泥質粉砂巖地層長距離土壓平衡盾構掘進施工技術研究

摘 要：本研究討論了泥質粉砂巖地層中長距離土壓平衡盾構掘進施工技術，分析了長距離掘進中所面臨的地質特點和施工難題。并針對掘進模式的選擇、初始掘進參數的設定與動態調整、設備性能監測與優化、泥餅預防與處理技術、注漿體系運用優化、盾構機姿態控制與糾偏等關鍵施工技術，提出了一系列優化方案。合理的掘進參數和實時動態調整、有效的泥餅控制與多層次注漿體系、精準的姿態控制與糾偏措施等技術保證了長距離掘進的順利推進。

關鍵詞：泥質粉砂巖；長距離掘進；土壓平衡盾構；施工技術；參數調整文章編號：2095-4085（2025）02-0040-03

0 引言

泥質粉砂巖地層下的長距離地鐵隧道掘進施工面臨復雜的地質條件和施工技術難題。由于其巖體完整性差、泥質基質？含量高、遇水易軟化等特點，在盾構掘進過程中容易產生泥餅、發生地層變形等問題，進而影響土壓平衡盾構機的穩定性和掘進效率。地層特性多變及地面環境復雜，增加了在盾構參數設定、刀具選用、不良地層處置、盾構機姿態控制和掘進參數優化等方面的難度。若要克服這些困難，需要合理設置掘進參數、實施動態調整以及優化施工工藝。

1 工程概述

1.1 工程簡述

廣州市白云區一段長距離地鐵隧道工程，隧道左線全長3497.325m，右線全長3496.788m，采用兩臺土壓平衡盾構機由區間小里程端始發進行掘進。盾構機最大開挖直徑為8.8m，隧道襯砌外徑8.5m，內徑7.7m，襯砌厚度0.4m，襯砌環寬1.6m，采用6塊標準塊+1塊楔形塊組合的襯砌形式。施工區間縱斷面最大坡度為-20.6‰，最小坡度為-2‰。

由于隧道所處泥質粉砂巖地層特性多變，裂隙發育且地下水豐富，盾構區間隧道根據穿越地層的不同性質，結合隧道沿線地下與地面環境條件進行了組段劃分，不同組段采用不同的掘進參數設置。施工過程中參數的動態調整、實時監測、同步注漿效果等將是確保隧道安全和順利推進的關鍵。單線隧道貫通歷時480d，正常掘進期間，平均工效約7.5m/d。隧道的建成將顯著提升當地軌道交通網絡的運行效率，促進城市公共交通的進一步發展［1］。

1.2 周邊環境和地下管線現狀

隧道從區間小里程端始發，先后下穿工業園區、多處河涌、市政道路、村落房屋群、超高壓燃氣、流溪河河道等復雜環境。園區及村落建筑物密集，共計283棟淺基或樁基礎建筑，隧道頂部與建筑物樁底最小距離約3.9m，施工風險較大。隧道需下穿或側穿多條地下管線和重要設施，如110KV高壓電塔、超高壓燃氣管道和河道等。為確保施工安全，采用了氣壓輔助掘進模式和實時監控系統，通過掘進工藝的改進，結合實時監測數據優化掘進參數，減少對周邊環境的影響。

1.3 地質水文情況

區間隧道最小覆土14.8m，最大覆土31.9m，隧道洞身范圍地層主要為lt;7-3gt;強風化泥質粉砂巖、lt;8-3gt;中風化泥質粉砂巖、lt;9-3gt;微風化泥質粉砂巖。其中，lt;7-3gt;強風化泥質粉砂巖原巖風化強烈，巖石結構大部分已破壞，巖芯呈半巖半土狀及少量碎塊狀，呈土狀者浸水易軟化。地層標貫擊數57.6擊；lt;8-3gt;中風化泥質粉砂巖為粉砂質結構，中厚至厚層狀構造，泥質鈣質膠結，節理裂隙發育，巖質較軟，錘擊聲啞，RQD20～50％，天然單軸抗壓強度平均值10.3MPa；lt;9-3gt;中風化泥質粉砂巖為泥質層狀構造，鈣質膠結，節理裂隙發育，巖質遇水軟化，失水開裂，錘擊易碎，RQD60～95％，天然單軸抗壓強度平均值15.3MPa。

隧道范圍地下水按賦存方式劃分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。地下水水位埋藏較淺，初見水位埋深0～5.6m，穩定水位埋深0.5～8.2m。基巖裂隙潛水主要賦存在基巖強風化帶和中等風化帶以及巖體中的節理裂隙帶之中，基巖上覆土層為砂層，基巖裂隙水與上部孔隙水聯系較密切，透水性強。

