地铁复杂地质条件的盾构施工技术

龙亮

中国水利水电第十四工程局有限公司 云南 昆明 650041

引言

随着我国城市建设的不断深入发展，地铁在城市交通中的应用越来越多，且应用效果日益突显出来，有效地缓解城市交通压力。然而地铁工程施工建设与其他普通工程项目施工相比，具有施工难度非常大，复杂性强，且投资大等特点。特别是面临复杂地质条件时，一旦处理不当极可能引发严重的安全和质量问题，所以，有必要进一步加大对地铁复杂地质条件下施工技术的研究。

1 地铁复杂地质条件下的盾构施工组织管理分析

1.1 工艺和盾构机的选择

对于地铁工程来讲，其主战场为地下，因地下地质条件和环境较为复杂，所以在具体的地铁工程施工中为了确保工程施工质量和安全，往往需要对盾构机的施工方法和工艺进行研判和提前筹划。另外，当施工区段地层比较复杂和施工条件受限时，通常需要提前制定施工方案，提出应对措施，并进行方案论证和细化。对于复杂的程度来讲，一旦在某个环节中发生错误必定会对工程的施工质量、效果何安全等造成影响。因此，在地铁施工建设中对于施工工艺技术的要求也比较高，不仅要全面做好地面沉降反应的控制，而且还需对地面沉降量的问题加以控制，切实有效地将其控制在一定范围内，以确保盾构施工的顺利进行、地面的安全及管片成型的质量[1]。

1.2 施工准备

在地铁工程建设中，复杂地质条件下的盾构施工往往会存在着很大的施工风险，为了降低风险对工程施工造成影响，通常提前进行筹划，做好相关准备工作。如在施工前需对施工区域及线路环境、地层、建构筑及管线等风险源展开全面细致识别，根据识别结果采取不同的措施，通过技术方案进行细化。对于风险较大路段需作为重点勘测对象，还需在具体的施工作业前展开科学合理的方案设计和技术交底等工作，尽可能做到提前谋划，技术先行，对施工问题提前制定应对措施。

1.3 对盾构机性能进行把握

一般来讲，盾构施工算是流水作业，如果要确保盾构施工连续，不间断，就需要施工人员要对盾构机的性能做全面地了解和掌握，通过各个环节的把握，对设备的了解、对施工流程的熟悉等，提前制定施工计划，备足施工所需的耗材、主材及配件，以免因各种原因造成不必要的停机，从而产生各种风险。

1.4 严格落实施工设计方案

有研究表明，在复杂地质环境下，盾构施工过程中往往需要面对较为复杂的施工工艺，且各施工工艺技术与施工条件又有着十分紧密的联系。在实际施工过程中，一旦某一环节出现质量问题，就会对整体工程施工质量造成影响。所以，在具体的盾构施工阶段，需要严格按照施工方案开展施工作业，切实保证各项施工能够与实际施工规范及要求相符合，全面有效地落实好工程质量管理与控制工作。如对于地铁隧道注浆的施工需要采取科学合理且有效的控制措施，以免出现施工安全问题；在对管片拼装和选型时需对其质量加以考虑，切实保证盾构机能够实现正常、稳定作业[2]。

2 影响盾构施工安全的因素分析

2.1 土仓压力的影响

在盾构推进过程中，土仓压力的设置往往会根据不同地层、不同埋深和不同的水头压力而进行设定，为了更好地了解不同土仓压力与地面沉降之间的联系，本文通过对成都砂卵石地层埋深20m左右不同土仓压力下地面沉降数据的不同进行分析。

2.1.1 不同土仓压力条件下，地面的沉降变化情况。通过对不同土仓压力掘进条件下的地面沉降数据分析、归纳并总结。当掘进时土仓压力值2.1bar左右时，隧道正上方的沉降最大，数据约为4mm/d沉降速率也最快，随着盾构往前推进，沉降速率逐渐降低，最终沉降基本控制在7mm范围内。当土仓压力降低至1.8bar左右时，隧道正上方的沉降最大，数据约为6mm/d沉降速率也最快，随着盾构往前推进，沉降速率逐渐降低，最终沉降基本控制在11mm范围内。

