地鐵盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)雜地質(zhì)施工工藝

劉 臣

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 工程概況

常州市軌道交通1 號(hào)線一期工程線路長(zhǎng)約33.837 km，沿線包含地下站27 座、高架站2 座共29 座車(chē)站，平均站間距約1.2 km。根據(jù)工程規(guī)劃，設(shè)新龍車(chē)輛段、城南停車(chē)場(chǎng)、控制中心1座、主變電站3 座，并根據(jù)地鐵路線運(yùn)行需求配套機(jī)電系統(tǒng)，以提高地鐵運(yùn)行水平。

2 工程難點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，本標(biāo)段二條盾構(gòu)隧道均穿越粉砂層，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)不易控制、推進(jìn)困難，地面沉降發(fā)生概率較大且有明顯的破壞性作用，迫使周邊的現(xiàn)狀建筑物以及管線受損。應(yīng)對(duì)措施如下：

（1）盾構(gòu)進(jìn)入粉砂層，實(shí)施“保頭護(hù)尾、信息化施工”，不漏漿不沉降。保住盾頭土壓力及改善正面土體（加泡沫添加劑），護(hù)住盾構(gòu)鋼絲刷不被破壞而發(fā)生漏漿漏水現(xiàn)象。

（2）嚴(yán)格控制調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)期間加強(qiáng)觀察、動(dòng)態(tài)糾偏，保證隧道軸線在規(guī)范范圍內(nèi)。

（3）盾構(gòu)施工期間采取防護(hù)措施，即注漿與掘進(jìn)兩項(xiàng)工作同步推進(jìn)，控制漿液質(zhì)量及注漿量，并在實(shí)際施工過(guò)程中要按照具體內(nèi)容（如環(huán)境條件、地質(zhì)狀態(tài)、監(jiān)測(cè)反饋等）適當(dāng)?shù)卣{(diào)整鉆進(jìn)速度、出土量等主要作業(yè)參數(shù)，提高其與實(shí)際環(huán)境的適應(yīng)性水平，最大限度減小地表的沉降量和隆起量，嚴(yán)格控制隧道后期沉降量和不均勻沉降量。

（4）進(jìn)入粉砂層應(yīng)及時(shí)足量注入泡沫添加劑，改善土質(zhì)；精細(xì)化調(diào)控壓力倉(cāng)壓力和排土量，防止刀盤(pán)及土倉(cāng)聚積泥餅或堵塞輸送管道。

3 盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物的施工

著重考慮的是隧道中心線左右各20 m 的范圍，因容易受到盾構(gòu)穿越施工的影響，有必要加強(qiáng)防控。具體的控制性措施做如下分析。

3.1 盾構(gòu)穿越樓房段施工控制

3.1.1 同步注漿施工參數(shù)控制

盾構(gòu)穿越樓房段同步注漿質(zhì)量配比如下：水∶黃沙∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶石灰∶外加劑=530∶800∶400∶60∶70∶3。其中，將坍落度作為關(guān)鍵的漿液質(zhì)量控制指標(biāo)，并根據(jù)砂的含水量調(diào)整拌和水用量。

3.1.2 注漿壓力

注漿壓力：0.3～0.4 MPa。

3.1.3 注漿量

正常掘進(jìn)段4.0 m3/環(huán)，鄰近或下穿建筑段5.0 m3/環(huán)，砂層段注漿量應(yīng)適當(dāng)加大。

3.1.4 二次注漿施工參數(shù)控制

（1）注漿范圍：橫向?yàn)槎軜?gòu)機(jī)中軸線左右各20 m，縱向?yàn)榻ㄖ飪啥烁?00 m；進(jìn)出洞和聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)各10 環(huán)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

（2）漿液名稱(chēng)：雙液漿（AB 液）。

（3）注漿壓力：0.3～0.4 MPa。

（4）注漿量：按1.2 m3/環(huán)控制。

（5）漿液性能：為滿足施工要求，膠凝時(shí)間約為1 min。

（6）注漿點(diǎn)位：管片脫出盾尾3 環(huán)開(kāi)始每環(huán)注漿。

3.2 注漿設(shè)備的設(shè)置方式

3.2.1 采用盾構(gòu)壁后同步注漿方式

（1）同步注漿裝置組成。以注漿泵、清洗泵、儲(chǔ)漿槽及管路為核心，配套閥件等相關(guān)輔助裝置，經(jīng)過(guò)整合后安裝至第一節(jié)臺(tái)車(chē)上。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中適時(shí)安排注漿，啟動(dòng)注漿泵，利用該裝置將儲(chǔ)漿槽的漿液泵出，通過(guò)輸漿管道傳輸實(shí)現(xiàn)同步注漿，通過(guò)漿液的注入，有效填充環(huán)形空隙，使其保持密實(shí)、穩(wěn)定。

