泥質(zhì)粉砂巖地層長距離土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)研究

摘 要：本研究討論了泥質(zhì)粉砂巖地層中長距離土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)，分析了長距離掘進(jìn)中所面臨的地質(zhì)特點(diǎn)和施工難題。并針對掘進(jìn)模式的選擇、初始掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定與動(dòng)態(tài)調(diào)整、設(shè)備性能監(jiān)測與優(yōu)化、泥餅預(yù)防與處理技術(shù)、注漿體系運(yùn)用優(yōu)化、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與糾偏等關(guān)鍵施工技術(shù)，提出了一系列優(yōu)化方案。合理的掘進(jìn)參數(shù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整、有效的泥餅控制與多層次注漿體系、精準(zhǔn)的姿態(tài)控制與糾偏措施等技術(shù)保證了長距離掘進(jìn)的順利推進(jìn)。

關(guān)鍵詞：泥質(zhì)粉砂巖；長距離掘進(jìn)；土壓平衡盾構(gòu)；施工技術(shù)；參數(shù)調(diào)整文章編號(hào)：2095-4085（2025）02-0040-03

0 引言

泥質(zhì)粉砂巖地層下的長距離地鐵隧道掘進(jìn)施工面臨復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工技術(shù)難題。由于其巖體完整性差、泥質(zhì)基質(zhì)？含量高、遇水易軟化等特點(diǎn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中容易產(chǎn)生泥餅、發(fā)生地層變形等問題，進(jìn)而影響土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定性和掘進(jìn)效率。地層特性多變及地面環(huán)境復(fù)雜，增加了在盾構(gòu)參數(shù)設(shè)定、刀具選用、不良地層處置、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制和掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化等方面的難度。若要克服這些困難，需要合理設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)、實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整以及優(yōu)化施工工藝。

1 工程概述

1.1 工程簡述

廣州市白云區(qū)一段長距離地鐵隧道工程，隧道左線全長3497.325m，右線全長3496.788m，采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)由區(qū)間小里程端始發(fā)進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)最大開挖直徑為8.8m，隧道襯砌外徑8.5m，內(nèi)徑7.7m，襯砌厚度0.4m，襯砌環(huán)寬1.6m，采用6塊標(biāo)準(zhǔn)塊+1塊楔形塊組合的襯砌形式。施工區(qū)間縱斷面最大坡度為-20.6‰，最小坡度為-2‰。

由于隧道所處泥質(zhì)粉砂巖地層特性多變，裂隙發(fā)育且地下水豐富，盾構(gòu)區(qū)間隧道根據(jù)穿越地層的不同性質(zhì)，結(jié)合隧道沿線地下與地面環(huán)境條件進(jìn)行了組段劃分，不同組段采用不同的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置。施工過程中參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整、實(shí)時(shí)監(jiān)測、同步注漿效果等將是確保隧道安全和順利推進(jìn)的關(guān)鍵。單線隧道貫通歷時(shí)480d，正常掘進(jìn)期間，平均工效約7.5m/d。隧道的建成將顯著提升當(dāng)?shù)剀壍澜煌ňW(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，促進(jìn)城市公共交通的進(jìn)一步發(fā)展［1］。

1.2 周邊環(huán)境和地下管線現(xiàn)狀

隧道從區(qū)間小里程端始發(fā)，先后下穿工業(yè)園區(qū)、多處河涌、市政道路、村落房屋群、超高壓燃?xì)狻⒘飨雍拥赖葟?fù)雜環(huán)境。園區(qū)及村落建筑物密集，共計(jì)283棟淺基或樁基礎(chǔ)建筑，隧道頂部與建筑物樁底最小距離約3.9m，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。隧道需下穿或側(cè)穿多條地下管線和重要設(shè)施，如110KV高壓電塔、超高壓燃?xì)夤艿篮秃拥赖?。為確保施工安全，采用了氣壓輔助掘進(jìn)模式和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過掘進(jìn)工藝的改進(jìn)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，減少對周邊環(huán)境的影響。

