在复合地层进行地铁隧道盾构施工的控制技术研究

张立宗

摘要：详细阐述了在复合地层进行地铁隧道盾构施工在盾构机掘进控制措施、盾构机卡盾和地表漏氣控制措施、注浆加固成环管片、盾构机选型、观测和监测控制等方面的控制技术，通过工程实例验证了该控制技术满足了施工控制需求，达到了课题研究目的。

关键词：复合地层；地铁隧道；盾构施工；控制技术

0   引言

盾构机在地铁隧道掘进过程中遇到复合地层时，容易引起地层扰动，造成出渣超方问题[1]。当地面沉降过大时，会增加坍塌事故出现的频率，很难保证盾构机的安全顺利掘进。根据复合地层的特点，应选择型号适宜的盾构机、配置功能适用的刀盘，并对盾构机各项参数进行控制，并选择出最合理的掘进参数[2]。

在复合地层中进行盾构施工，盾构机的掘进速度与地层阻力、摩擦力等指标有关[3]。由于地层摩擦阻力较大，刀盘刀具磨损增加，影响盾构机的机械性能。在硬岩地层掘进过程中，要实时监测刀盘受力状态与磨损情况，避免刀盘满载运行[4]。基于以上问题，本文研究了复合地层地铁隧道盾构施工控制技术这一课题。

1   复合地层盾构施工控制技术设计

1.1   盾构机掘进控制措施

1.1.1   正常与异常掘进参数

复合地层是两种及以上不同地层组成的地层。盾构机穿越复合地层时，隧道内部和地表建筑的风险不断提高，控制盾构机的推进参数尤为重要。盾构机在直径为6～7m的隧道进行掘进施工时，其刀盘配置的滚刀数量一般为39～46把。

盾构机的正常掘进参数如下：刀盘转速在1.8～2.2r/min之间缓慢变动，扭矩在2000～2500kN·m之间缓慢变动，推进速度在8～15mm/min之间缓慢变动，出土量可控制在正常范围之内。然而盾构机在复合地层的掘进参数会发生变化：刀盘转速在1.8～2.2r/min之间大幅波动；扭矩在2500～3500kN·m之间大幅波动，但是推进速度却在3～10mm/min之间缓慢掘进，容易造成地面沉降、塌陷等风险。

1.1.2   异常原因和控制措施

经分析，盾构机出现异常掘进参数的原因：刀具的磨损量过大；土体改良效果不佳，造成刀盘上结出泥饼；随着刀盘的长时间运转，导致土仓内压力和温度持续升高、泥饼出现烧结效应，导致盾构机掘进缓慢。其控制措施如下：

一是加强刀具检查管理。每掘进3～5m，对刀具进行开仓检查，发现磨损量大的刀具及时更换；选用耐磨性能好的刀具，增加其耐用性；适当增加边缘滚刀的刀刃宽度。二是注重渣土改良工作。刀盘上结出泥饼后，可采用分散性泡沫剂对渣土进行改良，并根据渣土成分及时调整泡沫剂参数。通过旋转的刀盘进行充分搅拌，达到渣土改良效果。

1.2   盾构机卡盾和地表漏气控制措施

1.2.1   盾构机卡盾的原因和解决方法

盾构机在复合硬岩地层中掘进过程中，会发生卡盾现象，此时盾构机尾部的铰接压力增大。卡盾通常有2种情况，其原因和解决方法如下：

一是盾构机在圆曲线小半径掘进时，边缘滚刀磨损量过大且更换不及时，造成开挖直径小于理论转弯角度。解决方法：盾构机边缘滚刀的磨损量不能按照直线段掘进时的磨损量来控制，此时边缘滚刀的磨损量不能超过8mm。在特殊岩层掘进时，宜采用加大边缘滚刀尺寸的方法，以保证盾构直径尺寸。

二是盾构机长时间停机注浆，不慎造成盾构机外围被包裹。解决方法：在注浆之前从分布在盾构机圆周的6个铰接径向孔均匀注入黏稠的膨润土（钠基），注入时保证土仓的压力稳定，防止流入土仓内。在刀盘内加气平衡，在盾尾后侧第2环管片开孔泄压，直至流出膨润土。

