中铁号盾构机掘进保证措施

丁枲诏 代鹏飞

（中铁隧道股份有限公司，广州 510000）

随着我国城市地下工程的飞速发展，盾构法施工以其特有的机械化程度高、对地面影响小、安全、进度快等特点，成为城市地铁隧道的主要施工工法。地铁线路多选择在人员相对密集、相对繁华的路段，地铁线路多下穿既有管线及建筑物。盾构机的设计比较适合软岩施工，但是城市地铁环境极为复杂，软硬岩交错，尤其是广深地区，被业内称为“地质博物馆”。复杂地层中盾构下穿建筑物成为盾构施工的重难点。目前，相关研究多讨论设计比选、优化参数等内容，现场的可实际操作性不强[1-2]。本文通过实践经验总结，以满足现场操作为目的进行整理提炼，为盾构机在复杂地层中掘进方法及如何控制地表沉降提供较真实的参考意见。

1 工程概况

1.1 工程范围

龙洞站—柯木塱站区间主体结构包括盾构法及矿山法隧道，其中矿山法隧道在进行开挖及初期支护后，由盾构空推时安装管片作为久二次衬砌结构。右线起止里程YDK27+743.109～YDK29+362.400，长度1619.291m，中间暗挖段起止里程为YDK28+362～YDK28+435，长度73m，其中2#联络通道与暗挖施工横通道合建，中心里程为YDK28+376.615。左线起止里程为ZDK27+743.110～ZDK29+362.400（包含短链2.5m），长度为1617.74m，中间暗挖段起止里程为ZDK28+321.864～ZDK28+481.964，长度160.1m，联络通道中心里程ZDK28+374.364，区间双线总长3237.031m，其中中间暗挖段共长233.1m，盾构掘进段3003.931m。龙柯区间总平面图如图1所示。

标准环管片内径为5.4m，外径为6.0m，宽度为1.5mm，分为6块，分别为一块封顶块（K块）、三个标准块（A1、A2、A3块）、两个邻接块（B、C块）。管片设计为错缝拼装形式。管片采用强度等级为C50，抗渗等级为P12的混凝土预制。

为满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇形纠偏的需要及保证管片安装质量，设计采用左转弯、右转弯、标准环三种衬砌环形式，转弯环楔形量为38mm。管片连接采用弯曲螺栓连接，其中每环环缝采用10根M24纵向螺栓连接，每环纵缝采用12根M24环向螺栓连接。螺栓等级为5.8级，螺母为5级。

图1 龙柯区间总平面图

1.2 特殊段地层工程地质概况

根据施工地质剖面图，结合地质补堪资料，揭示隧道上软下硬、全断面硬岩及孤石地层为：花岗岩强风花带7H、花岗岩中等风花带8H、花岗岩微风花带9H。隧道洞身通过的地层主要为花岗岩残积土层，该地层强度不高，自稳性差，遇水易崩解。龙洞站～柯木塱站特殊地层工程量如表1、表2所示。

1.3 水文地质及地表环境

1.3.1 水文地质

特殊段地层的地下水位埋深变化较大，初见水位埋深为0.9～3.9m，平均埋深为2.09m，稳定水位埋深为1.3～8.2m，平均埋深为3.92m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年5～10月为雨季，降雨充沛，水位明显上升，冬季降雨减少，地下水位随之下降。无地表水体，地下水相对不丰富。

1.3.2 地表环境

隧道掘进需近距离穿越大量建筑物，如表3所示。主要建（构）筑物包括：华美路跨线桥等桩基础，沿着广汕公路两侧分布的大量村镇居民用房、商铺。居民用房、商铺为二至五层建筑，多为天然基础，且多数建筑年代较久，对地表沉降变形较为敏感。盾构施工过程中需重点关注建筑物。

本段沿广汕路辅道行进，道路经过多次加宽翻修，新迁移铺设管线和老管线纵横交错，非常复杂。具体情况如表4所示。

左线路面分布有一条直径1200mm自来水管、一条污水管、一条雨水管，靠近人行道分布有高压电缆，龙柯区间分布大量通信光缆。

表1 龙洞站—柯木塱站特殊地层工程量（全断面硬岩和上软下硬分布里程）

表2 龙洞站—柯木塱站特殊地层工程量（孤石分布里程）

表3 盾构过暗挖段地表建构筑物一览表

表4 盾构区间管线统计

右线路面管线较复杂。分布有两条通信光缆，其中一条为新迁移至人行道上的长途光缆，一条为老线路未迁移且和军用光缆合建，还分布有一条直径350mm的燃气管道、一污水管道。