1.3 地質(zhì)水文情況

區(qū)間隧道最小覆土14.8m，最大覆土31.9m，隧道洞身范圍地層主要為lt;7-3gt;強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、lt;8-3gt;中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、lt;9-3gt;微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中，lt;7-3gt;強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖原巖風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石結(jié)構(gòu)大部分已破壞，巖芯呈半巖半土狀及少量碎塊狀，呈土狀者浸水易軟化。地層標(biāo)貫擊數(shù)57.6擊；lt;8-3gt;中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚至厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，錘擊聲啞，RQD20～50％，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值10.3MPa；lt;9-3gt;中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為泥質(zhì)層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)遇水軟化，失水開裂，錘擊易碎，RQD60～95％，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值15.3MPa。

隧道范圍地下水按賦存方式劃分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。地下水水位埋藏較淺，初見水位埋深0～5.6m，穩(wěn)定水位埋深0.5～8.2m?；鶐r裂隙潛水主要賦存在基巖強(qiáng)風(fēng)化帶和中等風(fēng)化帶以及巖體中的節(jié)理裂隙帶之中，基巖上覆土層為砂層，基巖裂隙水與上部孔隙水聯(lián)系較密切，透水性強(qiáng)。

2 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定與動(dòng)態(tài)調(diào)整

2.1 掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定

在泥質(zhì)粉砂巖地層的長距離地鐵隧道施工中，掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定應(yīng)充分考慮覆土深度及巖土的物理特性、硬度、層理結(jié)構(gòu)、地層滲透系數(shù)等情況。然后，針對性選擇推進(jìn)模式，設(shè)置土壓力、推力、扭矩等重要參數(shù)［2］。

（1）掘進(jìn)模式選擇。為適應(yīng)區(qū)間長距離掘進(jìn)需求，降低刀具磨損，防止結(jié)泥餅，提高渣土改良效果，區(qū)間掘進(jìn)施工過程中采用氣壓輔助模式進(jìn)行掘進(jìn)，土倉內(nèi)土位高度一般設(shè)置為1/3～1/2，以達(dá)到降低渣土改良難度、保護(hù)刀具、提高掘進(jìn)效率的目的。

（2）土壓力。擬設(shè)置土壓力值P需與地層土壓力和靜水壓力相平衡，根據(jù)地層特性，在泥質(zhì)粉砂巖地層掘進(jìn)時(shí)擬設(shè)土壓力的計(jì)算按水土合算考慮。結(jié)合區(qū)間線路隧道埋深情況計(jì)算，土倉壓力值為0.12～0.33Mpa；始發(fā)階段，土倉壓力控制值設(shè)定位0.12～0.15Mpa。

（3）推進(jìn)力：根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)推力作用部位及工程地層特性，將地層分為完整微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖兩類，并據(jù)此計(jì)算掘進(jìn)推力。盾構(gòu)機(jī)推力設(shè)置主要由以下五部分組成：

F=F1+F2+F3+F4+F5

其中，F(xiàn)1為盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力，F(xiàn)2為刀盤上的水平推力引起的推力，F(xiàn)3為切土所需要的推力，F(xiàn)4為盾尾與管片之間的摩阻力，F(xiàn)5為后方臺(tái)車的阻力。結(jié)合地層特性及埋深，該區(qū)間推力參考值范圍為：20000KN～35000KN。

（4）掘進(jìn)速度。盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度主要通過調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速（扭矩）來控制。始發(fā)段為試掘進(jìn)階段，為保證始發(fā)安全及設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，采用中低速掘進(jìn)，掘進(jìn)速度設(shè)定為10～30mm/min。

2.2 掘進(jìn)過程中的參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整

掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)需根據(jù)實(shí)時(shí)反饋調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，以確保施工的穩(wěn)定性。隧道埋深、泥質(zhì)粉砂巖的粘結(jié)力、滲透系數(shù)、裂隙發(fā)育程度等因素會(huì)對盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力、推進(jìn)速度和土壓力產(chǎn)生直接影響。因此，土壓力、推力和刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)在施工過程中需進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。在強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，若裂隙發(fā)育滲透系數(shù)大，為避免地層失穩(wěn)和沉降，土倉壓力可適當(dāng)提高0.1～0.3bar；在完整微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，因裂隙發(fā)育減弱透水性，土倉壓力可適當(dāng)調(diào)降0.1～0.3bar，以減輕氣壓輔助模式中保壓設(shè)備的消耗。

盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度主要通過調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速（扭矩）來控制，排土量則主要通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。在實(shí)際掘進(jìn)施工中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、排出的渣土狀態(tài)，以及盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)工作狀態(tài)參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化（見表1）。

2.3 設(shè)備性能監(jiān)測與參數(shù)優(yōu)化

盾構(gòu)機(jī)的高效運(yùn)行依賴于實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備性能?，F(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)配備有多種監(jiān)控設(shè)備，可實(shí)時(shí)采集推進(jìn)力、刀盤轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)壓力、土壓力等數(shù)據(jù)，為優(yōu)化設(shè)備性能提供依據(jù)。當(dāng)推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、油溫等波動(dòng)超過±10%時(shí)，智能監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并提示控制相應(yīng)參數(shù)。以此可達(dá)到降低設(shè)備故障、穩(wěn)定掘進(jìn)參數(shù)、提升掘進(jìn)工效的目的［3］。

3 泥質(zhì)粉砂巖地層長距離掘進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 泥餅預(yù)防與處理技術(shù)

3.1.1 泥餅形成機(jī)制分析

泥質(zhì)粉砂巖化由于泥質(zhì)基質(zhì)含量高，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤刀具易附著渣土，在盾構(gòu)機(jī)刀盤周圍積聚并固化形成泥餅。地層中黏土成分超過25%時(shí)渣土流變性降低，會(huì)增加泥餅風(fēng)險(xiǎn)。土層水分含量、顆粒分布及地層密實(shí)度也對泥漿滲透性產(chǎn)生影響，從而加劇泥餅的形成。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，水分含量低于15%時(shí)泥漿粘度增加且穩(wěn)定性下降，泥餅形成概率上升（見表2）。

3.1.2 預(yù)防措施與應(yīng)急處理方案

當(dāng)?shù)貙游赐蛔兦以鼫剌^高或扭矩明顯增加時(shí)，即可判斷刀盤刀具存在結(jié)泥餅現(xiàn)象或趨勢。預(yù)防措施：加大刀盤中心開口率，中心3m范圍內(nèi)開口率不小于35%；掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制扭矩，勤測渣溫，異常時(shí)，要適當(dāng)增加水及泡沫的注入量，并觀察盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化及出渣情況；保持連續(xù)掘進(jìn)，避免長時(shí)間停機(jī)。應(yīng)急處置方案：采用泡沫混合液中添加分散劑的方式，降低渣土粘性；渣土改良無法達(dá)到效果時(shí)開倉清理。

3.2 多層次注漿體系與不良地層處理

3.2.1 多層次注漿體系技術(shù)

區(qū)間泥質(zhì)粉砂巖完整性差、裂隙發(fā)育、地面環(huán)境復(fù)雜，長距離盾構(gòu)掘進(jìn)致使不利風(fēng)險(xiǎn)因素倍增。結(jié)合同步注漿、二次注漿、超前注漿形成多層次注漿體系，可確保掘進(jìn)工效及安全性。

（1）掘進(jìn)時(shí)采用厚漿同步注漿，注漿量為理論值的1.3～1.8倍，通過地面變形監(jiān)測結(jié)果調(diào)節(jié)注漿充盈系數(shù)，確保襯砌與巖體間隙得到有效填充，進(jìn)而控制地表沉降。

（2）盾尾頂部55°范圍注入速凝雙液漿及時(shí)填充管片頂部空隙，盾尾其他部位同步跟進(jìn)注入單液砂漿，可有效形成支撐及止水密封，阻斷襯砌背后地下水通道，降低螺旋機(jī)噴涌概率。

（3）中盾徑向孔注入濃稠膨潤土，潤滑盾體，降低掘進(jìn)阻力。

（4）管片脫出盾尾后，根據(jù)雷達(dá)掃描及上浮監(jiān)測情況，針對性地進(jìn)行二次補(bǔ)漿填充；在特殊地段，依據(jù)掌子面地質(zhì)狀況，采用盾體超前鉆孔及鉆注一體機(jī)對掌子面實(shí)施超前加固，確保掌子面穩(wěn)定。

3.2.2 不良地層處理處置技術(shù)