2.1.2 不同土仓压力下条件，应力变化情况。盾构机土仓压力的不同，隧道内未开挖部分的地层应力也各不相同。在具体的施工过程中，应力对盾构开挖刀盘前方位置的土体往往产生较大的影响，特别是会表现出极大的主动应力，但土体上方位置的应力往往比较小，盾构机开挖面周边土体的应力通常会发生较大的变化，且随着土仓压力的不断增大，掌子面压力也会越来越大[3]。

2.2 注浆量的影响

在地铁盾构施工中，隧道工程是其施工的主体，在具体的开挖过程中通常需要同步衬砌预制管片，而管片的设置通常需坚持一定的原则，同时，还需对于管片与隧道土体间存在的空隙使用注浆填充作业进行填充，尽可能降低地表沉降和管片渗漏水的发生，以使其周围土体得到一定的改善。在具体施工作业期间，需要结合盾构机开挖直径及管片的外径计算出理论的注浆量。在实际施工过程中，注浆分为同步注浆，二次注浆及后续顶管注浆，同步注浆需要合理设置理论量，若注浆量多了容易窜入土仓内造成资源浪费、地面冒浆、土仓内结泥饼、地面隆起等问题，注浆量少了易造成管片失稳，上浮下掉等问题，因此在同步注浆后需要及时补充二次注浆，对因同步注浆未填充密实的壁后进行补充，以确保管片及地面的稳定，当二次注浆也无法满足施工要求或地层中存在空洞时，可采取顶管注浆进行巩固。所以，在实际的盾构施工阶段，需要结合实际各项数据分析对注浆量及注浆方式进行合理确定。

2.3 隧道穿越不同地层的影响

在地铁工程施工中面临复杂地质条件的情况下，运用盾构施工技术时，穿越的地层有着较大的差异，如在穿越上软下硬地层时，由于地层上下强度不同，盾构机掘进时容易造成漂移、姿态不容易往下走等问题，因而导致掘进速度变慢，姿态不可控，地面沉降增大等风险。因此在上软下硬地层施工时，需要适时增加土仓压力，使推进力增加从而加大上下油缸的压力差，控制出土量、增加同步注浆量等措施，控制盾构掘进姿态及地面沉降情况。

3 地铁复杂地质条件下盾构施工技术分析

3.1 土压平衡模式盾构施工技术

3.1.1 土压的选择。对于土压式平衡盾构机来讲，是通过盾构开挖时开挖仓内建立相对正压力。在对其掘进施工过程中，通常需要与地层的表现特征、实际条件等结合起来加以考虑。一般来讲，土压平衡盾构施工时需要使用泡沫剂及水来对渣土实施改良，以确保渣土的流动性能，使螺旋机能顺利将土排出，并且能在螺旋机内形成有效土封效果。在这种模式下需要根据地层埋深等情况对土仓压力进行设置，保证土仓压力与掌子面水土压相对平衡。土压平衡掘进模式通常适用在复杂的泥岩、砂岩、砂卵石地层和上软下硬的多种地层上，而在这种较为复杂的地层进行掘进作业时，往往难以控制土仓压力，所以，这就需要施工人员切实做好各细节位置的处理，保证掘进施工[4]。

3.1.2 掘进参数的确定。在对土压平衡盾构机进行使用前，需要施工方严格按照隧道的埋深、现场地质条件等为依据对掘进的参数进行确定，如掘进的速度、刀盘转速、推力、扭矩和盾构注浆量等都需要做进一步的明确。另外，还需全面做好监测工作，切实以监测有关反馈及时有效地调整现场数据。在应用土压平衡法进行施工时，需要使用螺旋机旋转以实现土层的动态平衡，在实际施工过程中，还需要科学合理地控制好螺旋机的转速和压力，尽可能保证施工作业的有序开展。

