地質條件對地鐵隧道盾構法施工工藝的影響及風險控制探討

王云仙

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021）

在我國快速發展的城市軌道交通中，盾構施工技術在地鐵區間施工中得到了廣泛的應用。本文從施工的出發、到達、穿越建筑物、特殊地層、穿越河流等幾個方面進行了風險的分析，并歸納了各種危險狀況下的防范措施，并提出了今后盾構施工的主要風險分析和控制方向，為盾構施工及后期的風險管理提供參考。

1 地鐵隧道盾構施工的相關概述

地鐵的安全運營需要對整個隧道的環境有很高的要求，同時還會受到城市的地形和市政基礎設施的影響，所以地鐵隧道的建設非常困難，整個工程的建設周期也很長，需要根據不同的城市情況，進行相應的施工。盾構是一種常用的施工技術，必須采用科學的方法和監控方法，以保證工程的安全。盾構法是指在掘進過程中，施工人員能夠靈活地運用具有保護作用的機械，并根據這些裝置合理地切割巖石和巖石，并對其進行快速的分類。目前，盾構施工已廣泛應用于地鐵隧道施工，使隧道整體質量得以改善。但由于盾構法自身的局限性，在施工過程中極易發生土體坍塌、沉降等問題。因此，有關部門要充分運用適當的儀器進行全面的監控，強化施工管理，并對各種危險問題進行調查研究，防止發生塌方。

2 地鐵隧道盾構施工特點

2.1 盾構施工的優點

在工程施工中，由于工程場地及周圍結構的復雜性和多樣性，盾構法的應用越來越廣泛。其優勢在于，能有效地降低建筑工程對周圍建筑的影響，并能有效地減少對周圍建筑的影響。機械化程度較高的盾構工程，在作業過程中都要遵循一定的程序，從而能夠對工程過程中出現的問題進行有效的管理和控制，既能降低對基層的影響，又能有效地計算出有關的資料。這種方式有很多好處，比如，不會受到天氣的影響，不會對航行造成不良影響。

2.2 盾構施工的缺點

施工過程中會受到許多因素的影響，比如，周圍的障礙物，如果地下存在甲烷等有毒氣體，或者遇到不明地質情況，都會對工程的進度和安全造成一定的影響。在彎道半徑很小，覆蓋層較淺的情況下，采用此方法，施工難度和相應的控制系統都會增加操作難度。因此，施工機械費用較高，對工人的素質要求也較高。

3 地質條件對地鐵隧道盾構法施工的影響

在我國城市地鐵建設中，不可避免地遭遇各類復雜多變的地質條件。其中，盾構法施工所面臨的主要地質災害，可歸納為以下幾類具有代表性的不良地質條件。

3.1 復合地層

復雜地層是我國地鐵工程的一個主要難題，造成工程進度延遲，甚至出現坍塌等問題。隧道剖面的最大特征是其不均勻性、多變性和突變性。復合地層的組合形式多種多樣，但總體上可以劃分為三大類型：（1）在開挖剖面上各層的組合；（2）沿掘進軸線方向的不同地層組合；（3）以上兩種。復雜巖層存在的主要問題有刀盤刀具嚴重磨損、掘進效率低下、掘進工藝參數選取等。

3.2 沼氣地層

城市地下空間的地質結構是非常復雜的，在幾千年的地質運動中，巖石土壤中的有機物在厭氧生物物質的生化作用下，生成了大量的甲烷氣體，這些甲烷氣體通過運動、遷移、聚集、儲存在特定的巖石地層中，從而形成了大量的巖土氣田。天然氣的產生對地鐵隧道建設和以后的地鐵運行安全構成了極大的威脅。地鐵隧道施工中，在靠近或挖掘含甲烷氣體的巖土地層時，會產生大量的甲烷氣體，并迅速向地下通道內蔓延，如果引起瓦斯燃燒或爆炸，后果不堪設想。

