地铁隧道区间盾构始发信息化施工分析与控制

肖铭钊 蔡兵华

摘要：目前在地铁建设过程中，区间隧道采用盾构设备施工已较为普遍，因此盾构施工技术控制至关重要，文章以武汉某区间为依托，重点的介绍了盾构在始发过程中发生“磕头”情况后所采取的各项技术保障措施。在此基础上，从盾构始发掘进参数、工程地质及施工过程中的各项监控数据等方面讨论了地铁区间盾构始发技术控制。

关键词：地铁隧道施工；始发“磕头”；盾构参数；震动液化

随着城市的建设，地铁建设行业也随之蓬勃发展，而盾构施工即高效又安全，越来越受到隧道施工单位的青睐。由于在城市地铁建设过程中周边环境与地质条件复杂，因此施工过程中施工风险较高，盾构参数的控制及对地质特性的研判就显得特别重要。盾构在始发阶段，各项参数都处于试掘进状态，各项的参数还不是很稳定，因此这个阶段就显得特别重要，因为前期的试掘进参数不仅对后期隧道掘进有指导性的意义，更重要的是在盾构刚开始掘进时会由于地质情况及掘进参数的原因而导致发生工程事故。

鉴于此，本文以武汉地铁某隧道实际工程为例，系统介绍了盾构在始发阶段由于地质及掘进操作原因导致盾构始发“磕头”的情况及相关处理技术。在此基础上，为了有效地降低和控制工程风险，从技术及管理两方面探讨了盾构发生“磕头”情况后的施工安全控制过程，为类似工程提供有益参考。

1工程概况

1.1区间水文地质概况

武汉地铁某区间设计全长1018.757m，区间间距9~16米，线路平面最小曲线半径为300m，线路最大纵坡为28.3‰。区间采用盾构法施工。区间处于长江Ⅰ级阶地前缘，表层分布人工填土层，其下呈现典型的二元结构，上部为粘性土，局部夹淤泥质土，中、下部为稍密——中密粉细砂、密实中粗砂，底部局部分布砾卵石，下伏基岩除局部分布白垩系——下第三系东湖群（K-Edh）砾岩、砂岩外，主要为志留系中统坟头组（S2f）泥岩和粉砂岩。区间直接影响的地表水系主要为长江水系，平均水位约18m。区间地下水按埋藏条件主要为上层滞水和层间承压水两种类型。上层滞水主要赋存于人工填土层中，地下水位不连续，埋深为1.9~2.3m。承压水主要赋存于第四系全新统冲积粉细砂、中粗砂砾石层中，含水层顶板埋深为5.7~9.2m，厚度为一般35~42m。承压水头与长江水位涨落密切相关，大气降水的入渗补给对其影响较小。

1.2盾构机“磕头”位置周围环境概况

该区间盾构始发端头采用“旋喷＋隔离桩＋袖阀管注浆”的措施进行了加固，加固长为端头以外10m；其中旋喷桩加固长度为6.8m，袖阀管注浆长度3.4m。左线泥水盾构于3月19日始发，在掘进通过了端头加固区期间掘进参数正常。但在3月23日夜班，+6环掘进过程中发现盾构姿态突然变化，盾构下沉趋势明显。此时盾构刀盘已脱出加固体，进入（3-5）粉质粘土、粉砂互层原状地层中掘进，盾尾仍然在加固体之内。+6环掘进时盾构机位置见图-1。

2工程事件经过

2.1盾构“磕头”事件处理经过

在发现盾构姿态突变以后，现场采取尽量加大底部油缸推力、减小上部油缸推力，进行调向，盾构下沉趋势减小。但在后续掘进中，又发生盾构下沉突变现象，在继续加大下部油缸推力的基础上，同时加大同步注浆量、逐步增大泥水压力等措施后，发现下沉趋势好转，但在掘进完成+14环后，盾构机又发生更大的突变（刀盘垂直姿态下跌到-640mm），盾构机与水平面的俯仰角突变为-44mm/m，此时这些措施已不能有效地控制盾构机姿态，因此现场立即决定停机，研究下一步措施。

图-1+6环盾构机平面位置

3月31日，在对左线盾构 “侵限”的原因及下一步采取的措施进行论证后，制订了在盾构机底部增加了辅助推进油缸，以提高底部顶推力的处理方案。为此，施工单位在盾构底部增加了1台300t、2台100t的辅助推进油缸，并于4月5日开始试掘进调向，至4月6日11：00，＋16环推进油缸行程达到1300mm时，盾构机与水平面的俯仰角由-44mm/m逐步“抬头”，并逐渐调整到-23mm/m。试掘进的结果证明，采用底部增加辅推油缸的措施可有效控制盾构的“侵限”趋势，再向前方掘进一段距离后，盾构可以实现“抬头”掘进。

