浅析双模盾构机TBM模式穿越重大风险源的施工工艺

芦兴磊

（中交三航（厦门）工程有限公司，福建厦门 361000）

福州地铁4号线林浦站―城门站区间中间（三环快速路南侧）设置一个明挖中间风井，其余均为单线单洞盾构区间。林城区间林浦站―中间风井段北起4号线林浦站大里程端头，下穿福泉连接线、连坂村民房、10#污水接收井、黄山汽车考训场、省农业科学稻香研究所、三环快速路，进入中间风井。左线设一个长链12.094m，左线长1355.773m；右线设一长链0.822m，右线长1357.483m。林城区间中间风井―城门站段北起中间风井大里程端头，侧穿残疾人康复中心，下穿城门山、城门村民房，进入城门站大里程端头。左线长812.465m，右线长801.298m。区间隧道覆土最大厚度约为42.8m，最小厚度约为17.2m。区间两台盾构机从4号线林浦站大里程端头始发，通过中间风井继续掘进至城门站小里程端头接收吊出。

1.区间风险源概况

1.1 侧穿三环快速路福厦高架桩基

隧道设计左线为5.57‰上坡，R900圆曲线右转；右线为5.578‰的直线上坡。盾构下穿三环快速时隧道所处地层主要为微风化熔结凝灰岩，隧顶埋深约24.1m。

1.2 侧穿残疾人康复中心地下室

隧道设计为4.235‰下坡及R1200（圆曲线18m、圆缓36m）左转。盾构侧穿残疾人康复中心地下室时隧道所处地层主要为微风化熔结凝灰岩，隧顶埋深约41.3m。右线隧道距地下室最小水平净距为24.99m，故不涉及侧穿残疾人康复中心地下室。残疾人康复中心采用一层地下室，多层框架，基础为独立基础。地下室距隧道最小水平净距约4.82m。

1.3 下穿城楼村居民房

左线隧道设计为4.235‰下坡（550m）和20.7‰上坡（200m）；伴有R900（33.5m）、R1200（116.4m）及R450（238.9m）的转弯半径。盾构下穿城楼村居民房时隧道所处地层主要为中风化熔结凝灰岩、微风化熔结凝灰岩，隧顶埋深：17.3m～42.43m。

右线隧道设计为4‰下坡（550m）和21‰上坡（190m）；伴有R900（131.7m）、R1200（113.9m）及R450（242m）的转弯半径。盾构下穿城楼村居民房时隧道所处地层主要为中风化熔结凝灰岩、微风化熔结凝灰岩，隧顶埋深：17.3m～38.42m。

该处居民房多为1～5层，大部分为埋深约1.5m～2.0m的条形基础，部分为桩基础。

2.双模盾构机TBM模式穿越重大风险源的施工工艺

2.1 施工前准备

（1）现场生产准备。施工前需要充分了区间地质情况，制定施工方案并提交给业主和监理，提前联系建构筑物及居民房的产权单位和产权人，需提前做好沟通配合以确保各项工作的顺利进行。针对施工的特点，向施工队伍进行进场安全技术教育。

（2）技术准备。施工前组织相关技术人员在现场进行勘察，对施工方案进行复核和补充完善，确保施工方案对施工的指导性。同时，做好技术、安全等方面的交底，并组织施工人员进行相关的学习和培训。

（3）盾构机的选择。根据施工计划安排及施工现状，结合林城区间地质情况选择2台中铁装备生产的TBMEPB双模盾构机进行施工。

2.2 盾构掘进管理

（1）推进及姿态控制。应用自动导向系统对千斤顶进行合理编组，分别为A、B、C、D 4组，而当盾构转向不同时各组千斤顶的伸长量也不意义，当盾构分别向左、向右、向上、向下转动时要保障最大的千斤顶伸长量分别为：向左B组最大；向右D组最大；向上C组最大；向下A组最大。

