复杂地质条件下地铁盾构工程重难点分析

金昊晨

中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛 266100

1 工程概况

青岛地铁1号线土建二标，线路总长4.1km，为山东省最长的地铁复合盾构区间和全线最长的机械作业区间。沿线地质复杂，下穿青岛一级水源保护区白沙河、加油站等地段，技术和安全管控难度大，施工重难点多。盾构试掘进作业流程图如图1所示，文章对地铁盾构掘进工程的重点和难点进行了分析，提出了相应的措施，以确保施工质量。

图1 盾构试掘进作业流程图

2 地铁盾构工程施工重难点

2.1 端头加固

端头加固是该地铁盾构施工的重点，由于盾构始发处的盾构机刀盘进洞若没有按照工程设计要求进行加固，可能会出现地表沉降、突泥和涌水的现象，从而导致始发失败。因此，始发时要做好全面而详细的前期准备工作，要确保盾构机掘进作业的安全，保证施工地层的稳定，杜绝端头地层处发生土体坍塌和涌水等严重的意外事故。

2.2 避免洞门密封失效

盾构区间隧道在中风化和微风化岩层中，岩层存在裂隙水，且具有承压性，盾构机贯入作业面之前，工作人员需清除杂物后立即安装洞门密封。因此，根据设计及地质图纸并结合车站开挖情况，对盾构始发时洞门密封失效，产生涌水情况进行防范十分关键。

2.3 复合地层盾构机掘进

在盾构机掘进工程中，经掘削破碎后的风化岩与裂隙水混合，又由于刀盘的碾压温度不断增大，刀盘中心部位易结泥饼，导致出现刀盘的扭矩减小、掘进速度减慢、渣土过热和刀盘的贯入度降低等情况。因此，复合地层的地铁盾构机掘进工程容易发生刀盘磨损、刀盘结泥饼和喷涌的现象。

2.4 管线沉降控制

青岛地铁1号线气流区间盾构工程中，管线沉降控制是该工程的难点之一。盾构工程的作业区间多下穿自来水、箱涵、天然气和雨污水等管线，地下管线分布情况复杂，施工可能会使这些管线损坏，因此对管线沉降进行严格把控是保证施工安全的关键。

2.5 盾构穿越白沙河

白沙河属于青岛市饮用水一级水源保护区，盾构施工要保证水源保护区的安全。因此，在地质勘查中工作人员未能进行钻孔取芯检测，需推断白沙河盾构掘进段是否会出现较复杂地质条件情况，做到提前判断，及时预警和有效反馈。

3 地铁盾构工程重难点的解决措施

3.1 端头加固措施

全面分析端头工程的地质、管线分布状况、地面的建筑情况和端头的结构，并且通过旋喷桩的方式，加强洞门端头地层的加固效果。加固后的端头地层土体要具有较好的独立性和良好的均匀性，并且尽可能避免渗水现象，若抽芯检测不达标，则需要再次加固。

3.2 洞门密封失效防范措施

洞门密封失效防范措施如下：（1）规范执行工程设计文件中对钢环制作和安装的相关要求，确保洞门处钢环的工程技术精度；（2）严格把控盾构始发的姿态，防止盾构的非正常姿态导致的洞门位置的密封失效；（3）技术人员需对盾构始发的洞门密封进行动态观察，出现问题要立即汇报，及时进行安全处理；（4）确保盾构机的筒体和帘布橡胶的贴合是紧密的，并且能够对铰接压板进行科学合理的调整。

3.3 刀盘防磨损措施

针对工区盾构区间的地质及水文地质情况，使用面板式结构设计的复合式刀盘，确保刀盘的强度和刚度符合全硬岩开挖的要求，并且可安装各种类型的滚刀或齿形刀，合理使用各种类型刀具。更重要的是，要在刀盘的面板处和边缘位置堆焊具有格栅状的特殊耐磨材料，从而提升所使用刀盘的耐磨性。此外，施工单位还要因地制宜，根据工程开挖的地层土体情况，选用泡沫和膨润土等土体改良剂，进行渣土的改良。改良剂在刀具的使用过程中能够起到润滑和冷却效果，改善土体的流塑性，不仅能够抑制刀具的磨损，还能够减少泥石堵塞螺旋输送机的问题。在隧道掘进的施工中要选择合适的盾构机的掘进参数，有效延长刀盘和刀具的使用寿命，从而达到掘进施工要求。