2 掘進參數設定與動態調整

2.1 掘進參數的設定

在泥質粉砂巖地層的長距離地鐵隧道施工中，掘進參數的設定應充分考慮覆土深度及巖土的物理特性、硬度、層理結構、地層滲透系數等情況。然后，針對性選擇推進模式，設置土壓力、推力、扭矩等重要參數［2］。

（1）掘進模式選擇。為適應區間長距離掘進需求，降低刀具磨損，防止結泥餅，提高渣土改良效果，區間掘進施工過程中采用氣壓輔助模式進行掘進，土倉內土位高度一般設置為1/3～1/2，以達到降低渣土改良難度、保護刀具、提高掘進效率的目的。

（2）土壓力。擬設置土壓力值P需與地層土壓力和靜水壓力相平衡，根據地層特性，在泥質粉砂巖地層掘進時擬設土壓力的計算按水土合算考慮。結合區間線路隧道埋深情況計算，土倉壓力值為0.12～0.33Mpa；始發階段，土倉壓力控制值設定位0.12～0.15Mpa。

（3）推進力：根據盾構機掘進時推力作用部位及工程地層特性，將地層分為完整微風化泥質粉砂巖與強風化泥質粉砂巖兩類，并據此計算掘進推力。盾構機推力設置主要由以下五部分組成：

F=F1+F2+F3+F4+F5

其中，F1為盾構外殼與土體之間的摩擦力，F2為刀盤上的水平推力引起的推力，F3為切土所需要的推力，F4為盾尾與管片之間的摩阻力，F5為后方臺車的阻力。結合地層特性及埋深，該區間推力參考值范圍為：20000KN～35000KN。

（4）掘進速度。盾構機的掘進速度主要通過調整盾構推進力、轉速（扭矩）來控制。始發段為試掘進階段，為保證始發安全及設備穩定運行，采用中低速掘進，掘進速度設定為10～30mm/min。

2.2 掘進過程中的參數動態調整

掘進過程中，盾構機需根據實時反饋調整掘進參數，以確保施工的穩定性。隧道埋深、泥質粉砂巖的粘結力、滲透系數、裂隙發育程度等因素會對盾構機的推進力、推進速度和土壓力產生直接影響。因此，土壓力、推力和刀盤轉速等參數在施工過程中需進行實時調節。在強、中風化泥質粉砂巖地層中，若裂隙發育滲透系數大，為避免地層失穩和沉降，土倉壓力可適當提高0.1～0.3bar；在完整微風化泥質粉砂巖中，因裂隙發育減弱透水性，土倉壓力可適當調降0.1～0.3bar，以減輕氣壓輔助模式中保壓設備的消耗。

盾構機的掘進速度主要通過調整盾構推進力、轉速（扭矩）來控制，排土量則主要通過調整螺旋輸送機的轉速來調節。在實際掘進施工中，應根據地質條件、排出的渣土狀態，以及盾構機各項工作狀態參數等進行調整優化（見表1）。

2.3 設備性能監測與參數優化

盾構機的高效運行依賴于實時監測設備性能。現代盾構機配備有多種監控設備，可實時采集推進力、刀盤轉速、液壓系統壓力、土壓力等數據，為優化設備性能提供依據。當推力、扭矩、刀盤轉速、油溫等波動超過±10%時，智能監控系統自動發出警報，并提示控制相應參數。以此可達到降低設備故障、穩定掘進參數、提升掘進工效的目的［3］。

3 泥質粉砂巖地層長距離掘進施工關鍵技術

3.1 泥餅預防與處理技術

3.1.1 泥餅形成機制分析

泥質粉砂巖化由于泥質基質含量高，盾構掘進過程中刀盤刀具易附著渣土，在盾構機刀盤周圍積聚并固化形成泥餅。地層中黏土成分超過25%時渣土流變性降低，會增加泥餅風險。土層水分含量、顆粒分布及地層密實度也對泥漿滲透性產生影響，從而加劇泥餅的形成。調查數據顯示，水分含量低于15%時泥漿粘度增加且穩定性下降，泥餅形成概率上升（見表2）。

3.1.2 預防措施與應急處理方案

當地層未突變且渣溫較高或扭矩明顯增加時，即可判斷刀盤刀具存在結泥餅現象或趨勢。預防措施：加大刀盤中心開口率，中心3m范圍內開口率不小于35%；掘進過程中嚴格控制扭矩，勤測渣溫，異常時，要適當增加水及泡沫的注入量，并觀察盾構掘進參數變化及出渣情況；保持連續掘進，避免長時間停機。應急處置方案：采用泡沫混合液中添加分散劑的方式，降低渣土粘性；渣土改良無法達到效果時開倉清理。

