地鐵盾構法施工事故預防及處理措施

張志偉，賈艷敏，趙艷娟

(1.東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040;2.中鐵十三局集團 第四工程有限公司，哈爾濱 150008)

1 工程概況

廣州地鐵四號線大學城專線地鐵盾構工程主要穿越侖頭村、侖頭海河床、官洲村、官洲河河床及少量果園。侖頭村、官洲村多層居民建筑密集，地表高程一般為12.86～16.68 m。此處地層強度及硬度較高為:①右線中間段，其天然抗壓強度單值為51.5～98.1 MPa，平均值為78.2 MPa;②左線 ZDK16+400段，其天然抗壓強度單值為58.5～77.5 MPa，平均值為67.1 MPa。巖石硬度大，對刀具的磨損大。侖頭盾構始發(fā)井至官洲站段隧道結構頂板在SCK17+100—SCK17+400段切穿砂層，涌水量較大。雖然其結構頂板以上存在4～6 m厚的砂質(zhì)黏性土等相對隔水層，但隧道外水壓力較大，隔水層的滲透性將因圍巖變形而增大，那么隧道將出現(xiàn)不同程度的涌水、涌土問題?；旌蠋r殘積土、全風化～強風化混合巖遇水具崩解性，受水影響其強度會迅速降低，穩(wěn)定性較差，不利于圍巖的穩(wěn)定。開挖時若不及時支護或疏干地下水，則可能引起較大范圍的坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象。本標段工程地質(zhì)劃分為9個巖土層，每個巖土層分別按巖土層代號、巖土名、時代成因和巖性描述。滲透系數(shù)的選用以抽水試驗、室內(nèi)滲透試驗結果為主，滲透系數(shù)的具體選用見表1。

表1 主要地層滲透系數(shù)(k)選用

2 施工事故預防及處理措施

2.1 防止盾構法結泥餅施工技術措施

盾構機穿越易結泥餅的〈5Z-1〉、〈5Z-2〉地層時，盾構機掘進時會在刀盤特別是刀盤的中心部位產(chǎn)生泥餅。當產(chǎn)生泥餅時，掘進速度急劇下降，刀盤扭矩也會上升，大大降低開挖效率，甚至無法掘進。施工中采取的主要技術措施為:

1)在到達這種地層之前把刀盤上的部分滾刀換成齒刀，增大刀盤的開口率。

2)加強盾構掘進時的出土管理，密切注意開挖面的地質(zhì)情況和刀盤的工作狀態(tài)。

3)刀盤前部中心部位布置有數(shù)個泡沫注入孔，在這種地層掘進時可以適量增加泡沫的注入量，減小渣土的黏附性，降低泥餅產(chǎn)生的幾率。

4)刀盤背面和土倉壓力隔板上設有攪拌棒，以加強攪拌強度和范圍，并通過土倉隔板上攪拌棒的泡沫孔向土倉中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流動性。

5)必要時螺旋輸送機內(nèi)也要加入泡沫，以增加渣土的流動性，利于渣土的排出。

6)一旦產(chǎn)生泥餅，可空轉刀盤，使泥餅在離心力的作用下脫落。確保開挖面穩(wěn)定后，可采用人工進倉處理的方式清除泥餅。

2.2 防止盾構機螺旋輸送器噴涌的技術措施

由于基巖裂隙水發(fā)育，且得到珠江水系的補給，進入土倉的渣土不具有一定的塑性，承壓水與無塑性渣土容易形成螺旋輸送器噴涌。針對這種情況采用下列措施:

1)隧道下坡并處于硬巖含水地層中必須切斷管片與圍巖間隙匯集的地下水與開挖面的水力聯(lián)系，管片處于硬巖含水層中長度越長，管片背后存儲的水力和壓力就越大，這就要求同步注漿效果必須達到完全封閉襯砌空隙并阻水，避免土倉與管片背后形成水力通道。