在推进过程中实时进行测量，并于计算的三维坐标进行校核及时做出调整，缓和曲线、圆曲线段X、Y偏差控制在50mm以内。

根据自动导向系统显示的盾构机转动方向调整盾构机刀盘的旋转方向，具体方式为盾构机与刀盘的转动方向相反。

（2）确定盾构掘进的主要参数。根据本标段工程地质、水文条件及以往的施工经验，保证匀速、快速掘进通过，每天地面沉降量和累计沉降量应符合相关规范。主要参数见表1。

表1 盾构主要掘进参数

在施工过程中，盾构的速度要进行严格控制，确保匀速推进，使出渣速度、豆砾石填充及注浆速度与其相匹配，在推进过程中保持稳定，每日推进5环左右。同时，盾构出渣量也要严格控制，保持出土量与土压力值一样，以免影响地面沉降。

2.3 豆砾石充填与回填灌浆

掘进过程中必须保障豆砾石以及浆液的注入量及时机，防止管片出现位移变形等情况；有效避免因地下水流失而造成的地下水损失；保障防水功能的有效性；避免或减缓地下水对管片的侵蚀；传递管片与围岩间的压力，为隧洞的结构稳定提供保证[1]。

（1）豆砾石回填施工。回填时，在TBM后配套2#台车一侧布置水泥净浆搅拌机1台、注浆泵2台；3#台车一侧布置豆砾石喷射机2台；4#台车一侧布置皮带上料机1台；6#台车一侧布置空压机2台；8#台车一侧布置储浆罐1台、活塞式液压注浆泵2台。

设计管片注浆孔（兼吊装孔）内径为8cm的PVC管，能满足豆砾石吹填要求。为了方便施工组织，按照拼装点位进行选择充填与灌浆。当需要注入豆砾石时，打开豆砾石罐气动阀门，豆砾石由波纹挡边带式输送机输送至分料螺机，可将豆砾石分送至两个豆砾石泵，通过豆砾石注入系统将豆砾石注入到管片背后。

填充的顺序为拱底、次两侧、后拱顶，同时按照先下后上的原则，一次进行充填，并进行压实保障没有架空的情况出现。

豆砾石粒径为5mm～10mm，普通硅酸盐水泥强度等级为P042.5。水泥浆配合比为（0.7～1）:1，注浆压力≤0.5MPa，注浆终孔控制以注浆压力为主，以注浆量为辅。

直线段每隔60m（曲线段每隔30m）施做一道止水环，材料采用水泥―水玻璃双液浆，配比为C：S=1:0.6～ 1:1（体积比），水玻璃模数2.6～3.0，水玻璃波度为30～40Be°，注浆压力为0.3MPa～0.5MPa。

（2）水泥浆填充施工。注浆时按照量控为主，压力为辅的双控原则，进行压灌。注浆顺序与豆砾石充填顺序一致，先下后上。

水泥浆配合比按设计要求两侧、顶拱270°水泥浆灌注；配合比遵循满足设计要求和实际情况为原则，并通过现场试验来确定。灌浆孔封堵采用与管片同等级微膨胀混凝土实施封孔，灌浆孔要保持清洁干净，封堵后表面要平整，并进行定期养护。

（3）特殊情况处理。通常情况下，灌浆不能轻易中断如出现特殊情况中断，则中断时间要保持在2h，如若超过2h，则要做好灌浆泵清洗以及灌注孔的清理工作。

（4）二次补浆。若回填密实性差，出现渗漏甚至地表沉降等情况，则要进行二次补强注浆。二次注浆采用盾构机自备的二次注浆泵进行，其目的是补强，材料一般采用水泥浆进行，能够加固和填充管片周围的地层。如果地下水较多则需要进行封堵，必要时可采用水泥加水玻璃双液浆。

3.盾构施工保障措施

3.1 盾构机的维修保养

为使盾构机的性能得以充分发挥，防止事故、故障于未然，对盾构机实行日常和定期的维护和保养，认真执行“清洁、检查、紧固、润滑、调整”十字方针。检查项目根据各种机械的特性及现场情况，在盾构机组期间完成盾构机各系统设备的《操作和维修保养规程》，必须依检查项目切实进行，不应遗漏[2]。