3.3 富水砂層

在含豐富地下水的砂巖地層中，由于地下水的含水量、水壓、土的塑性、滲水等因素，建議采用泥水盾構。但是，由于工程地質條件的復雜，在相同地段，有一些部位可以采用土壓平衡式盾構，而另一些部位，則適用于泥水盾構，所以在地鐵施工現場條件下，泥水盾構機數量逐漸減少。土壓平衡式盾構機在穿越沙層時，存在一定的危險性，但只要采取適當的方法，也能獲得良好的效果。在穿越砂巖的隧道中，采用盾構法進行了較長的施工。由于砂土內部存在較大的摩擦角，在盾構機面板、刀盤、出土區長時間的接觸和擠壓作用下，刀盤、刀片、螺旋輸送機等盾構機械會發生磨損，如果對其進行改造，處置不當，極易形成鐵板砂。

3.4 高強度砂卵石、圓礫地層

成都、北京、蘭州等城市的地鐵施工，遇到此類地層是比較普遍的現象。在大型浮石、高滲透水和高滲透水的大范圍地層中，采用了盾構技術，導致局部地層的自穩性較差；大漂石具有顆粒大、單體強度大、摩擦阻力大、含水量大、沿掘進段及掘進斷面不均勻、刀具短時多度磨損、刀具位置偏移、刀具更換困難、刀盤強度、剛度下降、刀盤變形、主軸承密封損壞、盾構掘進受阻或偏離設計線路、開挖面超挖、擾動量大、成型隧道周邊填充不佳甚至地層塌陷等問題，施工風險較大、經濟成本較高。

3.5 含孤石地層

在有孤石的情況下，刀盤往往會發生非正常的磨損和刀盤的磨損，在某些惡劣的情況下，刀盤本體會發生整體的變形，甚至由于工作面的巖石坍塌，導致刀具的損傷；在掘進時，遇到了一種球狀的花崗巖（最大直徑為1.0 ～3.0m)，對鉆頭的損害較大，若操作不當，極易發生卡頓，影響工程進度。

3.6 溶洞、暗河

與孤石巖層相似，勘探的問題也很多。由于地質調查無法完全反映整個溶洞的分布情況，且洞穴自身的分布、自身尺寸和形狀無規則性，無法預測。盾構在穿越喀斯特地層時，會出現盾構埋頭、陷落的情況；由于地下水和地下水壓較高，或采場失水，易導致注漿困難，螺旋輸送機噴涌；刀片在轉動時，由于突然碰到表面凹凸不平的洞穴，會因瞬間加載而使刀具受損；因隧道塌陷造成的嚴重事故。如果由此引起的溶洞充填加固工作不到位，在施工過程中會引起地表塌陷和突水，同時，也會引起盾構在開挖過程中的栽頭、塌陷和偏移。

4 改善盾構法施工受地質影響的措施

4.1 上軟下硬預防措施

（1）采用盾構推進管理系統對反饋信息進行監控，對推進參數進行10 ～15m 的微調，并逐漸減小刀片的推力。（2）在這一層的施工中，要嚴格控制掘進參數，不要有過大的推力，不要有過大的刀片，不要有過多的旋轉，不要有過多的刀片，也不要有過深的鉆頭。在掘進過程中，經常對刀具和刀盤進行系統的檢查。（3）在刀具上裝有一套自動測量儀，對刀具的損傷進行檢測，并對刀具的損傷程度進行評估，如有需要，進行施工方案；使用加壓進料，對刀具的磨損進行檢驗，對部分磨損的刀具進行替換。（4）在盾構機所處的上軟下硬環境中，當土倉上部地質狀況較差時，應盡可能避免更換。如果要頻繁更換這些零件，就要根據目前地層的刀具磨損狀況和線路前方的地質條件，預先確定替換工具的位置，并進行加固，以保證在盾構機抵達指定地點后，可以順利、安全地更換工具。（5）在軟硬不均勻地層中，選取合適的盾構千斤頂和千斤頂的位置，進行試車，并計算出其相對的偏移量，從而調節在重量上的壓力差，直至達到理想的效果。（6）在保證土壤壓力的前提下，避免地層突然涌水。（7）控制挖方的數量，避免因地層土流失而導致開挖面失穩。