2)采取土壓平衡模式掘進，嚴格控制進尺、出土量，保證盾構機連續(xù)均衡快速通過該區(qū)域。如圖1。

圖1 土壓平衡掘進模式示意

3)及時對盾尾密封刷添加足量的油脂，確保盾尾的密封性，防止因盾尾密封性不好發(fā)生涌水、涌沙現(xiàn)象。

4)如果發(fā)現(xiàn)有涌水現(xiàn)象，將螺旋輸送器前端退出土倉，并關閉土倉閘門。啟用保壓泵，將渣土直接泵送至渣土車。在關閉螺旋輸送器的情況下繼續(xù)掘進，讓切削下來的土體擠出土倉內(nèi)的水，但要預防倉內(nèi)壓力過高，造成盾構機前方隆起、冒漿和擊穿盾尾密封等事故。

5)加強地面監(jiān)測，及時進行信息反饋。

2.3 盾構法掘進過程中管片上浮控制措施

盾構機在掘進過程中，隧道管片位移多數(shù)情況下是管片上浮，主要受工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、襯背注漿質(zhì)量、盾構機姿態(tài)控制等方面的影響。

2.3.1 引起管片位移的因素分析

1)襯背環(huán)形建筑空間。當管片脫出盾尾后，由于盾構掘進過程中的蛇形運動，超挖以及理論間隙，管片與地層間存在一環(huán)形建筑空間。在軟巖地層中，如果不及時進行同步注漿填充環(huán)形建筑空間，拱頂圍巖極有可能產(chǎn)生變形引起地表過量沉降。在硬巖地層中，管片脫出盾尾后，環(huán)形建筑空間在相對長的時間內(nèi)是穩(wěn)定的，如不及時填充此空間，脫出盾尾的管片是處于無約束的狀態(tài)，給管片的位移提供了可能的條件。

2)硬巖含水地層。在透水地層中盾構機掘進形成的環(huán)形建筑空間在充滿水或初凝時間很長的漿液的情況下，若隧道管片全部浸泡在盾構掘進形成的“圓形坑道”之中，當管片所受到的浮力大于管片本身的自重，隧道管片在全斷面地下水或未凝固的漿液的工況下，管片本身就有上浮的趨勢。

3)襯背注漿工藝。一是注漿量不足:在盾構機掘進的過程中，實際注漿量應該達到理論建筑空隙量的150%～200%。該區(qū)間盾構開挖斷面扣除管片外徑面積每一環(huán)的理論空隙量為4.05 m3?？紤]到運輸和管道輸送、壓注過程中的損失，進入到襯背環(huán)形建筑空間的漿液量不能完全填充密實管片與圍巖間的建筑空間，尤其是隧道頂部分，這也給管片提供了上浮空間。二是注漿壓力不足:盾尾注漿孔口的注漿壓力應大于隧道埋深處的水土壓力，考慮到現(xiàn)場對注漿壓力的管理和控制不能完全和理論值吻合，導致襯背漿液不能密實地充填圓形建筑空隙，造成管片上浮。

2.3.2 控制管片上浮的措施

1)選擇合適的漿液性能。應該保證漿液的充填性、初凝時間與早期強度、限定范圍防止流失(漿液的稠度)的有機結合，才能使隧道管片與圍巖共同作用形成一體化的構造物。

2)控制盾構機姿態(tài)。盾構機過量的蛇形運動必然造成頻繁的糾偏，糾偏就是管片環(huán)面不均的過程，要求盾構機掘進過程中控制好盾構機的姿態(tài)，沿隧道軸線作小量的蛇形運動。發(fā)現(xiàn)偏差時應及時逐步糾正，不得過急過猛來糾正偏差，人為造成管片環(huán)面受力嚴重不均。

3)管片上浮后的處理措施。發(fā)現(xiàn)管片上浮，立即停止盾構機掘進，對已上浮的管片通過注漿孔二次注漿，注漿順序應順隧道坡度方向從隧道拱頂至二側最后壓注拱底。當打開拱底注漿孔無滲水時，可以終止注漿。