2 盾构掘进保证措施

中铁23号盾构机施工龙洞站—柯木塱站区间右线，此种地质条件中掘进，地表沉降控制是关键，因为该种地层扰动及失水易造成地表及建（构）筑物沉降，所以控制沉降是重点。由于本区间工程地质的复杂性，施工过程中不可控制的因素将会较多。因此，快速安全地掘进来通过孤石段以及控制地表沉降是影响本区间施工进度及安全管理的重中之重[3-7]。根据实际情况，笔者制定如下应对措施。

2.1 孤石探测及掘进处理措施

施工前，委托有经验的勘察单位采用地质雷达结合地震反射波法及加密地勘孔（每3～5m一孔）对标段沿线内孤石情况进行详细勘察，初步明确孤石的位置及大小。

盾构掘进施工过程中，对未超前探到的孤石，根据掘进参数的异常变化，及时发现前方遇到的孤石，采用广深地区孤石掘进的处理方法。当遇到孤石时，参数波动较大，声音明显，有强烈的震动，操作人员立即减小推力，降低刀盘转速，控制刀盘扭矩的波动情况，控制推进速度10mm/min以内，控制好土仓压力，控制好出渣量，加强渣土改良效果，严格控制好地表沉降。也就是说，采用小推力、小扭矩、慢速度、稳土压、勤改良、严控制的掘进方法。

2.2 针对盾构掘进施工重难点处理措施

盾构掘进隧道通过补勘确定的大于1m的孤石，在地表采用地质钻机打引孔，通过特殊PVC管引炸药入孔，在洞外进行爆破处理。在施工过程中，要严格监测推进油缸和盾构机姿态的突然变化、土仓压力和出碴量的变化，如发现异常，进入土仓进行检查，以判断是否存在孤石，并确定孤石与刀盘的位置关系。盾构掘进过程中遇孤石卡住刀盘或随刀盘一起转动扰动周围土体时，考虑从洞内土仓内进行处理。在仓内主要采用岩石分裂机对孤石进行处理。

针对孤石岩质较硬的特点，在刀具选择上，采用超硬耐磨滚刀将会显著提高刀具的破岩能力，掘进时采用低转速将其切削成碎块。若掘进速度相当慢或孤石随刀盘一起滚动时，应进入土仓进行人工处理，可以采用洞内静态爆破、炸药爆破以及特殊工具等方法来清除孤石。针对较小孤石，从地表采用注浆加固的方式进行地层加固，待周边土体与孤石形成加固后的整体，再使用盾构机破岩掘进。

龙洞站—柯木塱站区间，隧道与华美路跨线桥平行段长度约为395m（盾构区间长为174m），左线隧道与华美路跨线桥桩基中心的距离为4.59～9.05mm，右线隧道与华美路跨线桥桩基中心的距离为3.59～6.91m；隧道下穿广汕路热带植物所天桥时，右线隧道与其桩基的水平净距离约3.685m。

本区间过桩基段距离较长，盾构施工会对地层形成扰动，可能造成其桩基的变形，影响交通，甚至影响跨线桥和人行天桥的结构安全。如何确保盾构穿越过程中桩基的稳定，是本工程施工控制的重点。应对措施如下。

（1）在盾构穿越前，设定一模拟施工段，确定盾构施工参数；在盾构穿越前，做好机械设备维修保养工作，加强施工组织，确保安全通过；分类制定详细的、切实可行的应急预案，根据监测结果，必要时实施应急预案，以避免对建（构）筑物造成较大的影响和损坏。

（2）控制好盾构姿态，避免盾构大幅纠偏、上浮、后退等现象发生；随时调整盾构施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形施加于桩基的横向力；在曲线上推进时，放缓推进速度、一次纠偏量不宜大于最大值。加大注浆工作、加强纠偏工作，减少地层损失。

（3）施工过程中加强对桥基的监测，必要时增加监测频率，做好监测数据统计与分析，及时反馈结果，指导现场施工；加强局部注浆管理，减少盾构通过后隧道外的建筑空隙，减少隧道周围土体的水平位移及因此产生的桩基负摩阻力；在施工过程中，根据地面及大桥桥墩变形情况，通过管片内的注浆孔，及时对周围土体进行二次双液注浆加固。

