地铁盾构机穿越复杂地质施工工艺

刘 臣

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

1 工程概况

常州市轨道交通1 号线一期工程线路长约33.837 km，沿线包含地下站27 座、高架站2 座共29 座车站，平均站间距约1.2 km。根据工程规划，设新龙车辆段、城南停车场、控制中心1座、主变电站3 座，并根据地铁路线运行需求配套机电系统，以提高地铁运行水平。

2 工程难点

根据地质勘探报告，本标段二条盾构隧道均穿越粉砂层，盾构机的姿态不易控制、推进困难，地面沉降发生概率较大且有明显的破坏性作用，迫使周边的现状建筑物以及管线受损。应对措施如下：

（1）盾构进入粉砂层，实施“保头护尾、信息化施工”，不漏浆不沉降。保住盾头土压力及改善正面土体（加泡沫添加剂），护住盾构钢丝刷不被破坏而发生漏浆漏水现象。

（2）严格控制调整盾构掘进参数，盾构期间加强观察、动态纠偏，保证隧道轴线在规范范围内。

（3）盾构施工期间采取防护措施，即注浆与掘进两项工作同步推进，控制浆液质量及注浆量，并在实际施工过程中要按照具体内容（如环境条件、地质状态、监测反馈等）适当地调整钻进速度、出土量等主要作业参数，提高其与实际环境的适应性水平，最大限度减小地表的沉降量和隆起量，严格控制隧道后期沉降量和不均匀沉降量。

（4）进入粉砂层应及时足量注入泡沫添加剂，改善土质；精细化调控压力仓压力和排土量，防止刀盘及土仓聚积泥饼或堵塞输送管道。

3 盾构穿越建（构）筑物的施工

着重考虑的是隧道中心线左右各20 m 的范围，因容易受到盾构穿越施工的影响，有必要加强防控。具体的控制性措施做如下分析。

3.1 盾构穿越楼房段施工控制

3.1.1 同步注浆施工参数控制

盾构穿越楼房段同步注浆质量配比如下：水∶黄沙∶粉煤灰∶膨润土∶石灰∶外加剂=530∶800∶400∶60∶70∶3。其中，将坍落度作为关键的浆液质量控制指标，并根据砂的含水量调整拌和水用量。

3.1.2 注浆压力

注浆压力：0.3～0.4 MPa。

3.1.3 注浆量

正常掘进段4.0 m3/环，邻近或下穿建筑段5.0 m3/环，砂层段注浆量应适当加大。

3.1.4 二次注浆施工参数控制

（1）注浆范围：横向为盾构机中轴线左右各20 m，纵向为建筑物两端各100 m；进出洞和联络通道两侧各10 环进行二次补浆。

（2）浆液名称：双液浆（AB 液）。

（3）注浆压力：0.3～0.4 MPa。

（4）注浆量：按1.2 m3/环控制。

（5）浆液性能：为满足施工要求，胶凝时间约为1 min。

（6）注浆点位：管片脱出盾尾3 环开始每环注浆。

3.2 注浆设备的设置方式

3.2.1 采用盾构壁后同步注浆方式

（1）同步注浆装置组成。以注浆泵、清洗泵、储浆槽及管路为核心，配套阀件等相关辅助装置，经过整合后安装至第一节台车上。在盾构掘进过程中适时安排注浆，启动注浆泵，利用该装置将储浆槽的浆液泵出，通过输浆管道传输实现同步注浆，通过浆液的注入，有效填充环形空隙，使其保持密实、稳定。

（2）注浆控制：①分别为各输浆管道适配压力传感器，并安装监控设备，用于实时监测各环的注浆施工情况（根据注浆压力和注浆量予以判断）；各注浆管分别有2 个调整阀，根据实际注浆状况灵活调节，例如在注浆压力偏大时某个阀使泵关闭，而压力降低时则开启；②注浆压力、注浆量两项参数的控制模式根据实际需求进行选择，手动控制可针对各管道做精细化的单独控制操作，自动控制能够完成对全部管道的同步控制。

（3）盾尾止浆密封。3 道钢丝刷加注盾尾油脂密封，在落实多重密封措施后，有效封堵管片外部的缝隙，以免周边的地下水、灌浆材料等进入，为壁后注浆工作的顺利开展创设良好条件[1]。

3.2.2 二次注浆

（1）盾构机穿越后，加强对地面以及建筑物的监测，判断其在盾构施工扰动作用下是否有沉降及变形现象，若有则对比分析实际沉降值、变形值与预警值的关系，实测数据接近预警值时，表明同步注浆效果较差，需二次补注浆。材料选择的是水泥水玻璃双液浆，通过浆液的进一步注入，填充前一次注浆中密实性不足的部分。经过两次注浆后，减小土体的后期沉降[2]。

