地鐵盾構機穿越復雜地質施工工藝

劉 臣

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 工程概況

常州市軌道交通1 號線一期工程線路長約33.837 km，沿線包含地下站27 座、高架站2 座共29 座車站，平均站間距約1.2 km。根據工程規劃，設新龍車輛段、城南停車場、控制中心1座、主變電站3 座，并根據地鐵路線運行需求配套機電系統，以提高地鐵運行水平。

2 工程難點

根據地質勘探報告，本標段二條盾構隧道均穿越粉砂層，盾構機的姿態不易控制、推進困難，地面沉降發生概率較大且有明顯的破壞性作用，迫使周邊的現狀建筑物以及管線受損。應對措施如下：

（1）盾構進入粉砂層，實施“保頭護尾、信息化施工”，不漏漿不沉降。保住盾頭土壓力及改善正面土體（加泡沫添加劑），護住盾構鋼絲刷不被破壞而發生漏漿漏水現象。

（2）嚴格控制調整盾構掘進參數，盾構期間加強觀察、動態糾偏，保證隧道軸線在規范范圍內。

（3）盾構施工期間采取防護措施，即注漿與掘進兩項工作同步推進，控制漿液質量及注漿量，并在實際施工過程中要按照具體內容（如環境條件、地質狀態、監測反饋等）適當地調整鉆進速度、出土量等主要作業參數，提高其與實際環境的適應性水平，最大限度減小地表的沉降量和隆起量，嚴格控制隧道后期沉降量和不均勻沉降量。

（4）進入粉砂層應及時足量注入泡沫添加劑，改善土質；精細化調控壓力倉壓力和排土量，防止刀盤及土倉聚積泥餅或堵塞輸送管道。

3 盾構穿越建（構）筑物的施工

著重考慮的是隧道中心線左右各20 m 的范圍，因容易受到盾構穿越施工的影響，有必要加強防控。具體的控制性措施做如下分析。

3.1 盾構穿越樓房段施工控制

3.1.1 同步注漿施工參數控制

盾構穿越樓房段同步注漿質量配比如下：水∶黃沙∶粉煤灰∶膨潤土∶石灰∶外加劑=530∶800∶400∶60∶70∶3。其中，將坍落度作為關鍵的漿液質量控制指標，并根據砂的含水量調整拌和水用量。

3.1.2 注漿壓力

注漿壓力：0.3～0.4 MPa。

3.1.3 注漿量

正常掘進段4.0 m3/環，鄰近或下穿建筑段5.0 m3/環，砂層段注漿量應適當加大。

3.1.4 二次注漿施工參數控制

（1）注漿范圍：橫向為盾構機中軸線左右各20 m，縱向為建筑物兩端各100 m；進出洞和聯絡通道兩側各10 環進行二次補漿。

（2）漿液名稱：雙液漿（AB 液）。

（3）注漿壓力：0.3～0.4 MPa。

（4）注漿量：按1.2 m3/環控制。

（5）漿液性能：為滿足施工要求，膠凝時間約為1 min。

（6）注漿點位：管片脫出盾尾3 環開始每環注漿。

3.2 注漿設備的設置方式

3.2.1 采用盾構壁后同步注漿方式

（1）同步注漿裝置組成。以注漿泵、清洗泵、儲漿槽及管路為核心，配套閥件等相關輔助裝置，經過整合后安裝至第一節臺車上。在盾構掘進過程中適時安排注漿，啟動注漿泵，利用該裝置將儲漿槽的漿液泵出，通過輸漿管道傳輸實現同步注漿，通過漿液的注入，有效填充環形空隙，使其保持密實、穩定。

（2）注漿控制：①分別為各輸漿管道適配壓力傳感器，并安裝監控設備，用于實時監測各環的注漿施工情況（根據注漿壓力和注漿量予以判斷）；各注漿管分別有2 個調整閥，根據實際注漿狀況靈活調節，例如在注漿壓力偏大時某個閥使泵關閉，而壓力降低時則開啟；②注漿壓力、注漿量兩項參數的控制模式根據實際需求進行選擇，手動控制可針對各管道做精細化的單獨控制操作，自動控制能夠完成對全部管道的同步控制。

（3）盾尾止漿密封。3 道鋼絲刷加注盾尾油脂密封，在落實多重密封措施后，有效封堵管片外部的縫隙，以免周邊的地下水、灌漿材料等進入，為壁后注漿工作的順利開展創設良好條件[1]。

3.2.2 二次注漿

（1）盾構機穿越后，加強對地面以及建筑物的監測，判斷其在盾構施工擾動作用下是否有沉降及變形現象，若有則對比分析實際沉降值、變形值與預警值的關系，實測數據接近預警值時，表明同步注漿效果較差，需二次補注漿。材料選擇的是水泥水玻璃雙液漿，通過漿液的進一步注入，填充前一次注漿中密實性不足的部分。經過兩次注漿后，減小土體的后期沉降[2]。

