不良地质下盾构隧道关键施工技术及结构响应规律分析

摘要：盾构隧道施工关键技术包括盾构姿态控制与调整、管片拼装质量控制、开仓换刀、泥水系统管理及盾尾油脂注入。以应湖线路所-凤凰南路站区间为研究对象，对施工关键技术进行总结，并通过现场监测的方法对隧道围岩稳定性进行分析。研究结果表明：左右线隧道左右拱腰、拱顶及拱底竖向位移变形规律基本相同。左右线隧道左右拱腰两侧监测点横向位移，随盾构隧道的掘进均呈现出明显的“V”型曲线。

关键词：不良地质；盾构隧道；盾构姿态控制与调；现场监测

0 " 引言

在不良地质条件下，地层及地下水的分布具有多样性、变化性和不确定性等特点，会对盾构施工造成很大影响[1-2]。目前，国内已有众多研究学者对地质环境复杂情况下盾构隧道施工进行了研究。

黄学军等[3]以南昌轨道交通一号线、广深港高速狮子阳隧道、长株潭城际线湘江隧道为例，针对上软下硬、泥质复合地层、基岩破碎区等不良地层，开展盾构施工技术与装备适应性研究。黎新亮[4]以长沙轨道交通三号线为例，针对隧道施工过程中遇到的各种危险因素，给出了盾构方案的选择和设计方法。赵明华等[5]采用 Schwarz迭代法，采用柯西积分法求取最大、最小应力，采用摩尔-库伦判定准则判定其稳定性。在此基础上引入稳定性系数，对侧压力系数、溶洞半径、相对位置等进行参数分析，得到影响最大的因素是土洞侧压力系数和溶洞相对位置。

本文以应湖线路所-凤凰南路站区间为研究对象，基于现场监测的方法，对不良地质条件下盾构隧道施工稳定性进行分析，并对盾构隧道施工关键技术进行总结，通过对隧道围岩竖向位移、横向位移及地表沉降的研究，为该地层盾构隧道施工提供一定的参考经验。

1 " 工程概况

1.1 " 区间概况

应湖线所至凤凰南路段正线全长2808.33m，正线右侧正线2777.95m，隧道埋深10.1～25.5m，最大纵坡为20‰。区间内设有5条联络通道。

1.2 " 地质条件

该段隧道主要穿越细砂、砾砂、粉质黏土、泥质粉砂岩、中风化碳质灰岩、微风化石灰岩等。剖面溶土洞的成洞率为55.73%，线溶率为17.54%，洞长0.2～30.6m，洞高3.62m，发育程度较高，其中有F107白坭塘断层。

隧道始发段地层为第四系饱水冲洪积粉细砂层、中粗砂层、砾砂层，局部含圆砾层及砾层。沙层水含量高，透水性强，在施工过程中容易发生管涌、流砂等问题。该段地层以碳质灰岩、灰岩为主，溶孔发育，岩溶发育强烈。在上部荷载和振动的共同作用下，隧道容易发生固结变形、沉降变形，造成隧道塌方、地面沉降、地表坍塌等严重的地质灾害。

2 " 盾构掘进关键技术

2.1 " 盾构姿态控制与调整

在施工过程中，由于管片选择不当和盾构机驾驶员操作不当等因素，掘进过程中存在着隧道掘进方向与设计轴线偏差，甚至超出管理警戒范围的现象。在稳定地层中开挖时，由于岩层所提供的滚动阻力较小，会出现护盾滚移现象。在变坡段和急弯段施工中，存在着偏差大的可能性。

基于以上状况，需要采用推进缸对盾构机进行姿态校正，并对盾构机进行定向控制，使其达到设计要求。若滚转时间过长，需利用掩护刀头反向法进行滚转校正。

2.2 " 管片拼装质量控制

2.2.1 " 管片组装前检查与清理

在管片组装之前，彻底清理盾尾组装处的灰浆、泥土等杂质，确保施工环境干净整洁。同时对每一块管片的型号、外形进行详细检查，确保其与设计要求相符。

若发现管片的型号与运输指示不一致，立即替换不合格的管片；若管片出现破损或裂纹，及时进行修补处理，修补后的管片必须达到施工标准后才能继续使用。

2.2.2 " 掘进轴线控制与管片安装精度

隧道掘进的轴线位置非常关键，为此必须严格控制管片安装的偏差。对于区间段施工，隧道的掘进轴线在垂直方向（上下方向）和水平方向（左右方向）的允许偏差，应控制在±50mm以内。偏差超出此范围时，需及时调整和纠正，以确保管片的精确对接。