1.2.2   地表漏气的原因和解决方法

由于地层不稳定，在带压换刀时容易造成地表漏气，无法正常带压进仓换刀，其解决方法如下：

一是注入泥膜。泥膜是膨润土（钠基）制作的，其制作质量极为关键。膨润土（钠基）的注入量应大于土仓内理论注入量的1.2～1.4倍，直至上部铰接径向孔打开、放出黏稠的膨润土为止，以此起到泥膜的润滑作用，预防盾尾被浆液包裹。

二是注入双液浆。在刀盘面板上方2～3m位置的地面，垂直注入双液浆（水泥：水玻璃为1：0.8），以加固刀盘上方土体。注入过程中刀盘要不间断转动，铰接径向孔定时注入膨润土，防止刀盘及盾体被浆液包裹，并及时填充周边土体的缝隙。双浆液注入后3～5h进仓，从而保证带压进仓作业的安全。该方法处理时间短，效果显著。

1.3   注浆加固成环管片

在复合地层进行盾构掘进时，注浆极为重要。将注浆加固分为同步注浆与二次注浆。在盾构机掘进过程中，在其尾翼形成缝隙时注入浆液。采用4根管路，同时均匀注入浆液，保证填充密实。在缝隙完全填满尾翼之后，凝固时间控制在5～7h实现初凝，能够防止地层变形、控制地层沉降。

当盾构机尾部离开成环管片6～8m后，及时对成环管片进行二次注浆，即注入双液浆，起到快速固结管片、有效防范管片错台及漏水的作用。二次注浆时，要防止浆液串入土仓及盾体的周边，防止浆液包裹盾体及刀盘。宜采用仓内增加气压的方法予以辅助，用气压阻止盾构机后方串浆，起到后方截水作用，预防掘进喷涌现象，提高盾构机掘进功效。

1.4   盾构机选型

根据复合地层的特点，选择CTE6980型复合式土压平衡盾构机。该盾构机的总质量为580t，盾构直径为6.95m，主机长度为9.21m，盾尾间隙为75mm，水平转弯半径为250mm，刀盘开挖直径为6980mm，盾体直径为6950mm，刀盘转速为1～3.7r/min，最大扭矩为6000kN·m，最大工作压力为450kPa。

根据该型盾构机性能参数，选择合适的注浆材料。注浆材料起到加固成环管片和防止渗漏的作用。为此，本文选择流动性强的注浆材料，使浆液能够填充到微小的孔隙中。理论注浆体积计算公式为：

（1）

式（1）中：P为理论注浆体积；l为盾构机的推进距离；F为盾构机外径；d为管片外径。参照理论注浆体积P，控制实际注浆体积。盾构机的推进距离的计算公式为：

l=Vt                   （2）

式（2）中：V为盾构机的推进速度，t为盾构机的推进时间。根据不同地层的厚度、特性、隧道埋深、盾构尺寸、注浆压力分布形式等方面，将注浆压力设定为1.1～1.5倍土层的水土压力，以控制管片变形问题。

1.5   观测和监测控制

1.5.1   地表沉降观测

该盾构施工需按观测控制要求，在施工现场地表布设观测点，对地层沉降情况进行观测控制。地层沉降观测标志以钻孔的形式埋设，穿透路面结构层，在测点加设保护盖板，做出清晰标记，避免观测点在施工时丢失。地表沉降观测点的结构如图1所示。

1.5.2   深层土体观测

观测点的布设考虑到了地下管线与周边建筑物相对应的位置关系。管线观测点以套筒式安装，在待观测的管线相邻位置钻Ф120mm的孔，孔内放置长钢筋做观测杆。

当盾构机临近风险较大的建筑物前，为了提高地表及地表下方土体观测数据的准确性和及时性，增加布置深层观测点。其深度距离隧道拱顶6～8m，水平间距8～10m沿线路方向布置。其主要作用是可以第一时间观测到地表下方土体的稳定性，满足盾构施工下穿风险源观测需求。若观测数据出现异常可以及时有效的采取措施，保证周边建筑物的安全稳定。

1.5.3   隧道内部监测

地铁隧道内的监测包括管片结构竖向位移、管片结构净空收敛等方面，并选用Trimble DINI电子精密水准仪进行现场监测，再使用全站仪对施工高程进行监测。从各项监测设备、各个监测点获取盾构施工过程中的沉降变形情况，并确定变形控制指标。只有实际变形值或沉降值满足控制指标需求，才能保证本次施工质量。