3.1.3 盾构机姿态的控制。在地铁复杂地质进行掘进作业时，需要对盾构机的姿态进行合理控制，尤其是在一些土层变化大的硬岩石层中想要对盾构机的姿态进行纠正是十分困难的。许多实践表明，对于盾构机姿态的纠偏通常需要使用千斤顶压力差及铰接油缸以达到良好的效果，但在使用千斤顶进行纠偏时会使刀具的磨损增大，甚至还有可能会致使盾构机出现被卡、管片错台等故障问题，所以，在具体的施工作业时，需要严格遵循勤纠偏、缓纠偏的基础原则来展开，切忌纠偏过大，以免使施工作业难度加大。

3.2 泥水平衡模式盾构施工技术

3.2.1 泥水性能的确定。想要对泥水的性能进行确定，就需要先确定其密度。在掘进过程中泥浆的存在可以很好地减少开挖面发生变形的情况。一般来讲，可以通过提高泥浆的密度使其与开挖土体的密度保持一致，但在具体的实践作业中，如果泥浆的密度过大，极可能使泥浆泵的处理能力受到严重的影响，而致使泥浆处理工作难度加大，甚至还有可能会引发泵运转故障问题，若泥浆比重太低而使携渣困难，容易造成沉仓结泥饼等风险。

3.2.2 掘进参数的确定。在对复杂地层进行掘进作业时，需要确保切口压力具有较强的稳定性，且推力与刀盘转速达到良好的水平状态。在对盾构姿态进行控制时，需要通过导向油缸长度调整和推进压力的方法来展开，如遇到上软下硬的土层时，因上层砂层自身的稳定性比较差，只需要做少许的切削扭转，而随着下层土层硬度的不断提高，刀具的阻力不断增大而致使刀具造成较大的损伤，尤其是在软硬土层相连的部位较为明显。因此，在具体的掘进作业时，为了有效减少刀具荷载作用力，可以对刀具的扭矩做适当提升，减缓刀盘的转速。如果掘进速度过快，会使泥水输送压力和处理压力增大，进而可能引发超挖的情况[5]。

4 地铁复杂地质条件下盾构施工需要注意的事项

4.1 重视开挖前的勘测

在具体的挖掘施工前，通常需要对掘进的路线做好全面地勘测作业，以实现对掘进路线中的地质情况进行有效把握。如对于土层和断层薄弱的部分可以结合勘测数据制定与之相适应的措施加以防范，尽可能有效地对影响盾构施工因素进行控制。另外，还需结合地质情况建立科学合理的盾构机维保机制，并具有针对性地制定相关应急预案。在具体的盾构机作业过程中，需严格按照地质勘测结果对地质的变化情况进行全面了解，以保证盾构施工质量。

4.2 避免管片上浮

在实际的盾构施工过程中，一旦发生管片上浮，会对盾构施工的正常进行造成阻碍，所以，在具体的施工作业前，有关施工人员需对地质情况进行精准地勘测，并严格按照相关参数做相应的指导，一旦管片发生上浮问题时能够及时对其做适当地调整。另外，还需结合工程施工的实际情况，使用千斤顶对盾构掘进的速度进行合理控制，以提高工程的整体施工质量，有效规避坍塌故障的发生。

4.3 规避地面沉降

在地铁复杂地质条件下进行盾构施工过程中常常发生沉降问题，所以，在具体的盾构施工前，需事先结合工程的实际情况及勘测结果制定科学合理的预防措施，同时，选择与之相符合的盾构机，尽可能规避地面沉降问题的出现。另外，因注浆也会影响地面沉降问题，所以，还需结合土质参数对注浆的时间、速度等做适当地调整，从而保证工程施工质量。

5 结束语

综上所述，在现阶段社会经济日益发展的环境背景下，国内城市交通压力逐渐增大，城市交通系统建设中，地铁工程的建设成了一项十分重要的组成内容。在地铁工程建设过程中，因受到复杂地质环境的影响而致使在实际施工过程中面临着许多问题，通过科学合理地使用盾构施工技术，可以很好地解决复杂地质环境对施工造成的影响，从而确保工程能够实现正常、稳定开展。