復雜地質條件下地鐵盾構工程重難點分析

金昊晨

中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266100

1 工程概況

青島地鐵1號線土建二標，線路總長4.1km，為山東省最長的地鐵復合盾構區間和全線最長的機械作業區間。沿線地質復雜，下穿青島一級水源保護區白沙河、加油站等地段，技術和安全管控難度大，施工重難點多。盾構試掘進作業流程圖如圖1所示，文章對地鐵盾構掘進工程的重點和難點進行了分析，提出了相應的措施，以確保施工質量。

圖1 盾構試掘進作業流程圖

2 地鐵盾構工程施工重難點

2.1 端頭加固

端頭加固是該地鐵盾構施工的重點，由于盾構始發處的盾構機刀盤進洞若沒有按照工程設計要求進行加固，可能會出現地表沉降、突泥和涌水的現象，從而導致始發失敗。因此，始發時要做好全面而詳細的前期準備工作，要確保盾構機掘進作業的安全，保證施工地層的穩定，杜絕端頭地層處發生土體坍塌和涌水等嚴重的意外事故。

2.2 避免洞門密封失效

盾構區間隧道在中風化和微風化巖層中，巖層存在裂隙水，且具有承壓性，盾構機貫入作業面之前，工作人員需清除雜物后立即安裝洞門密封。因此，根據設計及地質圖紙并結合車站開挖情況，對盾構始發時洞門密封失效，產生涌水情況進行防范十分關鍵。

2.3 復合地層盾構機掘進

在盾構機掘進工程中，經掘削破碎后的風化巖與裂隙水混合，又由于刀盤的碾壓溫度不斷增大，刀盤中心部位易結泥餅，導致出現刀盤的扭矩減小、掘進速度減慢、渣土過熱和刀盤的貫入度降低等情況。因此，復合地層的地鐵盾構機掘進工程容易發生刀盤磨損、刀盤結泥餅和噴涌的現象。

2.4 管線沉降控制

青島地鐵1號線氣流區間盾構工程中，管線沉降控制是該工程的難點之一。盾構工程的作業區間多下穿自來水、箱涵、天然氣和雨污水等管線，地下管線分布情況復雜，施工可能會使這些管線損壞，因此對管線沉降進行嚴格把控是保證施工安全的關鍵。

2.5 盾構穿越白沙河

白沙河屬于青島市飲用水一級水源保護區，盾構施工要保證水源保護區的安全。因此，在地質勘查中工作人員未能進行鉆孔取芯檢測，需推斷白沙河盾構掘進段是否會出現較復雜地質條件情況，做到提前判斷，及時預警和有效反饋。

3 地鐵盾構工程重難點的解決措施

3.1 端頭加固措施

全面分析端頭工程的地質、管線分布狀況、地面的建筑情況和端頭的結構，并且通過旋噴樁的方式，加強洞門端頭地層的加固效果。加固后的端頭地層土體要具有較好的獨立性和良好的均勻性，并且盡可能避免滲水現象，若抽芯檢測不達標，則需要再次加固。

3.2 洞門密封失效防范措施

洞門密封失效防范措施如下：（1）規范執行工程設計文件中對鋼環制作和安裝的相關要求，確保洞門處鋼環的工程技術精度；（2）嚴格把控盾構始發的姿態，防止盾構的非正常姿態導致的洞門位置的密封失效；（3）技術人員需對盾構始發的洞門密封進行動態觀察，出現問題要立即匯報，及時進行安全處理；（4）確保盾構機的筒體和簾布橡膠的貼合是緊密的，并且能夠對鉸接壓板進行科學合理的調整。

3.3 刀盤防磨損措施

針對工區盾構區間的地質及水文地質情況，使用面板式結構設計的復合式刀盤，確保刀盤的強度和剛度符合全硬巖開挖的要求，并且可安裝各種類型的滾刀或齒形刀，合理使用各種類型刀具。更重要的是，要在刀盤的面板處和邊緣位置堆焊具有格柵狀的特殊耐磨材料，從而提升所使用刀盤的耐磨性。此外，施工單位還要因地制宜，根據工程開挖的地層土體情況，選用泡沫和膨潤土等土體改良劑，進行渣土的改良。改良劑在刀具的使用過程中能夠起到潤滑和冷卻效果，改善土體的流塑性，不僅能夠抑制刀具的磨損，還能夠減少泥石堵塞螺旋輸送機的問題。在隧道掘進的施工中要選擇合適的盾構機的掘進參數，有效延長刀盤和刀具的使用壽命，從而達到掘進施工要求。

