地铁盾构法施工事故预防及处理措施

张志伟，贾艳敏，赵艳娟

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040;2.中铁十三局集团 第四工程有限公司，哈尔滨 150008)

1 工程概况

广州地铁四号线大学城专线地铁盾构工程主要穿越仑头村、仑头海河床、官洲村、官洲河河床及少量果园。仑头村、官洲村多层居民建筑密集，地表高程一般为12.86～16.68 m。此处地层强度及硬度较高为:①右线中间段，其天然抗压强度单值为51.5～98.1 MPa，平均值为78.2 MPa;②左线 ZDK16+400段，其天然抗压强度单值为58.5～77.5 MPa，平均值为67.1 MPa。岩石硬度大，对刀具的磨损大。仑头盾构始发井至官洲站段隧道结构顶板在SCK17+100—SCK17+400段切穿砂层，涌水量较大。虽然其结构顶板以上存在4～6 m厚的砂质黏性土等相对隔水层，但隧道外水压力较大，隔水层的渗透性将因围岩变形而增大，那么隧道将出现不同程度的涌水、涌土问题。混合岩残积土、全风化～强风化混合岩遇水具崩解性，受水影响其强度会迅速降低，稳定性较差，不利于围岩的稳定。开挖时若不及时支护或疏干地下水，则可能引起较大范围的坍塌失稳现象。本标段工程地质划分为9个岩土层，每个岩土层分别按岩土层代号、岩土名、时代成因和岩性描述。渗透系数的选用以抽水试验、室内渗透试验结果为主，渗透系数的具体选用见表1。

表1 主要地层渗透系数(k)选用

2 施工事故预防及处理措施

2.1 防止盾构法结泥饼施工技术措施

盾构机穿越易结泥饼的〈5Z-1〉、〈5Z-2〉地层时，盾构机掘进时会在刀盘特别是刀盘的中心部位产生泥饼。当产生泥饼时，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，大大降低开挖效率，甚至无法掘进。施工中采取的主要技术措施为:

1)在到达这种地层之前把刀盘上的部分滚刀换成齿刀，增大刀盘的开口率。

2)加强盾构掘进时的出土管理，密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。

3)刀盘前部中心部位布置有数个泡沫注入孔，在这种地层掘进时可以适量增加泡沫的注入量，减小渣土的黏附性，降低泥饼产生的几率。

4)刀盘背面和土仓压力隔板上设有搅拌棒，以加强搅拌强度和范围，并通过土仓隔板上搅拌棒的泡沫孔向土仓中注射泡沫，改善渣土和易性，增大渣土流动性。

5)必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加渣土的流动性，利于渣土的排出。

6)一旦产生泥饼，可空转刀盘，使泥饼在离心力的作用下脱落。确保开挖面稳定后，可采用人工进仓处理的方式清除泥饼。

2.2 防止盾构机螺旋输送器喷涌的技术措施

由于基岩裂隙水发育，且得到珠江水系的补给，进入土仓的渣土不具有一定的塑性，承压水与无塑性渣土容易形成螺旋输送器喷涌。针对这种情况采用下列措施:

1)隧道下坡并处于硬岩含水地层中必须切断管片与围岩间隙汇集的地下水与开挖面的水力联系，管片处于硬岩含水层中长度越长，管片背后存储的水力和压力就越大，这就要求同步注浆效果必须达到完全封闭衬砌空隙并阻水，避免土仓与管片背后形成水力通道。

2)采取土压平衡模式掘进，严格控制进尺、出土量，保证盾构机连续均衡快速通过该区域。如图1。

图1 土压平衡掘进模式示意

3)及时对盾尾密封刷添加足量的油脂，确保盾尾的密封性，防止因盾尾密封性不好发生涌水、涌沙现象。

4)如果发现有涌水现象，将螺旋输送器前端退出土仓，并关闭土仓闸门。启用保压泵，将渣土直接泵送至渣土车。在关闭螺旋输送器的情况下继续掘进，让切削下来的土体挤出土仓内的水，但要预防仓内压力过高，造成盾构机前方隆起、冒浆和击穿盾尾密封等事故。