應急預案：（1）在盾構施工過程中，由于地質原因造成了工具的損傷，且沒有對地面進行加固，則采用空氣換刀的方式來替換刀具。具體內容參見《壓力換刃專用計劃》。（2）在盾構施工中，由于地質條件惡劣，工具受損，盾構土倉不能保持壓力，采用盾構機前盾的超前注漿孔洞，將刀盤前方和頂部的土體進行固結。打開倉庫，換上新的刀片。（3）在遇到上軟下硬的情況下，盾構機的姿態發生了很大的改變，應立即停止施工，通過在盾構前面的灌漿孔或在地表注漿，以加強盾構前方掌子面的薄弱層，再以小推力、低速度推進，慢慢糾正盾構機的姿態，直到姿態恢復到正常狀態。

4.2 孤石地層中的施工風險

（1）預防措施。①強化地質調查與數據分析，提前了解孤石的分布和規模，在有條件時進行注漿加固，以保證施工質量。②盾構在進入混合巖區后，要密切監測推進油缸、刀片伸縮油缸推力的變化、盾構機的突然姿態變化、土倉壓力和出碴量的變化，發現不正常的情況，必須對土倉進行檢查，以確定是否存在球狀風化、球狀風化物與刀片的位置關系。③在施工期間，要時刻監控刀片和刀片的受力狀況，保證刀片不會超負荷，觀察刀片的受力情況，防止刀片發生變形。

（2）應急預案。①在發現一塊孤石后，應先進入土庫進行檢驗，以確定其尺寸和與刀片之間的關系。②若工作面土壤狀況良好，且孤石數量少，則由施工人員進入土倉，利用小型破石機將其粉碎取出，或將其打碎，或將其打碎，并利用螺旋式清除。③如果孤石很大，不適合使用小型機械，在掘進過程中隨著刀片一起滾動，可以使用盾構機護罩上的注漿孔或在地面上用袖閥管灌漿加固孤石周圍的土壤，將其與周圍的土壤結合起來。然后采用緩慢的掘進方式，磨碎并排出。

4.3 穿越河流或建筑物風險應對措施

合理選用合適的盾構裝備，并推薦采用泥漿平衡式盾構。這種盾構具有較好的密封性能，具有探孔、灌漿裝置和聚合物和膨潤土注射裝置。根據工程地質情況，對盾構施工的速度和總推力進行了強化。掘進速度較慢，推力缸的總推力控制在一定程度上，減小了地層的干擾，避免了對河床的破壞，從而保證了盾構機的正常施工。在盾構機進入河床后，作業人員要根據測得的誤差，適時調整盾構機的施工方向，以減小誤差，減小對土質的影響，保證盾構機能順利通過河床。由于盾構機頭和河床之間的土壤厚度比較小，注漿壓力過大，很容易導致基坑下部的防水層出現流動，所以，注漿壓力宜控制在0.2 ～0.3MPa，注漿量為理論空隙的130%～180%。在進行隧道穿越河道時，會面臨古樹、孤石等情況。在這樣的情況下，如果不采取更好的措施，將會導致工程的進度受到極大的影響，從而導致工程的延誤。對此，施工人員要在盾構機上安裝超聲波探測器，在進行掘進時，要事先對前方的地質情況進行預測，以便能及時發現問題，并采取相應的措施，防止由于開挖造成的阻礙而影響工程的進展。在穿越建筑物之前，要對其周邊土體的影響進行細致的分析，并對其沉降范圍、沉降特征及干擾范圍進行預測，對工程范圍內的建筑物和管道進行全面的勘察，了解其規模、形式、材料、基本結構、使用狀況等。為了有效地控制結構的非均勻沉降，一般采用注漿法對建筑物的邊坡進行加固。在施工過程中，對現場的沉降進行實時觀測，如有需要，應重新進行注漿補強。

5 結語

隨著社會的迅速發展，人民的生活水平不斷提高，經濟和城市化進程的顯著加快，對交通的需求、適用性、便利性的要求也在不斷地增加。根據工程地質情況對施工的影響，提出了改進盾構法在地鐵隧道施工中的應用。這種方法不僅可以推廣使用，還可以有效地降低工程施工中的安全隱患，避免出現安全事故，保證施工人員在施工中的安全和質量，同時滿足了運輸和安全的需要。