2.3 盾构机维护处理措施

中铁23#盾构机在广州地铁六号线二期二标盾构工区龙洞站—柯木塱站区间使用，确保中铁23#盾构机在后续掘进施工中顺利进行，避免对施工进度造成滞后的不利影响。盾构机在成都项目部使用，贯通后成都项目部对中铁23#盾构机全面进行了清洁保养和维修工作。盾构机运输至广州地铁六号线二期二标盾构工区后，确保中铁23#盾构机机况性能完好，能满足现场正常施工掘进要求，施工现场对盾构机进行了全面检查和维修工作。人们可以采取以下盾构机维护处理措施。

（1）对于刀盘改造工作，根据地层情况对刀盘进行改造，将刀盘中心位置开口率改大，土仓内加2个高压喷水口，刀盘改造工作由中铁装备盾构制造公司负责；关于前体检修工作，对旋转接头进行检查润滑，泡沫孔和膨润土孔进行疏通，螺栓机筒体进行耐磨层堆焊，保压系统管路检查确保运转正常；关于中体检修工作，对推进油缸球头、弹簧、撑靴和油缸中心固定支座进行检查调整；关于尾盾检修工作，对尾盾密封和安全气囊进行更换，尾刷进行焊接。

（2）螺旋机螺旋耐磨层堆焊，安装机和管片小车检查维修完成；对泡沫系统进行全面检查和调试，保证泡沫系统运转正常；关于皮带输送系统，对皮带架子进行校正调整和滚筒更换；吊机检查维修，保证运转正常；对油脂系统管路疏通检查，油脂泵检查调试，气动阀和分配阀检查清洗；液压系统部分管路和液压阀更换，液压泵运行调试正常；电气系统调试检查运转正常。

2.4 机械设备的管理措施及保养措施

2.4.1 建立完善的设备管理组织机构和科学的组织管理体系

人们要建立完善的设备管理组织机构，对于大型施工机械设备，必须制定详细、规范、科学的组织管理体系，实行系统化管理。借鉴以往盾构施工的管、用、养、修成功经验，结合广州地铁、深圳地铁施工中的设备管理方式，对盾构和常规设备各系统实行工程师负责制，机械工程师、电气工程师、刀具工程师、状态检测工程师共同组成盾构设备管理体系，并成立维保班和电工班为主的维护和修理组。

2.4.2 制定详细的盾构管、用、养、修制度

根据盾构施工的特点，制订盾构机综合管理制度、盾构机使用安全操作规程、盾构机维修保养制度、盾构机油水管理制度、盾构机状态检测制度和盾构机配件管理制度等；对盾构机的使用及维修保养人员进行培训，经考试合格后持证上岗，实行岗位责任制，实行“三定三包”，即定人、定岗、定机，包保管、包使用、包维修保养；建立盾构机履历簿、运转记录、状态监测记录和维修保养记录，实行盾构机的表格化管理；对盾构机进行成本管理，详细记录和考核油料消耗、配件消耗、电力消耗、设备完好率考核以及设备利用率考核等工作，总结和积累盾构机的使用成本分析。

2.5 刀具配置

刀具是易损件，因此必须定期检查，制定维护保养计划，使刀盘及刀具质量保证处于完好状态，根据本工程的地层特点，结合类似工程的施工经验，本区间计划在260环、500环、660环、850环和1065环开仓检查更换刀具。必要时采取带压进仓作业。换刀计划如表5所示。

表5 换刀计划

2.6 人员保证措施

本区间地层使用盾构推进，盾构机应配置相应的施工人员，每台盾构机施工人员两班轮转。执行每天7∶30～19∶30～19∶30～7∶30工作制，白班、夜班各一班。

表6 班组人员配置

2.7 材料供应保证措施

材料管理是保证工程质量和确保工期的关键之一，材料管理也应制定管理制度，其管理工作主要有：根据工程进度计划提前编制季、月、旬等需用各种材料计划报表；组织材料供应方案，组织材料的采购、订货、运输、验收入库保管工作；推行原材料、成品或半成品、设备的质量验收制度；推行材料的检验和测试制度。

3 结语

本文针对该段盾构区间的地质情况，从盾构机始发前维护、孤石处理、掘进过程中参数控制及设备管理保养、刀具配置及更换、人员配置及材料供应等方面制定相应的措施，从而快速安全地掘进通过孤石段并控制地表沉降，为保证掘进施工的安全提供保障。

盾构法因其对环境影响小、占地面积小、施工不受天气条件限制、安全高效快速等优点，已经在城市隧道施工技术中确立了稳固的统治地位，其适用的地层范围也从最初的软土、砂卵石、软岩扩充到硬岩。本文探讨的施工保证措施对盾构机在复杂地层中安全快速掘进具有一定的指导意义。