5)加强地面监测，及时进行信息反馈。

2.3 盾构法掘进过程中管片上浮控制措施

盾构机在掘进过程中，隧道管片位移多数情况下是管片上浮，主要受工程地质、水文地质、衬背注浆质量、盾构机姿态控制等方面的影响。

2.3.1 引起管片位移的因素分析

1)衬背环形建筑空间。当管片脱出盾尾后，由于盾构掘进过程中的蛇形运动，超挖以及理论间隙，管片与地层间存在一环形建筑空间。在软岩地层中，如果不及时进行同步注浆填充环形建筑空间，拱顶围岩极有可能产生变形引起地表过量沉降。在硬岩地层中，管片脱出盾尾后，环形建筑空间在相对长的时间内是稳定的，如不及时填充此空间，脱出盾尾的管片是处于无约束的状态，给管片的位移提供了可能的条件。

2)硬岩含水地层。在透水地层中盾构机掘进形成的环形建筑空间在充满水或初凝时间很长的浆液的情况下，若隧道管片全部浸泡在盾构掘进形成的“圆形坑道”之中，当管片所受到的浮力大于管片本身的自重，隧道管片在全断面地下水或未凝固的浆液的工况下，管片本身就有上浮的趋势。

3)衬背注浆工艺。一是注浆量不足:在盾构机掘进的过程中，实际注浆量应该达到理论建筑空隙量的150%～200%。该区间盾构开挖断面扣除管片外径面积每一环的理论空隙量为4.05 m3。考虑到运输和管道输送、压注过程中的损失，进入到衬背环形建筑空间的浆液量不能完全填充密实管片与围岩间的建筑空间，尤其是隧道顶部分，这也给管片提供了上浮空间。二是注浆压力不足:盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道埋深处的水土压力，考虑到现场对注浆压力的管理和控制不能完全和理论值吻合，导致衬背浆液不能密实地充填圆形建筑空隙，造成管片上浮。

2.3.2 控制管片上浮的措施

1)选择合适的浆液性能。应该保证浆液的充填性、初凝时间与早期强度、限定范围防止流失(浆液的稠度)的有机结合，才能使隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构造物。

2)控制盾构机姿态。盾构机过量的蛇形运动必然造成频繁的纠偏，纠偏就是管片环面不均的过程，要求盾构机掘进过程中控制好盾构机的姿态，沿隧道轴线作小量的蛇形运动。发现偏差时应及时逐步纠正，不得过急过猛来纠正偏差，人为造成管片环面受力严重不均。

3)管片上浮后的处理措施。发现管片上浮，立即停止盾构机掘进，对已上浮的管片通过注浆孔二次注浆，注浆顺序应顺隧道坡度方向从隧道拱顶至二侧最后压注拱底。当打开拱底注浆孔无渗水时，可以终止注浆。

2.4 盾构机滚动预防及处理措施

2.4.1 盾构机的滚动监测方法

1)滚动角的监测。采用电子水准仪测量高程差，进行滚动圆心角计算的方法监测。可在土仓隔墙后方对称设置两点，使该两点的连线为一水平线并且其长度为一定值L，测量两点的高程差，即可算出滚动角。如图2，A、B为测量标志，a、b为盾构机发生滚动后测量标志所处的新位置，Ha、Hb为测出的两点的高程，α为盾构机的滚动圆心角，α=arcsin［(Hb－Ha)/L］;如果Hb－Ha>0，那么盾构机逆时针方向滚动;如果 Hb－Ha<0，那么盾构机顺时针方向滚动。

图2 盾构机滚动测量示意

2)竖直方向角、水平方向角的监测。采用全站仪直接测量盾构机的竖直方向角、水平方向角的变化，可得到盾构的方向偏差。

3)自动监测。盾构机带有自动测量激光导向系统，该系统是在一固定基准点发出激光束的基础上，计算机器的位置来工作。确定机器位置，便可计算其对设计线路的偏差，并将信息反馈在显示器上，操作人员通过控制系统进行调整。测量机器位置，使用目标装置(激光靶板)和倾角罗盘装置。激光靶板测量激光束的射入点和射入角，内置测斜仪测量机器在两个方向的转角。自动监测与人工监测相互辅助，可提高盾构机姿态监测的精度。