區(qū)間泥質(zhì)粉砂巖地層中存在風(fēng)化深槽、斷裂帶等不良地層地質(zhì)情況，易造成盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)失穩(wěn)、盾構(gòu)掘進(jìn)困難等問題。不良地層處理措施通常采用地面預(yù)注漿或洞內(nèi)超前注漿方式。漿液注入地層后能夠增強(qiáng)地層的粘結(jié)力和穩(wěn)定性，在通過不良地層時(shí)可保證盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性，避免姿態(tài)失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)。注漿加固后盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)效率提高了18%，并且發(fā)生設(shè)備故障的概率降低了10%。

3.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與糾偏技術(shù)

3.3.1 姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)是保障盾構(gòu)機(jī)安全、提高施工精度的重要技術(shù)手段。高精度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測盾構(gòu)機(jī)的傾斜角度、水平位移和推進(jìn)速度等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤。安裝該系統(tǒng)后盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)監(jiān)測精度提高了20%，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的姿態(tài)偏差或故障。裝配實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)后，盾構(gòu)機(jī)故障率降低了約18%，在長距離隧道施工中能早期發(fā)現(xiàn)異常，防止設(shè)備損壞［4］。

3.3.2 糾偏措施與效果分析

采用自動(dòng)控制系統(tǒng)與激光導(dǎo)向系統(tǒng)糾偏，可避免施工路徑偏離，提升效率。激光導(dǎo)向系統(tǒng)能將偏差控制在±5mm內(nèi)，極大提高了掘進(jìn)準(zhǔn)確性。實(shí)施糾偏后，掘進(jìn)速度提升10%～15%，整體施工時(shí)間節(jié)省8%～12%。數(shù)據(jù)表明，使用這些技術(shù)，隧道掘進(jìn)的推進(jìn)效率提升約15%，設(shè)備損壞率降低20%。

3.4 盾構(gòu)刀盤針對性設(shè)計(jì)及開倉管理

在復(fù)合泥質(zhì)粉砂巖地層長距離掘進(jìn)中，刀盤配置是關(guān)鍵。需兼顧強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐磨性，以減少結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。刀盤外周鑲嵌合金耐磨條，正面用復(fù)合式耐磨板，邊緣及過渡區(qū)域采用耐磨網(wǎng)格，可增強(qiáng)耐磨性。刀盤中心區(qū)域采用整體面板加強(qiáng)，中心開口率要≥35%，可有效降低泥餅形成的風(fēng)險(xiǎn)。

合理配置刀具可延長使用壽命、減少開倉換刀次數(shù)、降低施工風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合隧道線路地面環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及地層變化情況，可預(yù)設(shè)開倉點(diǎn)位，間距500～800m，可依據(jù)推進(jìn)情況和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。精確控制開倉間距，能優(yōu)化推進(jìn)力，確保盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定高效掘進(jìn)［5］。

4 結(jié)語

復(fù)合泥質(zhì)粉砂巖地層中長距離盾構(gòu)隧道施工，刀盤的針對性設(shè)計(jì)、掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定、注漿體系及工藝等因素對施工效率和安全性具有重要影響。刀盤針對性設(shè)計(jì)是滿足長距離盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工的前提保障；盾構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)置及動(dòng)態(tài)調(diào)整，貫穿隧道掘進(jìn)全過程，與多層次注漿體系技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，可有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，提升掘進(jìn)工效；而實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合糾偏措施能夠及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，防止失衡，從而確保施工順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］蔡茂軍.土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用技術(shù)［J］.工程機(jī)械與維修，2024（1）：123-125.

［2］胡紀(jì)寧.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在地鐵施工中的應(yīng)用探究［J］.工程機(jī)械與維修，2023（6）：164-166.

［3］姜華龍.土壓平衡盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵無配筋二次襯砌大斷面隧道施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)（中英文），2023，43（5）：837-846.

［4］張明鋒，李玲.地鐵隧道土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)施工技術(shù)［J］.建筑機(jī)械化，2022，43（7）：62-65.

［5］鐘志全.狹窄空間土壓平衡盾構(gòu)分體始發(fā)施工技術(shù)——以新加坡地鐵C715項(xiàng)目盾構(gòu)隧道為例［J］.隧道建設(shè)（中英文），2020，40（8）：1197-1202.

作者簡介：肖磊（1989—），男，漢族，湖南長沙人，本科，工程師。研究方向：地鐵暗挖施工技術(shù)。