2.2盾构“磕头”技术处理

为了确保后期盾构纠偏施工的顺利进行，督导现场施工风险控制措施的落实，还从技术、管理等方面采取了相应的措施，具体如下：

2.2.1 技术措施

（1）调高盾构液压推进系统油压，由原350bar调高到380bar，以增加盾构机的调向推力；（2）在盾尾底部增加辅助推进油缸，进一步增加底部的推力，底部增加1台300t、2台100t的辅助油缸进行调向。（3）在调向阶段，管片安装时预留一定的自由度，同时将同步注浆材料调整为惰性浆液，并采取从下部同步注浆的方式（待达到预期上浮量后，再采用双液浆对此段管片进行固定）等措施，使管片在脱出盾尾后能有最大限度的上浮量；盾构调向过程中正常建立泥水仓压力，保证正面提供足够的反力及力矩（抵消因主机重心与浮力不同心而产生栽头力矩）；盾构掘进正常后避免非正常停机，确保盾构机连续快速掘进。（4）结合PPS自动导向系统，加大人工复核频率，为盾构姿态调整提供可靠依据；加强调向控制管理，将每环调整量进一步细化、分解到阶段性目标，确保随后每一环的盾构掘进达到预期目标。（5）加大同步注浆量和其它辅助措施，使侵限地段管片在脱出盾尾后及时进行一定量的上浮量。（6）认真总结经验教训，不断优化掘进参数。根据不同地质情况选择合适的掘进参数，在掘进过程中对土压力、推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度等掘进参数不断进行分析总结，并不断优化，保证盾构以最佳状态进行盾构的掘进。（7）考虑到盾构隧道水平方向的偏差影响，最终在盾构掘进通过后根据实际隧道线形，设计单位对线路坡度进行进一步优化。

2.2.2管理措施

（1）全面真实的反映左线既成隧道的平面和纵断面位置，根据目前盾构机姿态调整的实际能力，并积极与设计院作好沟通、协调，确定下一步线路调坡方案。（2）加强施工过程管理，实行早、晚“交班会”制度，每天7：30、19：00由项目经理主持召开两次交班会，将上个班施工情况、下个班施工安排以及施工过程中需要解决的问题在会上予以明确，分析工序影响时间，保证施工的连续快速。（3）加强施工纪律管理力度，强调施工纪律的严肃性。在施工过程中按照施工纪律进行管理，制订奖罚措施，每天在交班会上严格兑现。

3工程事件原因分析

在此次左线盾构出现“磕头”事故中，我认为造成左线盾构“磕头”主要原因有以下几点：

3.1地质原因

盾构穿越端头加固区域后，开始进入全断面（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂互层地层，该地层是上部粘土与下部砂土之间的过渡层，强度较低，标贯击数一般3.0~20.0击，平均8.6击，含水率为23~32%，承载力特征值为120kPa；其中粉质粘土含水率为32.1%，孔隙比0.930，软~可塑状，压缩模量为4.7MPa，具高压缩性；粉土含水率28.3%，天然重度19.3kN/m3，孔隙比0.792，压缩模量为5.7MPa，具中等压缩性，抗剪强度指标C值为15kPa，φ值为21°；粉砂含水率23.5%，天然重度19.9kN/m3，孔隙比0.677，压缩模量为11.5MPa，具低压缩性，抗剪强度指标C值为0kPa，φ值28°。该层总体具砂性土特征，具各向异性，水平方向渗透性远大于垂直方向渗透性。而该区间采用的是泥水平衡盾构，盾构机重量大，其主机重量为338吨，盾构机在该地层中掘进时容易产生“栽头”的趋势。

在盾构机主机一出加固区后，在正常推进的情况下，盾构机垂直方向趋势即发生突变（垂直趋势由+12mm/m突变为-25mm/m），随后在采取减小上部油缸推力、增大下部油缸推力等措施的前提下，仍出现跳跃式变化，使盾构机垂直姿态进一步恶化。

在现场碴土外运过程中，现场分离出的碴土存在较明显的振动液化现象，结合盾构掘进施工实际情况，初步推测在有压泥水的作用下，使该原状地层含水率出现超饱和等劣化现象，在盾构掘进时长时间扰动的情况下，可能使（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂互层地层发生振动液化现象，承载力大大降低，进而造成盾构机姿态发生突变。

3.2管理方面原因

施工单位对盾构穿越加固区域、进入松软的全断面（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂互层中掘进时，盾构可能出现 “栽头”趋势主观上认识不足，且出现“栽头”情况时并未及时通知参建各方，而是私自进行调整。

4结论

4.1该区间盾构在采取以上施工措施后，盾构姿态已逐步调整到正常范围，这说明采用底部增加辅推油缸的措施可有效控制盾构的“栽头”趋势。

4.2泥水盾构在掘进过程中，要注意所掘进的土层变化情况，特别是要注意易发生液化的地层。

参考文献

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