2.4 盾構機滾動預防及處理措施

2.4.1 盾構機的滾動監(jiān)測方法

1)滾動角的監(jiān)測。采用電子水準儀測量高程差，進行滾動圓心角計算的方法監(jiān)測。可在土倉隔墻后方對稱設置兩點，使該兩點的連線為一水平線并且其長度為一定值L，測量兩點的高程差，即可算出滾動角。如圖2，A、B為測量標志，a、b為盾構機發(fā)生滾動后測量標志所處的新位置，Ha、Hb為測出的兩點的高程，α為盾構機的滾動圓心角，α=arcsin［(Hb－Ha)/L］;如果Hb－Ha>0，那么盾構機逆時針方向滾動;如果 Hb－Ha<0，那么盾構機順時針方向滾動。

圖2 盾構機滾動測量示意

2)豎直方向角、水平方向角的監(jiān)測。采用全站儀直接測量盾構機的豎直方向角、水平方向角的變化，可得到盾構的方向偏差。

3)自動監(jiān)測。盾構機帶有自動測量激光導向系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在一固定基準點發(fā)出激光束的基礎上，計算機器的位置來工作。確定機器位置，便可計算其對設計線路的偏差，并將信息反饋在顯示器上，操作人員通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整。測量機器位置，使用目標裝置(激光靶板)和傾角羅盤裝置。激光靶板測量激光束的射入點和射入角，內(nèi)置測斜儀測量機器在兩個方向的轉角。自動監(jiān)測與人工監(jiān)測相互輔助，可提高盾構機姿態(tài)監(jiān)測的精度。

2.4.2 盾構機滾動調(diào)整與方向變化

1)滾動偏差。當盾構機滾動偏差超過0.5°時，盾構機會報警，提示盾構機操作手必須對刀盤進行糾偏，盾構機滾動偏差采用刀盤反轉的方法糾正。

2)方向偏差?？刂贫軜嫏C方向的主要因素是控制推進千斤頂?shù)耐屏?，通過調(diào)整各推進油缸的推力來調(diào)整盾構機掘進機的姿態(tài)。當盾構機出現(xiàn)下俯時，加大下側推進油缸的推力;當上仰時，可加大上側推進油缸的推度來糾豎直方向的偏差。操作人員要根據(jù)自動導向系統(tǒng)量測的結果和在控制室監(jiān)示器上顯示出來的盾構機當前位置與設計位置以及相關的數(shù)據(jù)和圖表，平緩地調(diào)整各分區(qū)千斤頂?shù)耐屏ψ尪軜嫏C接近設計線路。

3)方向控制所采取的措施。在盾構掘進機上安裝SLS-T導向系統(tǒng)，并實現(xiàn)電腦程序化和自動化控制。同時采用人工測量復核，以確保掘進方向的準確。①人工監(jiān)控?？刂贫軜嫷臐L動角、水平方向角、垂直方向角，在盾構機上安設固定的測量控制點，以檢測盾構的偏轉。②自動監(jiān)測。依靠SLS-T激光導向系統(tǒng)，其采用基礎坐標系來精確定位和方向控制。③滾動偏差調(diào)整。開挖掌子面推進的支撐反力由管片提供，刀盤切削土體的扭矩主要是盾殼與洞壁之間形成的摩擦力矩來平衡。在巖層較好時，盾殼與巖層之間也有部分摩擦力提供力矩。當摩擦力矩無法平衡刀盤切削土體產(chǎn)生的扭矩時，將引起盾體滾動，滾動過大就會影響管片拼裝，從而引起隧道軸線偏斜。若盾殼已發(fā)生偏轉，則采用刀盤反轉，慢慢調(diào)正。④糾偏注意事項。在轉換刀盤轉動方向時，應保留時間間隔，切換速度應緩慢均勻;根據(jù)盾構機前的掌子面地層情況及時調(diào)整掘進參數(shù)、掘進方向，避免引起更大的偏差;對于盾構機蛇形運動的修正，應以長距離慢慢修正為原則，如果修正過急，蛇形反而會更加明顯。在直線推進的情況下，應選取盾構機當前所在位置點與設計線上遠方的一點作一直線，然后再以這條直線為新的基準點進行線形管理。在曲線推進的情況下，應使盾構機當前所在位置點與遠方點的連線同設計曲線相切。