此外，在管片的安装过程中，还必须注意管片之间的错缝处理。科学处理错缝不仅能提高结构的稳定性，还能有效防止渗水等问题，确保隧道的长期安全运营。

2.3 " 盾尾油脂注入

盾构机尾段与拼装管片外侧的间隙，是由盾尾密封刷与密封刷间填充的盾尾油脂隔开的。盾尾注脂能将盾尾密封刷与密封刷之间的润滑脂与管片的圆弧处紧密粘结在一起，将地下水和同步注浆泥浆阻挡在盾构机中，从而避免地下水以及同步灌浆注浆的流失。

盾尾润滑可采用自动、半自动或人工两种方式。为了保证施工的安全性，在整个施工过程中，均须采用进口盾尾密封刷和高质量的盾尾密封脂。

2.4 " 开仓换刀

当掘进参数有显著改变、掘进速度较慢、受力增大时，以及刀盘力矩变化很小，或刀盘力矩不稳时，应进行开仓检验。

2.4.1 " 开仓换刀要求

应对沿线地质情况进行认真分析，充分考虑到空气压力换刀的适用条件，尽量避免高湿地区换刀。需根据隧道施工参数的变化，结合沿线地质资料及排渣样的分析结果，合理选择开仓检测工具的位置。在隧道掘进机到达预定地点后，重新换刀，根据巡视情况，确定是否需要检修刀盘对破损的刀具进行，并清理泥饼。

2.4.2 " 检查与换刀作业地点选择

所选检查及换刀的作业地点必须满足一系列严格的条件，以确保作业过程的安全性和效率。检测和更换刀具的区段围岩应较为均匀，力学性能良好，具有较高的稳定性和自稳性，以确保在作业过程中不出现因围岩变形或不稳定而引发的安全事故。

所选作业区段的巷道深度应适宜，不宜过深或过浅。适宜的深度能够在保证作业空间的同时，有效避免因深度过大带来的施工困难和风险。

此外，巷道上覆地层中应没有不良地层，如松散的砂层、泥岩或地下水丰富的层次等。这些不良地层会导致地下水涌入或地质条件不稳定，从而增加换刀作业的难度和危险性。

2.5 " 泥水系统管控

泥浆的黏性也是另外一项重要的指标。考虑到对土壤颗粒悬浮特性的要求和泥浆处理体系的匹配，对泥浆的凝胶强度（静剪切力）提出了较高的要求。从流动性能的角度来看，黏度不宜太高。

从泥浆自成浆能力来看，泥浆在粘性地层中的循环次数越多，其密度就越大，但这不代表泥浆的质量就越好。若是在砂土中进行，则黏度会相应降低，所以泥浆的黏度应该控制在16～18s之间。

3 " 现场监测分析

3.1 " 隧道竖向位移分析

为了研究不良地层下盾构隧道施工过程中隧道围岩竖向位移，选取左右线监测面左右拱腰、拱顶及拱底竖向位移为研究对象，并对监测结果进行分析。左线隧道各监测点竖向位移变化如图1所示。右线隧道各监测点竖向位移变化如图2所示。

从图1、图2中可以看出，左右线隧道左右拱腰、拱顶及拱底变形规律基本相同。其中，左右线隧道拱底随着盾构隧道的掘进呈先增大后趋于稳定的趋势，且在掘进过程中拱底表现为隆起。左右拱腰及拱顶随着盾构隧道的掘进也呈先增大后趋于稳定的趋势，但左右拱腰及拱顶在掘进过程中表现为沉降。

当左线盾构隧道掘进达到稳定时，左右拱腰、拱顶及拱底最大值分别为-2.20mm、-2.79mm、-7.58mm、6.90mm；而右线盾构隧道掘进达到稳定时，左右拱腰、拱顶及拱底最大值分别为-1.96mm、-2.39mm、-6.38mm、5.31mm。

