石灰岩地层大断面盾构掘进施工技术

（中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

济南地铁R3号线盾构施工处于泉脉发育地质段，穿越中风化石灰岩层，存在岩石裂隙水、泉水溶洞通路涌水、围岩变形破裂等风险，且周边地表覆土层多为人工回填的素填土，自稳性和密实性较差，属于典型的上软下硬石灰岩地层。为确保盾构安全快速施工，需控制盾构平稳推进速度，最大限度的保护围岩天然结构强度，减少变形产生土体裂缝造成围岩强度的损失。

在上软下硬石灰岩地层大断面盾构掘进施工过程中，掘进参数的控制对成型管片质量起到关键的作用。针对济南地铁R3号线上软下硬石灰岩地层盾构施工，通过对盾构掘进参数进行过程控制，并采用新型的渣土改良技术，对渣土进行改良，有效确保了泉脉发育地质段结构稳定及地面建（构）筑物的安全，提高了管片拼装质量和盾构掘进效率。

2 施工关键参数设定

2.1 土仓压力值设定

上软下硬石灰岩地层开挖面上部土体自稳性、密实度较差，盾构掘进时瞬间崩解，强度急剧降低，下部为中风化石灰岩。在盾构掘进中，为防止刀盘前方地层损失，需要在开挖面建立一定的压力来防止地下水大量涌入土舱，减少水土流失及防止出土器喷涌。结合工程实际，龙孟盾构区间隧道覆土厚度为8.7～11.3m，综合计算后，土仓压力取80%土体竖向压力，计算的理论土压力在盾构推进时土仓压力略高于理论值0.01MPa。盾构出加固区土仓压力设置为0.12MPa，正常掘进及房屋段土仓压力均按照0.13MPa设置，根据推进实际情况，对土仓压力有0.01MPa的实时调整，其中，土仓压力值大小随掘进环号变化见图1。

图1 土仓压力值变化统计图

2.2 推力及扭矩设定

盾构的推力指为保证盾构推进所需的千斤顶推力总和，刀盘扭矩是指为保证开挖面土体的切削和排出所需的刀盘扭矩。盾构始发时为确保反力架及始发架稳定，需严格控制推力。在济南地铁龙孟盾构区间，刀盘在素桩加固体中掘进以“磨”为主，洞门封堵完成前，推力控制在800t以下；正常掘进后，掘进断面处于上软下硬石灰岩地层中，为保证成型管片姿态及质量要求，推力值控制在1 300～1 500t，控制刀盘扭矩控制在1 500～3 500kNm，通过合理控制推力和刀盘扭矩有效确保了盾构的顺利运行，盾构推力及刀盘扭矩随掘进环号变化见图2、图3。

图2 盾构推力值变化统计图

图3 刀盘扭矩值统计图

2.3 出土量

济南地铁龙孟盾构区间隧道掘进，每环理论 出 土 量 ＝ πR2L＝ 3.14×(6.68÷2)2×1.2＝42.03m3/环，土的松散系数取1.1，盾构推进出土量控制在98%～102%之间，即每环的实际出土量控制在45m3/环～47m3/环。为确保渣土的排出量与掘进的开挖量相匹配，获得稳定而合适的支撑压力值，使掘进机的工作处于最佳状态，根据地表隆陷监测结果和对应的土仓压力，总结出掘进一环的合理出渣量选定为46m3/环，龙孟区间前100环出土量统计见图4。

图4 出土量变化值统计图

2.4 同步注浆量

同步注浆是保证地面建筑、地下管线、盾尾密封及衬砌管片安全的重要一环，其目的主要体现在：①及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围土体，有效地控制地表沉降；②凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力；③为管片提供早期的稳定并使管片与周围土体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定，在上软下硬石灰岩地层掘进中，采用了浆液配合比（质量比）为：消石灰∶水泥∶粉煤灰∶砂∶膨润土∶水＝60∶50∶350∶850∶50∶350的配比，通过试验检测，满足要求。龙孟区间前100环同步注浆量统计见图5。

图5 同步注浆量变化统计图

2.5 掘进速度控制

在上软下硬石灰岩地层中，为保护盾构机刀盘，减少刀具损耗，加固体内掘进以“磨”为主，盾构推进速度宜控制在10～15mm/min内，以防止对加固体造成过度扰动并保护刀具。盾构正常推进时，根据同步注浆速度、刀盘扭矩等参数控制掘进速度，速度宜控制在3～4cm/min左右，在盾构穿越建筑物，掘进速度宜控制在2～3cm/min，济南地铁龙孟盾构区间前100环掘进速度统计见图6。