2.4.3 盾構機滾動處理措施

1)在掘進過程中，有針對性地加注泡沫減小刀盤扭矩，消除使盾構機發(fā)生滾動的外力因素。

2)及時注漿，確保注漿量，采用活性漿液等措施增大盾構周邊摩擦力控制盾構滾動。

4)放慢推進速度，采用刀盤正、反轉的措施對盾構機滾動進行控制。

2.5 注漿管堵塞預防及處理措施

2.5.1 堵管原因分析

1)漿液配合比。采用同步注漿工藝進行襯背注漿，對漿液的性能要求是漿液不易離析、易壓送、充填性好、早強、經(jīng)濟性好。綜合平衡選擇漿液性能是確保同步注漿質(zhì)量的關鍵。

2)漿液運輸。漿液的運輸包括地面拌和站經(jīng)輸送泵泵入儲料罐，再由下料管放至井下的漿液運輸車，然后運至隧道內(nèi)，經(jīng)砂漿泵泵入盾構機儲料罐中。由于砂漿經(jīng)過多次倒運，運輸管路彎曲且運輸環(huán)節(jié)多，漿液在運送過程中靜置時間過長，極易引起漿液的離析。

3)注漿管路被污染。工序交接和班組交接時，管路未進行清理，造成管路中殘留的漿液在管壁固結沉淀。

4)材料品質(zhì)。中粗砂粒徑不適應盾構機配置的同步注漿管路。另外砂未經(jīng)過篩分，粗粒混入漿液引起管路阻塞。

5)盾構機同步注漿管路系統(tǒng)。由于盾構機內(nèi)空間狹窄，各種管路錯綜復雜彎頭很多，漿液長期在管路中沉積，極易形成漿垢。

6)其它。機器故障停機或人為的注漿停頓都會造成漿液在管路中凝固堵管;由于隧道周邊圍巖地質(zhì)和水文情況的不斷變化，圍巖滲透和擴散漿液的能力不盡相同，注漿壓力及注漿量也應隨著不同地質(zhì)條件作相應的調(diào)整;不相適應的漿液配比和注漿參數(shù)也是造成堵管的原因之一。

⑧《蔣介石日記(手稿本)》1931年12月24日，斯坦福大學胡佛研究院檔案館藏。下文所引《蔣介石日記》均抄錄自胡佛研究所檔案館，不再分別注明。

2.5.2 預防堵管措施

1)漿液運輸管路的鋪設，要避免管路彎曲造成漿液流速緩慢而沉淀。

2)緊湊安排工序，縮短漿液在隧道內(nèi)的運輸時間。在洞口和砂漿車位置設置電源插座，專供砂漿車攪拌電機用，保證砂漿車攪拌器正常連續(xù)工作，避免因施工停頓時間過長而引起漿液離析。

3)砂漿車向盾構機儲漿罐泵漿時，降低出漿管高度，同時開啟攪拌機攪拌漿液。

4)在不影響其它管路及運作空間的前提下，適當改善同步注漿管路，減少彎頭、增大管徑，避免漿液在管路中沉積、堵塞。

5)保證盾構機及后配套設備的正常連續(xù)運行。堅決避免盾構機在推進過程中人為停機，造成同步注漿工序中斷使?jié){液凝固堵塞。

2.6 盾構法施工測量偏差預防與措施

2.6.1 始發(fā)前的盾構姿態(tài)控制

姿態(tài)是靠盾構體始發(fā)托架和反力架的安裝精度來控制的，同時精度還影響到環(huán)片的拼裝姿態(tài)。在定向聯(lián)系測量后，根據(jù)底板平面及高程控制點對始發(fā)托架進行定位。在盾構體組裝完成前，開始進行反力架的定位。始發(fā)托架及反力架的安裝要全過程進行監(jiān)控，保證其左右偏差±10 mm之內(nèi)，高程偏差在±5 mm之內(nèi)，反力架與隧道設計軸線法平面偏差<2‰。