通过上述分析可知，左右线隧道各监测位置中，拱底及拱顶变形程度要大于左右拱腰，因此在该地层盾构隧道掘进过程中，应及时对拱顶及拱底进行监控量测，防止变形过大对地铁施工及运营产生危害。

3.2 " 隧道横向位移分析

为了研究不良地层下盾构隧道施工过程中隧道围岩横向位移，选取左右线监测面左右拱腰、拱顶及拱底横向位移为研究对象，并对监测结果进行分析。左线隧道各监测点横向位移变化如图3所示。右线隧道各监测点横向位移变化如图4所示。

从图3、4中可以看出，左右线隧道左右拱腰、拱顶及拱底变形规律基本相同。其中，左右线隧道各监测点位置均随着盾构隧道的掘进呈先增大后减小的趋势，且左右拱腰两侧横向位移明显大于拱顶及拱底。左右线隧道左右拱腰两侧监测点横向位移，随盾构隧道的掘进均呈现出明显的“V”型曲线。

当左线盾构隧道掘进达到沉降槽时，左右拱腰、拱顶及拱底横向位移最大值分别为-2.60mm、-2.31mm、-0.77mm、-0.58mm；而右线盾构隧道掘进达到沉降槽时，左右拱腰、拱顶及拱底最大值分别为-2.71mm、-2.55mm、-0.70mm、-0.63mm。

通过对比可知，左右线盾构隧道各监测点横向位移要明显小于竖向位移，因此在施工中应着重注意隧道竖向位移，防止竖向位移过大，导致产生隧道塌陷等灾害。

4 " 结束语

盾构隧道施工关键技术包括盾构姿态控制与调整、管片拼装质量控制、开仓换刀、泥水系统管理及盾尾油脂注入。本文以应湖线路所-凤凰南路站区间为研究对象，对施工关键技术进行总结，并通过现场监测的方法对隧道围岩稳定性进行分析。研究结果表明：

左右线隧道左右拱腰、拱顶及拱底变形规律基本相同。左右线隧道拱底随着盾构隧道的掘进呈先增大后趋于稳定的趋势，且在掘进过程中拱底表现为隆起。左右拱腰及拱顶随着盾构隧道的掘进也呈先增大后趋于稳定的趋势，但左右拱腰及拱顶在掘进过程中表现为沉降。

当左线盾构隧道掘进达到稳定时，左右拱腰、拱顶及拱底最大值分别为-2.20mm、-2.79mm、-7.58mm、6.90mm；而右线盾构隧道掘进达到稳定时，左右拱腰、拱顶及拱底最大值分别为-1.96mm、-2.39mm、-6.38mm、5.31mm。

左右线隧道各监测点横线位移均随着盾构隧道的掘进呈先增大后减小的趋势，且左右拱腰两侧横向位移明显大于拱顶及拱底。左右线隧道左右拱腰两侧监测点横向位移随盾构隧道的掘进均呈现出明显的“V”型曲线。

当左线盾构隧道掘进达到沉降槽时，左右拱腰、拱顶及拱底横向位移最大值分别为-2.60mm、-2.31mm、-0.77mm、-0.58mm；而右线盾构隧道掘进达到沉降槽时，左右拱腰、拱顶及拱底最大值分别为-2.71mm、-2.55mm、-0.70mm、-0.63mm。

参考文献

[1] 黄学军，杨艳玲.南昌地铁泥水盾构穿越赣江风险分析及其

控制措施[J].公路交通技术，2016，32（2）：112-116.

[2] 宋亚洲.盾构隧道施工安全隐患与风险源分析研究[J].科

技资讯，2024，22（5）：171-173.

[3] 杜闯东.基岩破碎带与软硬不均等不良地层盾构掘进技术

分析[J].隧道建设，2015，35（9）：920-927.

[4] 黎新亮.盾构隧道穿越湘江溶洞区工程风险分析及应对措

施探讨[J].铁道标准设计，2014，58（2）：64-70.

[5] 赵明华，袁腾方，陈言章，等.基于Schwarz交替法的岩

溶区双孔土洞地基稳定性分析[J].水利水电科技进展，2018，

38（6）：49-55.