（2）注漿控制：①分別為各輸漿管道適配壓力傳感器，并安裝監(jiān)控設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各環(huán)的注漿施工情況（根據(jù)注漿壓力和注漿量予以判斷）；各注漿管分別有2 個(gè)調(diào)整閥，根據(jù)實(shí)際注漿狀況靈活調(diào)節(jié)，例如在注漿壓力偏大時(shí)某個(gè)閥使泵關(guān)閉，而壓力降低時(shí)則開(kāi)啟；②注漿壓力、注漿量?jī)身?xiàng)參數(shù)的控制模式根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇，手動(dòng)控制可針對(duì)各管道做精細(xì)化的單獨(dú)控制操作，自動(dòng)控制能夠完成對(duì)全部管道的同步控制。

（3）盾尾止?jié){密封。3 道鋼絲刷加注盾尾油脂密封，在落實(shí)多重密封措施后，有效封堵管片外部的縫隙，以免周邊的地下水、灌漿材料等進(jìn)入，為壁后注漿工作的順利開(kāi)展創(chuàng)設(shè)良好條件[1]。

3.2.2 二次注漿

（1）盾構(gòu)機(jī)穿越后，加強(qiáng)對(duì)地面以及建筑物的監(jiān)測(cè)，判斷其在盾構(gòu)施工擾動(dòng)作用下是否有沉降及變形現(xiàn)象，若有則對(duì)比分析實(shí)際沉降值、變形值與預(yù)警值的關(guān)系，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近預(yù)警值時(shí)，表明同步注漿效果較差，需二次補(bǔ)注漿。材料選擇的是水泥水玻璃雙液漿，通過(guò)漿液的進(jìn)一步注入，填充前一次注漿中密實(shí)性不足的部分。經(jīng)過(guò)兩次注漿后，減小土體的后期沉降[2]。

（2）在注漿孔設(shè)逆止閥，雙液漿被注入后，若無(wú)異常則及時(shí)清洗注漿設(shè)備，避免漿液在其中發(fā)生凝固。

4 軟硬不均地層中的盾構(gòu)掘進(jìn)

在本工程中，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程會(huì)經(jīng)過(guò)一段條件特殊的地質(zhì)，具體表現(xiàn)為：①上部全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化；②下部弱風(fēng)化、微風(fēng)化。針對(duì)這一情況，在實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，考慮到因上下部土質(zhì)抗壓強(qiáng)度所產(chǎn)生的差異可能會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)發(fā)生較嚴(yán)重過(guò)的偏位現(xiàn)象，因此施工單位采取了相應(yīng)措施：

（1）在控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度方面，可根據(jù)實(shí)際情況放緩，調(diào)整的目的在于讓刀盤(pán)可以有效應(yīng)對(duì)堅(jiān)硬巖層，讓該巖層破碎同時(shí)也必須考慮刀盤(pán)在堅(jiān)硬巖層施工過(guò)程中的損耗。為了在一定程度上保護(hù)刀盤(pán)與在合理范圍內(nèi)降低推力，本工程將刀盤(pán)參數(shù)調(diào)整為“轉(zhuǎn)速減小至1.0 r/min 左右、貫入量約5 mm/r”。

（2）為使盾構(gòu)機(jī)按計(jì)劃完成切割任務(wù)，可以在其盾構(gòu)鉸接部位配置對(duì)應(yīng)的千斤頂，并根據(jù)實(shí)際勘測(cè)來(lái)判斷出刀盤(pán)傾角的可調(diào)整范圍，在此參數(shù)內(nèi)加以變化，從而進(jìn)一步確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程可以使軸線更合理。

（3）要根據(jù)不同區(qū)域檢測(cè)及控制盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的千斤頂油壓。通常情況下，巖石較硬時(shí)增大油壓，巖石較軟時(shí)降低油壓。

（4）必須將“土壓平衡”作為基礎(chǔ)性原則，從而讓出土量更具合理性。

（5）為了使盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程發(fā)生偏差時(shí)能夠通過(guò)替換超挖刀方式來(lái)實(shí)現(xiàn)快速超挖，可以在刀盤(pán)上配套超挖刀。該方式還能實(shí)現(xiàn)糾偏需求，保證盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程與設(shè)計(jì)軸線保持一致。