2.6.2 正常掘進過程中的導向系統(tǒng)監(jiān)控及維護

在掘進過程中，對VMT導向系統(tǒng)運行的可靠性進行定期檢查，即盾構姿態(tài)的人工檢測。盾構姿態(tài)人工檢測工作一周一次，并每天利用環(huán)片檢測對導向系統(tǒng)運行的可靠性進行檢測。除此之外，還對TCA激光站及定向棱鏡的穩(wěn)定性進行檢查。在始發(fā)前，導向系統(tǒng)的激光站及定向棱鏡安裝在始發(fā)井內(nèi)，不要輕易進行改動。

2.6.3 掘進過程中的環(huán)片檢測

在掘進過程中，每天對環(huán)片姿態(tài)進行檢測，及時為后續(xù)盾構掘進設置參數(shù)提供指導，同時利用環(huán)片姿態(tài)對盾構導向系統(tǒng)工作的可靠性進行監(jiān)控，當最后拼裝的環(huán)片姿態(tài)值與盾構姿態(tài)參考點偏差值較大時，檢查導向系統(tǒng)工作的可靠性，并及時進行相關的人工檢測工作。

2.6.4 地面監(jiān)測

1)始發(fā)井周圍房屋的監(jiān)測。從《漁具廠車間沉降觀測成果匯總表》看，累計沉降值最大點為16.5 mm，最小為1.0 mm。從整體來看沉降已基本穩(wěn)定。

2)始發(fā)井攪拌站沉降監(jiān)測。通過對攪拌站沉降點進行觀測，累計沉降量最大點為12.8 mm，最小點為4.6 mm。

3)始發(fā)井南端的公路。始發(fā)井南端的公路即為全線監(jiān)測布置的第一主斷面，是橫向布設在左右線中線上的，平均每間隔5 m布設了一個監(jiān)測點，用0.8 m直徑20 mm的螺紋鋼打入土體0.75 m，并用混凝土加以保護。共11個點(點號依此是GJ-0～GJ-10)，一天監(jiān)測兩次。通過對斷面的監(jiān)測，累積沉降最大的為GJ-4，沉降9.9 mm，最小的為GJ-0，沉降2.1 mm，都小于預警值20 mm。考慮到路面經(jīng)常有重型車通過對其產(chǎn)生的影響，可以肯定在盾構掘進的前200 m，地面公路是穩(wěn)定的。

4)加工廠廠房。加工廠廠房是橫向分布在左右線路上的，成條狀，廠房在線路方向上的長度為6 m，監(jiān)測點布設在承重結構上，累積沉降最大的C8點為10 mm，最小的點4 mm，都遠遠小于預警值20 mm。

通過對以上四組不同的監(jiān)測對象的沉降情況來看，在始發(fā)井南端的地層都很穩(wěn)定，同時考慮到隧道埋深，可以推測盾構在通過侖頭村時，對地表的擾動很小，相關盾構掘進參數(shù)設置可以確保盾構施工的安全。

3 結束語

地鐵工程盾構法施工事故預防及處理措施與圍巖條件、盾構形式，開挖方法、刀盤刀具、工作面穩(wěn)定機構、推進方式、一次襯砌、回填注漿等等有關，要完全避免施工過程中事故是比較困難的，但是依靠施工方法的選擇及良好的施工技術措施，對各個施工工序進行細心分析和研究，在施工時采取與實際條件相適應的決策和謹慎的技術管理，則可減少事故隱患，并提高處理措施水平。另外，選擇適當?shù)氖鹿暑A防和措施時，除應綜合考慮施工的難易程度、安全性、經(jīng)濟性、工期、環(huán)境條件等之外，還要考慮過去的施工實例，必須根據(jù)每個現(xiàn)場的具體條件，選擇相應的實踐方法。施工過程中，應及時按布設的各種監(jiān)測點等反饋資料，調(diào)整施工細節(jié)，合理安排隧道內(nèi)部結構的施工順序及時間，并對應調(diào)整隧道結構施工事故預防和處理措施設計，這對于保證盾構法施工地鐵隧道預期質(zhì)量要求是很有效的，以此來確保地鐵建設安全順利進行施工。

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