3.4 刀盤防結“泥餅”措施

該標段盾構主要穿越的部分巖層屬于強風化～中風化安山巖，為降低刀盤結“泥餅”的可能性，工作人員要采取以下措施：（1）土倉內土、氣壓力不宜過高，應設法減小刀盤與正面巖土的擠壓應力；（2）加大刀盤中心部位泡沫劑的注入量，減小刀盤與正面土體的碾磨力，改良渣土的流塑性；（3）向螺旋輸送機內添加適量的泡沫或膨潤土，可提升螺旋輸送機的排土能力；（4）出現結泥餅現象，要及時采取清除措施；（5）可以將部分滾刀用齒刀替換，以利于提高所使用刀盤的開口率；（6）在刀盤的面板上，合理構造5個注入孔，并注入改良添加劑。在注入系統中，根據實際情況向每個開挖面注入泡沫、膨潤土和聚合物，從而優化渣土的流動性，提升止水性。

3.5 防噴涌措施

螺旋槳式輸送機內部設有雙傳動閘門，可以根據兩道閘門的先后位和開閉順序來確保輸送土倉與使用螺旋機的進出口處成為一個完全封閉的系統，有效應對螺旋輸送機在施工中產生的噴涌現象。具體措施如下：（1）實時監視螺旋機出土口和土倉的出土情況、壓力變化，假如發生涌水情況，要立即對螺旋機位于出土口處的閘門做關閉處理，保持掘進施工中土倉內的土壓穩定，避免在盾構機掘進過程中水和流沙出現大量噴出現象；（2）往土倉內若干個注入孔注入適量的膨潤土和各類型添加劑，并使用注入壓縮空氣的方法置換和凝聚地下水，必要情況下可以使用高分子聚合物對涌水現象進行有效預防。

3.6 管線沉降控制措施

（1）做好施工前的準備工作，詳細了解管線的狀況和管線防護；（2）采用“適當推進力、勻速通過”的方式組織盾構施工，設置適當的盾構機掘進參數，降低地質變形的風險，建立試驗段，進行施工過程中的問題對照結果分析；（3）在注漿的同時保證填充密實，盡可能縮短襯砌脫出盾尾的暴露時間，通過改良漿液的配比縮短漿液凝固時間；及時進行二次注漿及多次注漿（水泥-水玻璃雙液漿），合理控制注漿壓力；（4）在盾構的穿越過程中，要把控好對管線的監測，然后依據監測結果實時對盾構掘進的相關參數進行科學的調整，確保掘進過程的施工安全。

3.7 盾構穿越白沙河措施

（1）采用合適的工藝對渣土進行改良，使渣土的塑流性符合盾構工程的實際要求。改良后的渣土需具備良好的和易性、均一性，可以對掌子面形成反向泥土壓，保持開挖面穩定，同時還能有效防止刀盤掘進時出現泥餅，降低刀盤和刀具的磨損度。施工過程中要適時根據試驗結果調整渣土的改良配比。文章根據實際施工所遇的地質情況，提出將大量的發泡劑和少量的膨潤土進行配比，并在盾構機掘進中適當加入分散劑和高密度聚合物等添加劑。（2）加強施工監測，通過對盾構掘進施工期間河床土體結構變化進行實時監測，可以有效預測河床變形趨勢，從而第一時間對其進行危險評估，并實施安全預警和應對措施。（3）在盾構機穿越作業之前調整好其性能，對掘進參數和下穿速度做好把控，盡量選擇枯水期，嚴防涌水現象的發生。（4）運用智能信息化施工技術，實時調整掘進參數的同時嚴格控制管理施工過程，防范地面建筑下沉和地表隆起，還要嚴格把控盾構施工后期的地層變形情況。

4 結束語

綜上所述，不同地區的地質環境具有很大區別，受復雜的地質環境影響，地鐵盾構工程的安全性和有效性備受關注。因此，在施工過程中分析地鐵盾構工程的重難點尤為重要，能夠為其他城市的地鐵建設積累寶貴經驗。相關單位對地鐵盾構工程重點和難點進行分析，通過編制科學合理的施工措施，能夠提升盾構工程的質量，為后續地鐵施工提供有力保障。