5 盾構(gòu)穿越中、微風(fēng)化巖層

在本工程中，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)的增加，刀盤(pán)刀具出現(xiàn)一定磨損，導(dǎo)致切割的巖體碎片不規(guī)整，影響螺旋輸出機(jī)正常排渣的施工節(jié)奏。針對(duì)這一情況，采取以下措施：

（1）將盾構(gòu)機(jī)設(shè)置為敞開(kāi)式或半敞開(kāi)式，以提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

（2）盾構(gòu)到達(dá)硬巖地段時(shí)及時(shí)換刀。

（3）由于泡沫劑可以在一定程度上緩解刀具磨損并減小刀盤(pán)扭矩，可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加注。

6 盾構(gòu)施工遇孤石的應(yīng)用措施

孤石作為花崗巖不均勻風(fēng)化的產(chǎn)物，其在分布方面普遍存在離散型大、埋藏深度大、空間賦存不規(guī)則等特點(diǎn)。本工程施工過(guò)程中遇到的孤石單軸抗壓強(qiáng)度較高，這是因?yàn)楣率瘏^(qū)域四周很大可能存在強(qiáng)風(fēng)化帶花崗巖，因此吸水性很強(qiáng)。對(duì)于盾構(gòu)施工來(lái)說(shuō)，由于孤石區(qū)域碰到水會(huì)膨脹并軟化土體，從而使土體穩(wěn)定性遭到破壞，因此必須具體研究后采取對(duì)應(yīng)解決措施。

6.1 孤石破碎作業(yè)原理

考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程刀盤(pán)必須具有一定破碎力，本工程使用滾刀作為施工裝置。在運(yùn)行過(guò)程中，滾刀會(huì)將通過(guò)線作為起點(diǎn)而逐漸形成拉伸力，并經(jīng)過(guò)外力作用來(lái)達(dá)到破碎孤石的目的[3]。

6.2 盾構(gòu)對(duì)孤石的處理

掘進(jìn)過(guò)程中碰到孤石地層能否取得預(yù)想效果，主要由刀具磨損以及孤石排出決定。本工程采取以下措施：

（1）提高刀具耐磨性，以確保盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中能夠以設(shè)定好的姿態(tài)進(jìn)行施工。

（2）調(diào)整孤石排除方法。不同地質(zhì)與不同盾構(gòu)機(jī)會(huì)有不同處理孤石的模式，本工程中，對(duì)于直徑小于200 mm 的孤石地層僅需采用常規(guī)模式即可；若超出200 mm，則需要根據(jù)孤石強(qiáng)度來(lái)挑選滿足刀盤(pán)開(kāi)口率和開(kāi)口寬度這兩項(xiàng)指標(biāo)的刀具，同時(shí)配置符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的螺旋輸送機(jī)。

6.3 盾構(gòu)選型問(wèn)題

盾構(gòu)刀盤(pán)為面板式結(jié)構(gòu)，配套開(kāi)口槽，以焊接的方式在開(kāi)口處設(shè)置粒徑限制器，用于阻隔300～400 mm 以上粒徑的孤石，以免其直接進(jìn)入刀盤(pán)，而對(duì)于在該值以內(nèi)的渣塊則可以進(jìn)入其中，快速將渣土排出。刀盤(pán)的配套裝置較為豐富，如滾刀、刮刀、切刀及撕裂刀，部分超粒徑的孤石被擋在刀盤(pán)外，該部分由滾刀處理，經(jīng)過(guò)滾壓操作后破碎、排出。

6.4 控制盾構(gòu)姿態(tài)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始對(duì)孤石區(qū)域?qū)嵤┦┕r(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立起土壓平衡模式；同時(shí)，還要相應(yīng)地減慢掘進(jìn)速度和低速轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，該步驟的目的在于使孤石區(qū)域得到充分碾磨?？傊?，控制盾構(gòu)姿態(tài)的目的在于保護(hù)盾構(gòu)與刀具，以控制地層沉降。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于盾構(gòu)施工來(lái)說(shuō)，越復(fù)雜地質(zhì)就意味著更大的施工難度，加之在具體施工過(guò)程中往往會(huì)不可避免地遇到難以控制的因素，因此必須要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整施工內(nèi)容，以保證盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)境的安全性，從而進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵建設(shè)的有序開(kāi)展。