3.4 刀盘防结“泥饼”措施

该标段盾构主要穿越的部分岩层属于强风化～中风化安山岩，为降低刀盘结“泥饼”的可能性，工作人员要采取以下措施：（1）土仓内土、气压力不宜过高，应设法减小刀盘与正面岩土的挤压应力；（2）加大刀盘中心部位泡沫剂的注入量，减小刀盘与正面土体的碾磨力，改良渣土的流塑性；（3）向螺旋输送机内添加适量的泡沫或膨润土，可提升螺旋输送机的排土能力；（4）出现结泥饼现象，要及时采取清除措施；（5）可以将部分滚刀用齿刀替换，以利于提高所使用刀盘的开口率；（6）在刀盘的面板上，合理构造5个注入孔，并注入改良添加剂。在注入系统中，根据实际情况向每个开挖面注入泡沫、膨润土和聚合物，从而优化渣土的流动性，提升止水性。

3.5 防喷涌措施

螺旋桨式输送机内部设有双传动闸门，可以根据两道闸门的先后位和开闭顺序来确保输送土仓与使用螺旋机的进出口处成为一个完全封闭的系统，有效应对螺旋输送机在施工中产生的喷涌现象。具体措施如下：（1）实时监视螺旋机出土口和土仓的出土情况、压力变化，假如发生涌水情况，要立即对螺旋机位于出土口处的闸门做关闭处理，保持掘进施工中土仓内的土压稳定，避免在盾构机掘进过程中水和流沙出现大量喷出现象；（2）往土仓内若干个注入孔注入适量的膨润土和各类型添加剂，并使用注入压缩空气的方法置换和凝聚地下水，必要情况下可以使用高分子聚合物对涌水现象进行有效预防。

3.6 管线沉降控制措施

（1）做好施工前的准备工作，详细了解管线的状况和管线防护；（2）采用“适当推进力、匀速通过”的方式组织盾构施工，设置适当的盾构机掘进参数，降低地质变形的风险，建立试验段，进行施工过程中的问题对照结果分析；（3）在注浆的同时保证填充密实，尽可能缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间，通过改良浆液的配比缩短浆液凝固时间；及时进行二次注浆及多次注浆（水泥-水玻璃双液浆），合理控制注浆压力；（4）在盾构的穿越过程中，要把控好对管线的监测，然后依据监测结果实时对盾构掘进的相关参数进行科学的调整，确保掘进过程的施工安全。

3.7 盾构穿越白沙河措施

（1）采用合适的工艺对渣土进行改良，使渣土的塑流性符合盾构工程的实际要求。改良后的渣土需具备良好的和易性、均一性，可以对掌子面形成反向泥土压，保持开挖面稳定，同时还能有效防止刀盘掘进时出现泥饼，降低刀盘和刀具的磨损度。施工过程中要适时根据试验结果调整渣土的改良配比。文章根据实际施工所遇的地质情况，提出将大量的发泡剂和少量的膨润土进行配比，并在盾构机掘进中适当加入分散剂和高密度聚合物等添加剂。（2）加强施工监测，通过对盾构掘进施工期间河床土体结构变化进行实时监测，可以有效预测河床变形趋势，从而第一时间对其进行危险评估，并实施安全预警和应对措施。（3）在盾构机穿越作业之前调整好其性能，对掘进参数和下穿速度做好把控，尽量选择枯水期，严防涌水现象的发生。（4）运用智能信息化施工技术，实时调整掘进参数的同时严格控制管理施工过程，防范地面建筑下沉和地表隆起，还要严格把控盾构施工后期的地层变形情况。

4 结束语

综上所述，不同地区的地质环境具有很大区别，受复杂的地质环境影响，地铁盾构工程的安全性和有效性备受关注。因此，在施工过程中分析地铁盾构工程的重难点尤为重要，能够为其他城市的地铁建设积累宝贵经验。相关单位对地铁盾构工程重点和难点进行分析，通过编制科学合理的施工措施，能够提升盾构工程的质量，为后续地铁施工提供有力保障。