图6 掘进速度变化统计图

2.6 二次注浆量

考虑到周边环境保护和隧道稳定因素，盾构机穿越后通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆。在上软下硬石灰岩地层中，二次注浆采用水泥单液浆及水泥、水玻璃双液浆配合使用，1∶1纯水泥单液浆配比（1m3浆液）为水泥∶水＝756kg∶756kg；水泥、水玻璃双液浆配比（1m3浆液）为水泥∶水∶水玻璃＝712kg∶712kg∶120kg。二次注浆的水泥浆注浆压力一般为0.4～0.5MPa，浆液流量：10～15L/min，一般每5环注一次，每次注浆量约为2～4m3，形成有一定范围的环箍，从而限制隧道的变形和沉降，龙孟盾构区间不同注浆环号注浆量统计值见图7。

图7 二次注浆量变化统计图

3 渣土改良施工

当盾构在上软下硬石灰岩地层中掘进时，由于开挖面粘性土具有内摩擦角小、粘性大和流动困难等特点，使得粘性土体粘附在刀盘上，被刀盘从开挖面上切削下来的粘土，通过刀盘碴槽进入压力舱后，在土仓压力下容易被压实固结，最终导致刀盘和整个压力舱内形成坚硬“泥饼”，为解决在上软下硬石灰岩地层中掘进存在结泥饼的风险，采用发泡剂对碴土进行改良，并通过刀盘上的泡沫孔或土舱壁上的球阀向开挖面、土舱内注射水，提高碴土的流动性，降低刀盘及土舱的温度。同时在上软下硬地层半敞开模式下盾构施工，当盾构停机拼管片作业时，通过土仓向开挖面输送膨润土浆液，浆液在开挖面形成封闭泥膜，有效减少开挖面水土流失，保持土压稳定。

4 施工测量与监测

4.1 施工测量

盾构掘进期间，精确的测量控制对指导盾构掘进起重要作用，可减少盾构纠偏，提高掘进精度。施工测量满足以下要求。

1）洞内测量施测环境复杂，精度要求高，采用三维坐标法进行测量。洞内测量包括盾构姿态和衬砌环片的测量、成型环片的测量，测量频次：正常掘进状态下，每10环进行一次成型管片姿态测量；在盾构姿态出现异常偏差时，需每天测量1次成型管片姿态。

2）盾构隧道限界要求严格，净空断面尺寸测量采用解析法测量。

3）布设足够的控制点，并精心做好标记，加强对控制点的保护和检查。为保证测量精度，配备先进的测量仪器，使用先进的测量技术。

4）负责保存好管段内全部的三角网点、水准网点和自己布设的控制点，防止移动和损坏，一旦发生损坏，及时采取补救措施。

5）全部的控制点三维坐标经检查合格后，方可开展后序工作。

6）联系测量包括导线定线测量、高程传递测量，需进行4次，分别为：始发前、掘进100m完成后和掘进300m完成后，到达前100～200m。

4.2 施工监测

盾构掘进前，详细了解施工影响范围内的地面建、构筑物、地下构筑物、地下管线的情况及保护要求并按盾构掘进施工监控量测项目（表1）要求进行监测。施工监测时需加强巡视，把监测信息及时反馈给掘进班组，及时调整掘进参数。

5 施工质量保证措施

1）加强现场施工材料管理，严格执行进料检验程序，保证施工材料满足设计和规范要求，不合格材料不得进场使用，确保工程质量。

2）配料采用经计量准确的计量工具，严格按照设计配比配料施工。

3）注浆严格按照程序施工，每段进浆要准确，注浆压力一定要严格控制，专人操作。当压力突然上升或从孔壁、地面溢浆时，应立即停止注浆，每段注浆量应严格设计进行，跑浆时，应采取措施确保注浆量满足设计要求。

4）每道工序均要按排专人，负责每道工序的操作记录。

5）整个注浆施工应密切注意和防止地面出水溢浆、隆起等情况，加强对施工地段的沉降观测。

6）注浆前必须做好充分的注浆准备，注浆一经开始应连续进行，力求避免中断。

表1 盾构掘进施工监控量测项目

6 结 语

针对上软下硬富水石灰岩地层，济南地铁R3号线在盾构施工中通过严格控制断面盾构掘进参数并采用新型的渣土改良技术，解决了上软下硬石灰岩地层盾构区间施工过程中容易出现地表沉降导致建筑物变形、开裂等问题，提高了上软下硬地层盾构掘进的施工效率。通过此次盾构施工，积累了宝贵施工参数，可为以后类似工程施工提供重要参考。

[参考文献]

[1]陆云涌．地铁工程施工技术综述[J]．山西建筑，2009，10(28)：219-130.