3.2 多層次注漿體系與不良地層處理

3.2.1 多層次注漿體系技術

區間泥質粉砂巖完整性差、裂隙發育、地面環境復雜，長距離盾構掘進致使不利風險因素倍增。結合同步注漿、二次注漿、超前注漿形成多層次注漿體系，可確保掘進工效及安全性。

（1）掘進時采用厚漿同步注漿，注漿量為理論值的1.3～1.8倍，通過地面變形監測結果調節注漿充盈系數，確保襯砌與巖體間隙得到有效填充，進而控制地表沉降。

（2）盾尾頂部55°范圍注入速凝雙液漿及時填充管片頂部空隙，盾尾其他部位同步跟進注入單液砂漿，可有效形成支撐及止水密封，阻斷襯砌背后地下水通道，降低螺旋機噴涌概率。

（3）中盾徑向孔注入濃稠膨潤土，潤滑盾體，降低掘進阻力。

（4）管片脫出盾尾后，根據雷達掃描及上浮監測情況，針對性地進行二次補漿填充；在特殊地段，依據掌子面地質狀況，采用盾體超前鉆孔及鉆注一體機對掌子面實施超前加固，確保掌子面穩定。

3.2.2 不良地層處理處置技術

區間泥質粉砂巖地層中存在風化深槽、斷裂帶等不良地層地質情況，易造成盾構機姿態失穩、盾構掘進困難等問題。不良地層處理措施通常采用地面預注漿或洞內超前注漿方式。漿液注入地層后能夠增強地層的粘結力和穩定性，在通過不良地層時可保證盾構掘進的連續性，避免姿態失穩等風險。注漿加固后盾構機的推進效率提高了18%，并且發生設備故障的概率降低了10%。

3.3 盾構機姿態控制與糾偏技術

3.3.1 姿態實時監測與預警系統

姿態實時監測與預警系統是保障盾構機安全、提高施工精度的重要技術手段。高精度傳感器可實時監測盾構機的傾斜角度、水平位移和推進速度等參數，從而實現對盾構機狀態的實時跟蹤。安裝該系統后盾構機的姿態監測精度提高了20%，能夠及時發現潛在的姿態偏差或故障。裝配實時監測系統后，盾構機故障率降低了約18%，在長距離隧道施工中能早期發現異常，防止設備損壞［4］。

3.3.2 糾偏措施與效果分析

采用自動控制系統與激光導向系統糾偏，可避免施工路徑偏離，提升效率。激光導向系統能將偏差控制在±5mm內，極大提高了掘進準確性。實施糾偏后，掘進速度提升10%～15%，整體施工時間節省8%～12%。數據表明，使用這些技術，隧道掘進的推進效率提升約15%，設備損壞率降低20%。

3.4 盾構刀盤針對性設計及開倉管理

在復合泥質粉砂巖地層長距離掘進中，刀盤配置是關鍵。需兼顧強度、剛度、穩定性及耐磨性，以減少結泥餅風險。刀盤外周鑲嵌合金耐磨條，正面用復合式耐磨板，邊緣及過渡區域采用耐磨網格，可增強耐磨性。刀盤中心區域采用整體面板加強，中心開口率要≥35%，可有效降低泥餅形成的風險。

合理配置刀具可延長使用壽命、減少開倉換刀次數、降低施工風險。結合隧道線路地面環境風險及地層變化情況，可預設開倉點位，間距500～800m，可依據推進情況和實時數據進行調整。精確控制開倉間距，能優化推進力，確保盾構機穩定高效掘進［5］。

4 結語

復合泥質粉砂巖地層中長距離盾構隧道施工，刀盤的針對性設計、掘進參數設定、注漿體系及工藝等因素對施工效率和安全性具有重要影響。刀盤針對性設計是滿足長距離盾構隧道掘進施工的前提保障；盾構參數的合理設置及動態調整，貫穿隧道掘進全過程，與多層次注漿體系技術結合運用，可有效規避施工風險，提升掘進工效；而實時監測與預警系統結合糾偏措施能夠及時調整盾構姿態，防止失衡，從而確保施工順利進行。

參考文獻：

［1］蔡茂軍.土壓平衡式盾構機在地鐵隧道施工中的應用技術［J］.工程機械與維修，2024（1）：123-125.

［2］胡紀寧.土壓平衡盾構機在地鐵施工中的應用探究［J］.工程機械與維修，2023（6）：164-166.

［3］姜華龍.土壓平衡盾構近距離下穿既有地鐵無配筋二次襯砌大斷面隧道施工技術［J］.隧道建設（中英文），2023，43（5）：837-846.

［4］張明鋒，李玲.地鐵隧道土壓平衡盾構始發掘進施工技術［J］.建筑機械化，2022，43（7）：62-65.

［5］鐘志全.狹窄空間土壓平衡盾構分體始發施工技術——以新加坡地鐵C715項目盾構隧道為例［J］.隧道建設（中英文），2020，40（8）：1197-1202.

作者簡介：肖磊（1989—），男，漢族，湖南長沙人，本科，工程師。研究方向：地鐵暗挖施工技術。