（2）在注漿孔設逆止閥，雙液漿被注入后，若無異常則及時清洗注漿設備，避免漿液在其中發生凝固。

4 軟硬不均地層中的盾構掘進

在本工程中，盾構掘進過程會經過一段條件特殊的地質，具體表現為：①上部全風化、強風化；②下部弱風化、微風化。針對這一情況，在實際盾構掘進過程中，考慮到因上下部土質抗壓強度所產生的差異可能會導致盾構機發生較嚴重過的偏位現象，因此施工單位采取了相應措施：

（1）在控制盾構掘進速度方面，可根據實際情況放緩，調整的目的在于讓刀盤可以有效應對堅硬巖層，讓該巖層破碎同時也必須考慮刀盤在堅硬巖層施工過程中的損耗。為了在一定程度上保護刀盤與在合理范圍內降低推力，本工程將刀盤參數調整為“轉速減小至1.0 r/min 左右、貫入量約5 mm/r”。

（2）為使盾構機按計劃完成切割任務，可以在其盾構鉸接部位配置對應的千斤頂，并根據實際勘測來判斷出刀盤傾角的可調整范圍，在此參數內加以變化，從而進一步確保盾構掘進過程可以使軸線更合理。

（3）要根據不同區域檢測及控制盾構掘進過程中的千斤頂油壓。通常情況下，巖石較硬時增大油壓，巖石較軟時降低油壓。

（4）必須將“土壓平衡”作為基礎性原則，從而讓出土量更具合理性。

（5）為了使盾構機在掘進過程發生偏差時能夠通過替換超挖刀方式來實現快速超挖，可以在刀盤上配套超挖刀。該方式還能實現糾偏需求，保證盾構機在掘進過程與設計軸線保持一致。

5 盾構穿越中、微風化巖層

在本工程中，隨著盾構掘進時長的增加，刀盤刀具出現一定磨損，導致切割的巖體碎片不規整，影響螺旋輸出機正常排渣的施工節奏。針對這一情況，采取以下措施：

（1）將盾構機設置為敞開式或半敞開式，以提高盾構掘進效率。

（2）盾構到達硬巖地段時及時換刀。

（3）由于泡沫劑可以在一定程度上緩解刀具磨損并減小刀盤扭矩，可以在適當的時候根據實際情況進行加注。

6 盾構施工遇孤石的應用措施

孤石作為花崗巖不均勻風化的產物，其在分布方面普遍存在離散型大、埋藏深度大、空間賦存不規則等特點。本工程施工過程中遇到的孤石單軸抗壓強度較高，這是因為孤石區域四周很大可能存在強風化帶花崗巖，因此吸水性很強。對于盾構施工來說，由于孤石區域碰到水會膨脹并軟化土體，從而使土體穩定性遭到破壞，因此必須具體研究后采取對應解決措施。

6.1 孤石破碎作業原理

考慮到盾構掘進過程刀盤必須具有一定破碎力，本工程使用滾刀作為施工裝置。在運行過程中，滾刀會將通過線作為起點而逐漸形成拉伸力，并經過外力作用來達到破碎孤石的目的[3]。

6.2 盾構對孤石的處理

掘進過程中碰到孤石地層能否取得預想效果，主要由刀具磨損以及孤石排出決定。本工程采取以下措施：

（1）提高刀具耐磨性，以確保盾構機在掘進過程中能夠以設定好的姿態進行施工。

（2）調整孤石排除方法。不同地質與不同盾構機會有不同處理孤石的模式，本工程中，對于直徑小于200 mm 的孤石地層僅需采用常規模式即可；若超出200 mm，則需要根據孤石強度來挑選滿足刀盤開口率和開口寬度這兩項指標的刀具，同時配置符合相關標準的螺旋輸送機。

6.3 盾構選型問題

盾構刀盤為面板式結構，配套開口槽，以焊接的方式在開口處設置粒徑限制器，用于阻隔300～400 mm 以上粒徑的孤石，以免其直接進入刀盤，而對于在該值以內的渣塊則可以進入其中，快速將渣土排出。刀盤的配套裝置較為豐富，如滾刀、刮刀、切刀及撕裂刀，部分超粒徑的孤石被擋在刀盤外，該部分由滾刀處理，經過滾壓操作后破碎、排出。

6.4 控制盾構姿態

當盾構機開始對孤石區域實施施工時，要根據實際情況調整掘進參數，并在此基礎上建立起土壓平衡模式；同時，還要相應地減慢掘進速度和低速轉動刀盤，該步驟的目的在于使孤石區域得到充分碾磨。總之，控制盾構姿態的目的在于保護盾構與刀具，以控制地層沉降。

7 結語

綜上所述，對于盾構施工來說，越復雜地質就意味著更大的施工難度，加之在具體施工過程中往往會不可避免地遇到難以控制的因素，因此必須要根據實際情況適當地調整施工內容，以保證盾構掘進環境的安全性，從而進一步推動復雜地質條件下地鐵建設的有序開展。