（2）在注浆孔设逆止阀，双液浆被注入后，若无异常则及时清洗注浆设备，避免浆液在其中发生凝固。

4 软硬不均地层中的盾构掘进

在本工程中，盾构掘进过程会经过一段条件特殊的地质，具体表现为：①上部全风化、强风化；②下部弱风化、微风化。针对这一情况，在实际盾构掘进过程中，考虑到因上下部土质抗压强度所产生的差异可能会导致盾构机发生较严重过的偏位现象，因此施工单位采取了相应措施：

（1）在控制盾构掘进速度方面，可根据实际情况放缓，调整的目的在于让刀盘可以有效应对坚硬岩层，让该岩层破碎同时也必须考虑刀盘在坚硬岩层施工过程中的损耗。为了在一定程度上保护刀盘与在合理范围内降低推力，本工程将刀盘参数调整为“转速减小至1.0 r/min 左右、贯入量约5 mm/r”。

（2）为使盾构机按计划完成切割任务，可以在其盾构铰接部位配置对应的千斤顶，并根据实际勘测来判断出刀盘倾角的可调整范围，在此参数内加以变化，从而进一步确保盾构掘进过程可以使轴线更合理。

（3）要根据不同区域检测及控制盾构掘进过程中的千斤顶油压。通常情况下，岩石较硬时增大油压，岩石较软时降低油压。

（4）必须将“土压平衡”作为基础性原则，从而让出土量更具合理性。

（5）为了使盾构机在掘进过程发生偏差时能够通过替换超挖刀方式来实现快速超挖，可以在刀盘上配套超挖刀。该方式还能实现纠偏需求，保证盾构机在掘进过程与设计轴线保持一致。

5 盾构穿越中、微风化岩层

在本工程中，随着盾构掘进时长的增加，刀盘刀具出现一定磨损，导致切割的岩体碎片不规整，影响螺旋输出机正常排渣的施工节奏。针对这一情况，采取以下措施：

（1）将盾构机设置为敞开式或半敞开式，以提高盾构掘进效率。

（2）盾构到达硬岩地段时及时换刀。

（3）由于泡沫剂可以在一定程度上缓解刀具磨损并减小刀盘扭矩，可以在适当的时候根据实际情况进行加注。

6 盾构施工遇孤石的应用措施

孤石作为花岗岩不均匀风化的产物，其在分布方面普遍存在离散型大、埋藏深度大、空间赋存不规则等特点。本工程施工过程中遇到的孤石单轴抗压强度较高，这是因为孤石区域四周很大可能存在强风化带花岗岩，因此吸水性很强。对于盾构施工来说，由于孤石区域碰到水会膨胀并软化土体，从而使土体稳定性遭到破坏，因此必须具体研究后采取对应解决措施。

6.1 孤石破碎作业原理

考虑到盾构掘进过程刀盘必须具有一定破碎力，本工程使用滚刀作为施工装置。在运行过程中，滚刀会将通过线作为起点而逐渐形成拉伸力，并经过外力作用来达到破碎孤石的目的[3]。

6.2 盾构对孤石的处理

掘进过程中碰到孤石地层能否取得预想效果，主要由刀具磨损以及孤石排出决定。本工程采取以下措施：

（1）提高刀具耐磨性，以确保盾构机在掘进过程中能够以设定好的姿态进行施工。

（2）调整孤石排除方法。不同地质与不同盾构机会有不同处理孤石的模式，本工程中，对于直径小于200 mm 的孤石地层仅需采用常规模式即可；若超出200 mm，则需要根据孤石强度来挑选满足刀盘开口率和开口宽度这两项指标的刀具，同时配置符合相关标准的螺旋输送机。

6.3 盾构选型问题

盾构刀盘为面板式结构，配套开口槽，以焊接的方式在开口处设置粒径限制器，用于阻隔300～400 mm 以上粒径的孤石，以免其直接进入刀盘，而对于在该值以内的渣块则可以进入其中，快速将渣土排出。刀盘的配套装置较为丰富，如滚刀、刮刀、切刀及撕裂刀，部分超粒径的孤石被挡在刀盘外，该部分由滚刀处理，经过滚压操作后破碎、排出。

6.4 控制盾构姿态

当盾构机开始对孤石区域实施施工时，要根据实际情况调整掘进参数，并在此基础上建立起土压平衡模式；同时，还要相应地减慢掘进速度和低速转动刀盘，该步骤的目的在于使孤石区域得到充分碾磨。总之，控制盾构姿态的目的在于保护盾构与刀具，以控制地层沉降。

7 结语

综上所述，对于盾构施工来说，越复杂地质就意味着更大的施工难度，加之在具体施工过程中往往会不可避免地遇到难以控制的因素，因此必须要根据实际情况适当地调整施工内容，以保证盾构掘进环境的安全性，从而进一步推动复杂地质条件下地铁建设的有序开展。