石灰?guī)r地層大斷面盾構掘進施工技術

（中鐵三局集團第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

濟南地鐵R3號線盾構施工處于泉脈發(fā)育地質段，穿越中風化石灰?guī)r層，存在巖石裂隙水、泉水溶洞通路涌水、圍巖變形破裂等風險，且周邊地表覆土層多為人工回填的素填土，自穩(wěn)性和密實性較差，屬于典型的上軟下硬石灰?guī)r地層。為確保盾構安全快速施工，需控制盾構平穩(wěn)推進速度，最大限度的保護圍巖天然結構強度，減少變形產生土體裂縫造成圍巖強度的損失。

在上軟下硬石灰?guī)r地層大斷面盾構掘進施工過程中，掘進參數的控制對成型管片質量起到關鍵的作用。針對濟南地鐵R3號線上軟下硬石灰?guī)r地層盾構施工，通過對盾構掘進參數進行過程控制，并采用新型的渣土改良技術，對渣土進行改良，有效確保了泉脈發(fā)育地質段結構穩(wěn)定及地面建（構）筑物的安全，提高了管片拼裝質量和盾構掘進效率。

2 施工關鍵參數設定

2.1 土倉壓力值設定

上軟下硬石灰?guī)r地層開挖面上部土體自穩(wěn)性、密實度較差，盾構掘進時瞬間崩解，強度急劇降低，下部為中風化石灰?guī)r。在盾構掘進中，為防止刀盤前方地層損失，需要在開挖面建立一定的壓力來防止地下水大量涌入土艙，減少水土流失及防止出土器噴涌。結合工程實際，龍孟盾構區(qū)間隧道覆土厚度為8.7～11.3m，綜合計算后，土倉壓力取80%土體豎向壓力，計算的理論土壓力在盾構推進時土倉壓力略高于理論值0.01MPa。盾構出加固區(qū)土倉壓力設置為0.12MPa，正常掘進及房屋段土倉壓力均按照0.13MPa設置，根據推進實際情況，對土倉壓力有0.01MPa的實時調整，其中，土倉壓力值大小隨掘進環(huán)號變化見圖1。

圖1 土倉壓力值變化統計圖

2.2 推力及扭矩設定

盾構的推力指為保證盾構推進所需的千斤頂推力總和，刀盤扭矩是指為保證開挖面土體的切削和排出所需的刀盤扭矩。盾構始發(fā)時為確保反力架及始發(fā)架穩(wěn)定，需嚴格控制推力。在濟南地鐵龍孟盾構區(qū)間，刀盤在素樁加固體中掘進以“磨”為主，洞門封堵完成前，推力控制在800t以下；正常掘進后，掘進斷面處于上軟下硬石灰?guī)r地層中，為保證成型管片姿態(tài)及質量要求，推力值控制在1 300～1 500t，控制刀盤扭矩控制在1 500～3 500kNm，通過合理控制推力和刀盤扭矩有效確保了盾構的順利運行，盾構推力及刀盤扭矩隨掘進環(huán)號變化見圖2、圖3。

圖2 盾構推力值變化統計圖

圖3 刀盤扭矩值統計圖

2.3 出土量

濟南地鐵龍孟盾構區(qū)間隧道掘進，每環(huán)理論 出 土 量 ＝ πR2L＝ 3.14×(6.68÷2)2×1.2＝42.03m3/環(huán)，土的松散系數取1.1，盾構推進出土量控制在98%～102%之間，即每環(huán)的實際出土量控制在45m3/環(huán)～47m3/環(huán)。為確保渣土的排出量與掘進的開挖量相匹配，獲得穩(wěn)定而合適的支撐壓力值，使掘進機的工作處于最佳狀態(tài)，根據地表隆陷監(jiān)測結果和對應的土倉壓力，總結出掘進一環(huán)的合理出渣量選定為46m3/環(huán)，龍孟區(qū)間前100環(huán)出土量統計見圖4。

圖4 出土量變化值統計圖

2.4 同步注漿量

同步注漿是保證地面建筑、地下管線、盾尾密封及襯砌管片安全的重要一環(huán)，其目的主要體現在：①及時填充盾尾建筑空隙，支撐管片周圍土體，有效地控制地表沉降；②凝結的漿液將作為盾構施工隧道的第一道防水屏障，增強隧道的防水能力；③為管片提供早期的穩(wěn)定并使管片與周圍土體一體化，有利于盾構掘進方向的控制，并能確保盾構隧道的最終穩(wěn)定，在上軟下硬石灰?guī)r地層掘進中，采用了漿液配合比（質量比）為：消石灰∶水泥∶粉煤灰∶砂∶膨潤土∶水＝60∶50∶350∶850∶50∶350的配比，通過試驗檢測，滿足要求。龍孟區(qū)間前100環(huán)同步注漿量統計見圖5。

圖5 同步注漿量變化統計圖

2.5 掘進速度控制

在上軟下硬石灰?guī)r地層中，為保護盾構機刀盤，減少刀具損耗，加固體內掘進以“磨”為主，盾構推進速度宜控制在10～15mm/min內，以防止對加固體造成過度擾動并保護刀具。盾構正常推進時，根據同步注漿速度、刀盤扭矩等參數控制掘進速度，速度宜控制在3～4cm/min左右，在盾構穿越建筑物，掘進速度宜控制在2～3cm/min，濟南地鐵龍孟盾構區(qū)間前100環(huán)掘進速度統計見圖6。