2.4.2 盾构机滚动调整与方向变化

1)滚动偏差。当盾构机滚动偏差超过0.5°时，盾构机会报警，提示盾构机操作手必须对刀盘进行纠偏，盾构机滚动偏差采用刀盘反转的方法纠正。

2)方向偏差。控制盾构机方向的主要因素是控制推进千斤顶的推力，通过调整各推进油缸的推力来调整盾构机掘进机的姿态。当盾构机出现下俯时，加大下侧推进油缸的推力;当上仰时，可加大上侧推进油缸的推度来纠竖直方向的偏差。操作人员要根据自动导向系统量测的结果和在控制室监示器上显示出来的盾构机当前位置与设计位置以及相关的数据和图表，平缓地调整各分区千斤顶的推力让盾构机接近设计线路。

3)方向控制所采取的措施。在盾构掘进机上安装SLS-T导向系统，并实现电脑程序化和自动化控制。同时采用人工测量复核，以确保掘进方向的准确。①人工监控。控制盾构的滚动角、水平方向角、垂直方向角，在盾构机上安设固定的测量控制点，以检测盾构的偏转。②自动监测。依靠SLS-T激光导向系统，其采用基础坐标系来精确定位和方向控制。③滚动偏差调整。开挖掌子面推进的支撑反力由管片提供，刀盘切削土体的扭矩主要是盾壳与洞壁之间形成的摩擦力矩来平衡。在岩层较好时，盾壳与岩层之间也有部分摩擦力提供力矩。当摩擦力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时，将引起盾体滚动，滚动过大就会影响管片拼装，从而引起隧道轴线偏斜。若盾壳已发生偏转，则采用刀盘反转，慢慢调正。④纠偏注意事项。在转换刀盘转动方向时，应保留时间间隔，切换速度应缓慢均匀;根据盾构机前的掌子面地层情况及时调整掘进参数、掘进方向，避免引起更大的偏差;对于盾构机蛇形运动的修正，应以长距离慢慢修正为原则，如果修正过急，蛇形反而会更加明显。在直线推进的情况下，应选取盾构机当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条直线为新的基准点进行线形管理。在曲线推进的情况下，应使盾构机当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

2.4.3 盾构机滚动处理措施

1)在掘进过程中，有针对性地加注泡沫减小刀盘扭矩，消除使盾构机发生滚动的外力因素。

2)及时注浆，确保注浆量，采用活性浆液等措施增大盾构周边摩擦力控制盾构滚动。

4)放慢推进速度，采用刀盘正、反转的措施对盾构机滚动进行控制。

2.5 注浆管堵塞预防及处理措施

2.5.1 堵管原因分析

1)浆液配合比。采用同步注浆工艺进行衬背注浆，对浆液的性能要求是浆液不易离析、易压送、充填性好、早强、经济性好。综合平衡选择浆液性能是确保同步注浆质量的关键。

2)浆液运输。浆液的运输包括地面拌和站经输送泵泵入储料罐，再由下料管放至井下的浆液运输车，然后运至隧道内，经砂浆泵泵入盾构机储料罐中。由于砂浆经过多次倒运，运输管路弯曲且运输环节多，浆液在运送过程中静置时间过长，极易引起浆液的离析。

3)注浆管路被污染。工序交接和班组交接时，管路未进行清理，造成管路中残留的浆液在管壁固结沉淀。

4)材料品质。中粗砂粒径不适应盾构机配置的同步注浆管路。另外砂未经过筛分，粗粒混入浆液引起管路阻塞。

5)盾构机同步注浆管路系统。由于盾构机内空间狭窄，各种管路错综复杂弯头很多，浆液长期在管路中沉积，极易形成浆垢。

6)其它。机器故障停机或人为的注浆停顿都会造成浆液在管路中凝固堵管;由于隧道周边围岩地质和水文情况的不断变化，围岩渗透和扩散浆液的能力不尽相同，注浆压力及注浆量也应随着不同地质条件作相应的调整;不相适应的浆液配比和注浆参数也是造成堵管的原因之一。

⑧《蒋介石日记(手稿本)》1931年12月24日，斯坦福大学胡佛研究院档案馆藏。下文所引《蒋介石日记》均抄录自胡佛研究所档案馆，不再分别注明。

2.5.2 预防堵管措施

1)浆液运输管路的铺设，要避免管路弯曲造成浆液流速缓慢而沉淀。

2)紧凑安排工序，缩短浆液在隧道内的运输时间。在洞口和砂浆车位置设置电源插座，专供砂浆车搅拌电机用，保证砂浆车搅拌器正常连续工作，避免因施工停顿时间过长而引起浆液离析。

