站—學府路站區間為本線第2個區間，區間隧道采用盾構法施工，盾構由尚賢路站始發后向東掘進，先后下穿徐蘭大西疏解線特大橋、大西高鐵跨西銅公路特大橋及徐蘭高鐵跨灞河特大橋、側穿龍記國會山酒店公寓后在學府路站吊出。

區間隧道主要位于粉砂地層、中砂地層中，地下水位位于隧道拱腰位置。沿線隧道掌子面分布有大量的砂土（2-5-3中砂、局部為2-4-1-3粉砂）。2-5-3中砂，標準貫入試驗的標準貫入擊數N=52.8擊，呈密實狀態，石英含量為75.0%，砂層呈淺黃色、黃灰色、淺灰色，密實、潮濕飽和，屬Ⅰ級松土。

區間隧道地下水位埋深為10.50～13.70 m，地下水位高程在359.73～361.11 m，埋深水位均位于區間隧道拱頂以上。區間隧道洞身均處于全斷面富水砂層。盾構機在砂層掘進時刀盤扭矩大、推力大，刀盤易磨損；地面沉降大，對地下管線和高速鐵路有重大影響。

2 盾構施工過程中的風險

2.1 特殊地層中盾構施工風險

盾構機在富水砂層地質中掘進，由于地層中含水量太高、盾構機盾體重量大或土艙壓力不足，造成盾構機栽頭和盾尾刷密封失效，地下水攜裹泥砂進入盾尾導致隧道變形損壞。砂層中石英含量高、刀盤磨損嚴重、扭矩大、掘進速度慢。螺旋輸送機旋片磨損導致出渣效率低下，筒體摩擦破損造成漏水、漏砂淹沒盾構機和水土流失造成地面塌陷。

2.2 盾構機始發和接收進出洞風險

盾構在始發井進洞時，需要鑿除洞門處鋼筋混凝土擋土墻，然后盾構機在始發托架上空推進入洞圈密封裝置后刀盤開始轉動掘進。在盾構機向前空推的過程中，洞口土體加固效果不理想，并且在空氣中暴露時間較長而發生突泥涌水現象。

盾構機出洞時，地下水量較大，洞門止水簾幕止水效果不好，地下水和泥砂從盾體與洞門密封間隙涌入接收站，嚴重時導致水土流失、后部管片變形和坍塌，造成質量事故。

盾構在進出洞時風險較高，發生事故較多，因此，必須對施工中的每個細節進行控制，加強盾構機進出洞管理。

2.3 盾構穿越運營高鐵的風險

運營高速鐵路的變形要求嚴格，在盾構的穿越施工過程中應對措施不當，對地層產生較大的擾動，從而引起地層土體損失，導致被穿越的鐵路橋樁產生不均勻變形，威脅高速鐵路的運營安全。

2.4 盾構穿越重要管道的風險

給水、燃氣、熱力、電力、雨水、污水等城市管道縱橫交錯、年代久遠，且與人們的生產生活密切相關，盾構機在穿越這些重要的地下管道時，地層原受力平衡被破壞，地下管道可能發生彎曲、破損引起泄漏、燃燒、爆炸，對管線的正常使用造成影響。

2.5 極端天氣的風險

龍卷風、臺風、雷暴、暴雪等極端天氣對盾構施工產生的影響主要有：雨水倒灌、雷擊、臨時設施倒塌、材料運輸中斷、渣土外運中斷、高大設備傾覆、供電中斷等。

3 風險控制措施

3.1 盾構掘進中的風險控制措施

盾構掘進過程中，可以采取以下風險控制措施：

1）制訂盾構掘進風險預控措施。盾構施工前研讀設計圖和地勘資料，并進行線路沿線的現場調查，確定工程地質、水文條件、地下管線、地面建（構）筑物。根據盾構施工特點和施工環境等進行風險辨識，確定風險源，并制定風險控制措施。針對富水砂層地質，優化盾構掘進參數，進行渣土改良，增加預設刀具檢查和換刀點。

2）盾構施工風險預控方案編制。對于風險較高的施工過程，如盾構機進出洞、穿越地下管線、穿越建（構）筑物等，應編制專項施工方案并做好施工過程管理。

3）安裝盾構施工監控系統。在地面施工區域和盾構機上安裝監控系統，實時反饋監測數據和視頻畫面。根據監控系統反饋控制盾構施工參數，如掘進速度、推力、土艙壓力、渣樣變化、刀盤扭矩、刀盤轉速、貫入度、油缸行程、螺旋機轉速、管片拼裝、盾尾注漿、二次注漿、導向系統參數等，確保地面沉降在允許范圍內，盾構施工安全可控。

4）盾構施工設備故障風險管理。盾構機及輔助設備故障是盾構施工的主要風險，必須加強設備的管理：（1）在盾構機安裝和通電調試后按照制造廠的標準逐項進行檢查，不得將帶故障進行始發；（2）每日對設備進行檢查、保養、維修將盾構設備故障視為災害性事故的主要風險源之一，進洞前對盾構進行全面檢查、維修和保養，在盾構掘進中進行每日、每月、每季度的檢查、保養。進行檢查保養，主要檢查幾個方面：（1）電瓶機車的剎車系統磨損和松緊度；（2）盾尾密封系統、鉸接密封系統抵抗施工區段最大水土壓力和注漿壓力的密封性能；（3）盾構機導向系統、推進系統、注漿系統、電氣系統顯示準確、工作正常。