2   实例分析

2.1   工程概况

为了验证本文设计的复合地层地铁隧道盾构施工控制技术是否满足复合地层地铁隧道盾构施工需求，以东莞市城市轨道交通1号线一期第16区间地铁隧道工程为例，对该技术的应用进行实例分析。

第16区间地铁隧道工程位于松山湖站至大朗西站，其隧道右线起始施工里程为CK42+630.645，终点里程为CK45+347.873，总长度为2717.228m；其隧道左线里程比右线稍短，约为2715m。复合地层地铁隧道线的间距为8～35m，隧道线间距不均匀。隧道基底标高为-16.29m，基底埋深约为15～29m，根据地层实际情况，增加或减少埋深。采用CTE6980型复合式土压平衡盾构机进行该地铁隧道施工。

2.2   应用结果

将本文设计的复合地层地铁隧道盾构施工控制技术，应用于第16区间地铁隧道工程盾构施工过程中，从管片结构、地层变化、现场巡查等方面进行施工控制。变形控制值以变形累积绝对值、变化速率控制值为主。该地铁隧道盾构施工控制技术应用结果如表1所示。

表1中：D为地铁隧道开挖直径，≤0.2%D表示管片结构净空的收敛值控制在0.2%的地铁隧道开挖直径以内；L为两个监测点的间距，0.002%L表示地层变化中地基倾斜变形累积绝对值控制在0.002%测点间距之内。

本文从管片结构、地层变化、现场巡查等方面，对地铁盾构施工技术进行控制。以变形控制为主要目的，设定变形控制指标。若实际变形指标在设计变形控制指标范围之内，即可达到施工控制效果。

由表1可知，使用本文设计的控制方法之后，管片竖向位移、净空收敛、地表沉降、地下管线、地基竖向位移、地基倾斜、管片变形等方面，实际变形均满足了变形控制需求，管片结构未出现明显变形，无裂缝和断裂，满足了施工控制需求，达到了本文研究目的。

3   结束语

在地铁施工建设过程中，大都采用盾構施工方式。盾构机在复合地层中进行地铁隧道盾构施工，其负荷大、风险高、进度慢、成本高，且质量无法保证。为此本文研究了复合地层地铁盾构施工控制技术这一课题，提出了控制措施，进行了验证分析，取得了理想效果，为促进在复合地层条件下进行地铁盾构施工的安全和质量提供了参考。

参考文献

[1] 朱诚，王昭敏，隆锋，等.基于ABC-BP神经网络的地铁盾

构地表沉降预测[J].河海大学学报（自然科学版），2023，51

（4）：72-80.

[2] 梁子杰，刘红军，张宇杰.地铁盾构掘进对地表及建筑物沉

降的影响研究：以深圳地铁16号线为例[J].五邑大学学报

（自然科学版），2023，37（2）：49-56.

[3] 阮恒丰，梁荣柱，康成，等.地表突发堆载作用下地铁盾构

隧道变形机制三维精细化数值模拟研究[J].安全与环境工

程，2023，30（1）：35-45+77.

[4] 潘海泽，李根，陈怡西，等.基于SEM-IPA的地铁盾构隧

道施工安全脆弱性关键影响因素研究[J].隧道建设（中英

文），2023，43（6）：936-947.

[5] 陈志敏，范长海，张常书.地铁盾构下穿建筑群施工地面建

筑沉降控制方案及富水砂-黏地层沉降预测方法[J].城市

轨道交通研究，2023，26（1）：39-43.

[6] 邱婧，童建红，王国林.市政工程隧道大角度斜向上跨既有

地铁盾构隧道施工方法比选及优化[J].城市轨道交通研究，

2022（S2）：79-85+92.

[7] 廖鹏，孙涛，韩守程，等.富水圆砾地层地铁盾构隧道施工

对地下管线变形影响规律及控制措施研究[J].建筑技术开

发，2022，49（14）：82-84.

[8] 贾宝宏，王冰涵，许贵阳，等.太原地铁盾构施工对地表及

建筑物沉降影响分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学

版），2022，35（3）：85-91.