成立专门的盾构状态诊断小组，随时监控、分析盾构机的状态，同时加大配件的储存，加强保养的力度和质量，确保盾构机正常运转。

在盾构机穿越之前对盾构机实行整机检修、保养，确保在下穿过程中掘进的连续性。

3.2 刀具检查及管理

3.2.1 检查及换刀措施

刀具的检查由换刀班组按相关技术要求进行，由设备技术员确认，原则上在破碎地层、掌子面不稳地段不进行刀具更换工作。每次开仓检查刀具时，要详细记录每把刀具的磨损量、磨损情况刀座号等信息。每把更换下的刀具在修理车间要详细检查润滑油、启动扭矩、刀体磨损量、密封、轴承等刀具配件情况，并做好记录。刀盘刀具的检查要求如下：

（1）滚刀的磨损情况、漏油情况；刀圈情况，包括松动、脱落、裂纹等；螺栓以及保护帽的情况等。

（2）刮刀的合金岗和耐磨层的缺损和磨损以及刀座的变形情况。

（3）刀盘以及刀盘牛腿的开裂、磨损等情况。

（4）搅拌棒耐磨层的完好情况。

（5）刀具紧固均采用自紧螺栓。

每次开仓检查刀盘刀具时，要对舱内气路上的油水分离器进行检查，根据检查结果进行加油或放水以保证油水分离器的正常工作，确保气动扳手进行螺栓紧固时有足够的气压。

在施工过程中加强刀具管理，避免刀具非正常损坏，并结合先期换刀检查情况，统计刀具磨损数据，总结规律，及时对后续换刀计划进行调整以保证刀具使用的计划性和经济性。

3.2.2 换刀作业

换刀时具有很强的危险性，所以必须要严格按照制定的换刀流程进行作业，保障换刀工作的安全性。

换刀之前必须做好准备工作，包括使用的工具、更换的刀具、制定应急预案、应急小组随时待命等。在进仓作业前，观查仓内情况，确保掌子面足够稳定才能够进行下一步工作。一般情况下，换刀作业必须不能中断尽快完成，同时，还要配备对掌子面监控人员，保障整个换刀过程的安全。

3.2.3 刀具的维修

刀具维修是保障盾构机能够顺利进行施工作业的基础，其内容包括刀具的清理、拆解、更换、组装等，同时还要对刀具的使用情况进行判定，需要专业人员才能操作。由于刀具维修的内容较多，步骤复杂，为了确保维修的质量，需要严格按照流程进行，做好记录工作并备案。为了防止刀具混淆，需要对维修过的刀具进行喷漆标识。

3.3 盾构掘进质量保障措施

盾构掘进特别注意防止以下质量缺陷：管片裂缝，管片过量错台，管片破损，隧道轴线偏移超限，盾构隧道后期下沉、上浮、水平位移超限，盾构隧道不均匀旋转。

首先，建立盾构机管理领导组织体系，制定详细的维护保养制度，使用操作施工手册，定人定岗定责，强化盾构机的管理。

其次，制定平面控制网测设的措施以及技术要求。以项目工程师为责任人设立专业测量小组，按照要求对测量基准点进行有效保护，防止撞击、毁坏等情况的发现。在施工过程中要对基准点定期进行复核，实时掌握其发生位移的情况。为了保障测量结果的准则下测量观察点必须牢固稳定。掘进路线的参数要提前进行设计，在操作过程中严格按照设计的参数进行，若发生特殊情况应立刻停止操作并上报，等待新的方案。在掘进过程中要严格控制盾构机的姿态，保障纠偏幅度不超过盾构直径的0.4%，同时，每推进一环就要对盾构机的姿态和距离轴线的偏差进行测量一次。

采用地面沉降监测与注浆量、注浆压力及管片混凝土内力监测相结合的办法控制盾尾注浆质量。

按设计要求控制衬砌制作、安装精度，管片出盾后对所有螺栓复紧一次，任何时候紧固螺栓时用规定的力矩紧固，且不损坏已组装好的管片。管片在盾尾拼装时，管片外弧面与盾壳间至少留30mm的间隙，以确保拼装精度。

4.结语

在双模盾构机TBM模式穿越重大风险源盾构施工时，必须根据实际情况制定科学合理的施工方案，并严格按照施工方案执行，要随时进行检测，遇到突发情况即停止掘进调整方案。同时，采用同步注浆和二次补浆控制措施，利用管片预埋注浆孔及时进行径向补注浆并辅以严格的施工监控量测措施，确保盾构安全顺利地穿过重大风险源。