圖6 掘進速度變化統計圖

2.6 二次注漿量

考慮到周邊環(huán)境保護和隧道穩(wěn)定因素，盾構機穿越后通過管片中部的注漿孔進行二次補注漿。在上軟下硬石灰?guī)r地層中，二次注漿采用水泥單液漿及水泥、水玻璃雙液漿配合使用，1∶1純水泥單液漿配比（1m3漿液）為水泥∶水＝756kg∶756kg；水泥、水玻璃雙液漿配比（1m3漿液）為水泥∶水∶水玻璃＝712kg∶712kg∶120kg。二次注漿的水泥漿注漿壓力一般為0.4～0.5MPa，漿液流量：10～15L/min，一般每5環(huán)注一次，每次注漿量約為2～4m3，形成有一定范圍的環(huán)箍，從而限制隧道的變形和沉降，龍孟盾構區(qū)間不同注漿環(huán)號注漿量統計值見圖7。

圖7 二次注漿量變化統計圖

3 渣土改良施工

當盾構在上軟下硬石灰?guī)r地層中掘進時，由于開挖面粘性土具有內摩擦角小、粘性大和流動困難等特點，使得粘性土體粘附在刀盤上，被刀盤從開挖面上切削下來的粘土，通過刀盤碴槽進入壓力艙后，在土倉壓力下容易被壓實固結，最終導致刀盤和整個壓力艙內形成堅硬“泥餅”，為解決在上軟下硬石灰?guī)r地層中掘進存在結泥餅的風險，采用發(fā)泡劑對碴土進行改良，并通過刀盤上的泡沫孔或土艙壁上的球閥向開挖面、土艙內注射水，提高碴土的流動性，降低刀盤及土艙的溫度。同時在上軟下硬地層半敞開模式下盾構施工，當盾構停機拼管片作業(yè)時，通過土倉向開挖面輸送膨潤土漿液，漿液在開挖面形成封閉泥膜，有效減少開挖面水土流失，保持土壓穩(wěn)定。

4 施工測量與監(jiān)測

4.1 施工測量

盾構掘進期間，精確的測量控制對指導盾構掘進起重要作用，可減少盾構糾偏，提高掘進精度。施工測量滿足以下要求。

1）洞內測量施測環(huán)境復雜，精度要求高，采用三維坐標法進行測量。洞內測量包括盾構姿態(tài)和襯砌環(huán)片的測量、成型環(huán)片的測量，測量頻次：正常掘進狀態(tài)下，每10環(huán)進行一次成型管片姿態(tài)測量；在盾構姿態(tài)出現異常偏差時，需每天測量1次成型管片姿態(tài)。

2）盾構隧道限界要求嚴格，凈空斷面尺寸測量采用解析法測量。

3）布設足夠的控制點，并精心做好標記，加強對控制點的保護和檢查。為保證測量精度，配備先進的測量儀器，使用先進的測量技術。

4）負責保存好管段內全部的三角網點、水準網點和自己布設的控制點，防止移動和損壞，一旦發(fā)生損壞，及時采取補救措施。

5）全部的控制點三維坐標經檢查合格后，方可開展后序工作。

6）聯系測量包括導線定線測量、高程傳遞測量，需進行4次，分別為：始發(fā)前、掘進100m完成后和掘進300m完成后，到達前100～200m。

4.2 施工監(jiān)測

盾構掘進前，詳細了解施工影響范圍內的地面建、構筑物、地下構筑物、地下管線的情況及保護要求并按盾構掘進施工監(jiān)控量測項目（表1）要求進行監(jiān)測。施工監(jiān)測時需加強巡視，把監(jiān)測信息及時反饋給掘進班組，及時調整掘進參數。

5 施工質量保證措施

1）加強現場施工材料管理，嚴格執(zhí)行進料檢驗程序，保證施工材料滿足設計和規(guī)范要求，不合格材料不得進場使用，確保工程質量。

2）配料采用經計量準確的計量工具，嚴格按照設計配比配料施工。

3）注漿嚴格按照程序施工，每段進漿要準確，注漿壓力一定要嚴格控制，專人操作。當壓力突然上升或從孔壁、地面溢漿時，應立即停止注漿，每段注漿量應嚴格設計進行，跑漿時，應采取措施確保注漿量滿足設計要求。

4）每道工序均要按排專人，負責每道工序的操作記錄。

5）整個注漿施工應密切注意和防止地面出水溢漿、隆起等情況，加強對施工地段的沉降觀測。

6）注漿前必須做好充分的注漿準備，注漿一經開始應連續(xù)進行，力求避免中斷。

表1 盾構掘進施工監(jiān)控量測項目

6 結 語

針對上軟下硬富水石灰?guī)r地層，濟南地鐵R3號線在盾構施工中通過嚴格控制斷面盾構掘進參數并采用新型的渣土改良技術，解決了上軟下硬石灰?guī)r地層盾構區(qū)間施工過程中容易出現地表沉降導致建筑物變形、開裂等問題，提高了上軟下硬地層盾構掘進的施工效率。通過此次盾構施工，積累了寶貴施工參數，可為以后類似工程施工提供重要參考。

[參考文獻]

[1]陸云涌．地鐵工程施工技術綜述[J]．山西建筑，2009，10(28)：219-130.