3)砂浆车向盾构机储浆罐泵浆时，降低出浆管高度，同时开启搅拌机搅拌浆液。

4)在不影响其它管路及运作空间的前提下，适当改善同步注浆管路，减少弯头、增大管径，避免浆液在管路中沉积、堵塞。

5)保证盾构机及后配套设备的正常连续运行。坚决避免盾构机在推进过程中人为停机，造成同步注浆工序中断使浆液凝固堵塞。

2.6 盾构法施工测量偏差预防与措施

2.6.1 始发前的盾构姿态控制

姿态是靠盾构体始发托架和反力架的安装精度来控制的，同时精度还影响到环片的拼装姿态。在定向联系测量后，根据底板平面及高程控制点对始发托架进行定位。在盾构体组装完成前，开始进行反力架的定位。始发托架及反力架的安装要全过程进行监控，保证其左右偏差±10 mm之内，高程偏差在±5 mm之内，反力架与隧道设计轴线法平面偏差<2‰。

2.6.2 正常掘进过程中的导向系统监控及维护

在掘进过程中，对VMT导向系统运行的可靠性进行定期检查，即盾构姿态的人工检测。盾构姿态人工检测工作一周一次，并每天利用环片检测对导向系统运行的可靠性进行检测。除此之外，还对TCA激光站及定向棱镜的稳定性进行检查。在始发前，导向系统的激光站及定向棱镜安装在始发井内，不要轻易进行改动。

2.6.3 掘进过程中的环片检测

在掘进过程中，每天对环片姿态进行检测，及时为后续盾构掘进设置参数提供指导，同时利用环片姿态对盾构导向系统工作的可靠性进行监控，当最后拼装的环片姿态值与盾构姿态参考点偏差值较大时，检查导向系统工作的可靠性，并及时进行相关的人工检测工作。

2.6.4 地面监测

1)始发井周围房屋的监测。从《渔具厂车间沉降观测成果汇总表》看，累计沉降值最大点为16.5 mm，最小为1.0 mm。从整体来看沉降已基本稳定。

2)始发井搅拌站沉降监测。通过对搅拌站沉降点进行观测，累计沉降量最大点为12.8 mm，最小点为4.6 mm。

3)始发井南端的公路。始发井南端的公路即为全线监测布置的第一主断面，是横向布设在左右线中线上的，平均每间隔5 m布设了一个监测点，用0.8 m直径20 mm的螺纹钢打入土体0.75 m，并用混凝土加以保护。共11个点(点号依此是GJ-0～GJ-10)，一天监测两次。通过对断面的监测，累积沉降最大的为GJ-4，沉降9.9 mm，最小的为GJ-0，沉降2.1 mm，都小于预警值20 mm。考虑到路面经常有重型车通过对其产生的影响，可以肯定在盾构掘进的前200 m，地面公路是稳定的。

4)加工厂厂房。加工厂厂房是横向分布在左右线路上的，成条状，厂房在线路方向上的长度为6 m，监测点布设在承重结构上，累积沉降最大的C8点为10 mm，最小的点4 mm，都远远小于预警值20 mm。

通过对以上四组不同的监测对象的沉降情况来看，在始发井南端的地层都很稳定，同时考虑到隧道埋深，可以推测盾构在通过仑头村时，对地表的扰动很小，相关盾构掘进参数设置可以确保盾构施工的安全。

3 结束语

地铁工程盾构法施工事故预防及处理措施与围岩条件、盾构形式，开挖方法、刀盘刀具、工作面稳定机构、推进方式、一次衬砌、回填注浆等等有关，要完全避免施工过程中事故是比较困难的，但是依靠施工方法的选择及良好的施工技术措施，对各个施工工序进行细心分析和研究，在施工时采取与实际条件相适应的决策和谨慎的技术管理，则可减少事故隐患，并提高处理措施水平。另外，选择适当的事故预防和措施时，除应综合考虑施工的难易程度、安全性、经济性、工期、环境条件等之外，还要考虑过去的施工实例，必须根据每个现场的具体条件，选择相应的实践方法。施工过程中，应及时按布设的各种监测点等反馈资料，调整施工细节，合理安排隧道内部结构的施工顺序及时间，并对应调整隧道结构施工事故预防和处理措施设计，这对于保证盾构法施工地铁隧道预期质量要求是很有效的，以此来确保地铁建设安全顺利进行施工。

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