5）盾構注漿控制。（1）在盾構機掘進過程中控制同步注漿的參數，如注漿量、壓力、注漿速度、注漿點位等，并如實記錄。根據地面沉降監測數據檢查同步注漿效果。（2）盾構推進300 m后及時對注漿施工質量進行抽檢。（3）在同步注漿薄弱、地面沉降量大和管片滲漏水部位進行二次注漿確定加固范圍及強度指標。二次注漿中應按注漿技術方案進行，有防止管片偏壓損壞的技術措施。（4）定期對注漿系統進行清理、檢查和維修，確保其正常工作。盾尾油脂泵工作正常，盾尾油脂性能和注入量滿足密封要求，確保盾尾不漏漿、漏水。

6）盾構正面壓力的控制。盾構正面壓力及其固有波動大小是盾構掘進的關鍵參數，應注意以下幾點：（1）盾構始發前，對土壓計重新進行標定，確保其數值準確、可靠；（2）盾構施工前根據地質情況及隧道埋深正確估算土壓，在掘進過程中根據施工進度、地面沉降情況、地表建（構）筑物、地質變化、隧道埋深變化對土壓及時進行調整。

7）盾構姿態的控制。盾構機姿態控制應注意3個方面：（1）依靠土艙壓力、盾構機分區油缸推力和鉸接系統配合進行盾構機糾偏，每次的糾偏量最大應不超過5 mm；（2）根據分區油缸行程、隧道曲線、管片與盾尾的間隙進行管片選型；（3）在小轉彎半徑的曲線段掘進時，加強盾構機自動導向系統測量校核和人工復測，確保測量數據的準確性，促使盾構機形成良好的姿態。

8）制訂應急預案與應急準備。針對盾構施工風險制定應急預案，尤其注意極端天氣下的風險，配備應急設備和物資，經常性地開展應急演練。

3.2 盾構機始發和接收進出洞風險控制

盾構機始發和接收進出洞時風險控制措施包括：

1）洞口地基加固風險控制。常用的端頭加固的方法有高壓旋噴樁法、水泥攪拌樁法、SMW樁法、冷凍法、注漿法和降水法等。在盾構進出洞口前針對富水砂層地質采用旋噴樁的方式加固地基。地基加固按照加固方案進行，注意加固的順序和壓力，原則上加固長度比盾構機盾體長2～3 m，寬度比隧道寬3 m，深度為比隧道深3 m。

在洞門破除前對加固體進行垂直和水平鉆芯取樣檢測，確保其加固性能滿足要求。

2）洞口土體流失風險控制。（1）始發準備完成后方可進行洞門最后支撐破除，以減少土體暴露時間；（2）洞門止水簾幕安裝正確；（3）防止刀盤轉動時損傷密封橡膠帶和折頁板；（4）盾構進洞時折頁板不得外翻，盾構出洞時折頁板和橡膠條要緊箍盾體；（5）在加固土體中掘進時減小土艙壓力，防止土體坍塌流入井內；（6）洞門圈中應預留注漿管。

3）盾構機始發和接收基座變形風險控制。（1）使用計算機軟件理論演算基座的強度和剛度，在盾構機安裝完成后測量基座變形量，防止因變形而導致在盾構機進洞時盾構姿態偏差而影響止水簾幕的防水效果，在盾構機出洞時拉壞盾尾內的管片而發生漏水；（2）盾構基座安裝牢固能抵抗向前推進時盾構機與基座的摩擦力；（3）盾構基座的底面與始發井或接收井底板之間墊平墊實并焊接牢固，基座放置平穩牢固。

4）盾構反力架變形風險控制。對反力架強度進行核算，效驗盾構反力架、支撐及預埋件的強度、剛度和現場焊接的穩定性，防止因反力架支撐體系失穩而引起盾構推進姿態的偏差，損壞管片及洞門止水簾幕。

5）盾構姿態突變風險控制。（1）盾構機始發前檢查始發基座及反力架支撐，確保其牢固可靠；出洞時核算基座標高及水平尺寸；（2）盾構進出洞時，盾構機沿基座軸線推進，不得強行在基座上扭動盾體；（3）盾構出洞前按照管片拼裝要求分3次復緊管片螺栓，用型鋼和鐵楔子將管片環縱向連接起來，增加管片整體性剛度；（4）盾構出洞前調整盾構姿態，基座標高略低于刀盤底標高，洞門位置焊接型鋼支撐，防止盾構機栽頭、不利于盾構接收。

3.3 盾構穿越高速鐵路的風險控制

盾構穿越高速鐵路的風險控制包括：

1）盾構下穿既有高速鐵路時，要絕對保證高鐵正常安全運行。盾構施工時，應在穿越高鐵前后各15 m優選最佳施工參數，加強盾構掘進管理與姿態控制，并在此范圍內管片增設預留注漿孔。根據檢測情況進行二次注漿加固[1]。

2）穿越過程中應及時進行同步注漿和二次注漿，填充因盾構施工產生的土體空隙，嚴格按注漿方案進行注漿。

3）增加監測點的布設，盾構穿越過程中加強對高鐵線路的監控量測，并根據監測結果及時調整盾構掘進參數，確保高鐵運行安全。

4）盾構穿越高鐵之前應與鐵路部門溝通相關穿越要求，進行風險專項設計，通過專家評審后方可進行盾構穿越高鐵施工。

5）于盾構下穿高鐵前50～150 m范圍內設為盾構穿越高鐵試驗段，根據試驗段內檢測數據調整盾構掘進以及注漿參數等，保證盾構順利穿越高鐵橋樁。

4 結語

本文以西安地鐵14號線SGZCB-1標尚賢路站—學府路站區間全斷面富水砂層盾構隧道施工為例，通過分析盾構施工過程中的風險因素，提出詳細的風險控制措施，保證了工程順利進行，為同類地層的盾構隧道施工以及相關研究提供借鑒。