盾构穿越特殊地层掘进施工技术应用分析

曲艳强

摘要：依托沈阳地铁10号线万泉公园站～泉园一路站盾构隧道工程，大致分析了沈阳典型砾砂、圆砾地层土压平衡式盾构的掘进时土压控制原则，并结合现场管片上浮不良现象以及盾尾铰接拖拉故障，分析原因并提出切实可行的处理措施。

关键词：盾构;特殊地层;掘进施工技术

随着城市化进程的加快，盾构隧道建设呈现蓬勃发展的趋势，在盾构隧道建设过程中，会遇到各種复杂地层，其中岩溶不良地质条件是困扰盾构隧道顺利建设的关键技术难题。在对探明岩溶不良地层进行处理时，存在处理方法选取困难，地层处理参数选取多依靠经验，不良地层处理质量难以把控，进而造成后续盾构穿越岩溶不良地层时出现开挖面坍塌、刀盘结泥饼、喷涌等常见风险。

一、工程简介

长春地铁2号线一期工程施工线路始于西湖站止于东方广场站，整条线路长约20.5km，共设车站19座.本项目所涉及的世纪大街站-东方广场站区间左右线均为盾构区间，左、右线设计起迄止里程范围均为K39+17.862～K39+992.257，设计范围左、右线长度分别为974.36m和974.395m（区间左线在里程K39+945.737处存在短链0.035）。

区间左、右线平面均由直线段和R =1500m，R =1000m，R =1200m的三处曲线段构成，区间出世纪广场站后线间距为13.5m，然后逐渐减小到13.0m，至东方广场站时线路线间距增至13.5m。区间纵向基本呈“V”字坡，自西向东坡度依次为+2‰、-21‰、-4‰、+8‰、+26‰、-2‰、（-为下坡，+为上坡），左、右线设计轨面高程均为182.276～190.628。隧道埋置局部较深，其结构覆土为10.21m～17.09m。区间附属结构包含一座联络通道（左线中心里程为K39+489.428，右线中心里程K39+490.000），联络通道与泵站合建。

本区间采用两台盾构机从世纪大街站始发，东方广场站接收吊出，拟投入本区间工程施工的两台盾构机分别为一台Φ6280mm维尔特盾构机及一台Φ6140mm三菱RME246SE盾构机， 盾构从世纪大道站开始，盾牌穿越吉林路，地面交通十分繁忙，地下管线复杂而且多，在盾构施工期间，发现右线隧道70-90环，140-390环，间隔左线70-90环，140-200环，部分参数在隧道施工过程中发生明显变化，例如刀头上扭矩的增加。

二、盾构改良技术

（一）流体部分

第一，增加1路刀具中心冲洗，增加2号拖车怠速位置的增压冲洗泵（功率11kW，流量20m3 / h，最大压力20×100kPa），气动球阀设置在喷水管，主控室控制气动球阀的开启和关闭;第二，在刀头上添加两道膨润土注射系统。 由于现有膨润土泵的排量较小，需要增加一个软管泵和两个控制气动球阀，单管单泵功能可单独或同时注入第三，当中心旋转接头增加膨润土通道时，相应的跑道密封润滑需要相应增加，使用多点泵的预留出口增加润滑线。

（二）刀盘及回转接头部分

一方面，重新制作旋转接头，旋转接头包含6个通道，包括4路泡沫和2路膨润土，中心通孔是刀头的中心冲洗通道，新制的旋转接头和原始旋转接头采用法兰连接法兰。在连接方式中，尽量避免新制旋转接头的不同轴和刀头的旋转中心的问题;另一方面，在刀头的适当位置加两个或两个喷嘴，使刀头的喷嘴总数达到六个，并根据喷嘴的位置重新定位泡沫，膨润土的位置分布，喷管在外部铺设的，外管焊接有保护盖以保护管道，用橡胶材料代替原刀盘泡沫喷口的尼龙板，增加喷口板的孔径。

（三）电气部分

首先在主控室增加显示屏。显示器包括膨润土泵的启动和停止，增压泵的启动和停止，以及水射流气动球阀的启动和关闭吗，操作面板增加电位计旋钮以控制软管泵的流量;另外，用PLC模块的配电柜，控制软管泵的变频器，开关，继电器以及用于增压泵的开关和继电器。

三、始发段管片上浮原因分析及控制措施

（一）始发段管片上浮现象

衬砌管片脱离盾尾后，管片上浮是盾构隧道施工过程中普遍存在的问题。直径6m左右的盾构隧道管片上浮量一般在0～60mm之间，但有些情况下局部地段上浮量超过了限定值100mm，引起衬砌结构侵入建筑界限。本工程施工中，尤其是始发段，发生了管片上浮量较大的不良现象。即盾构推进时，盾构姿态与设计轴线比较，基本控制在轴线下0～30mm，但后面管片测量时，发现管片上浮量较大，连续几十环在轴线上方40～60mm，对施工造成困扰。测量结果显示，盾构的姿态显示是正确无误的，管片在脱离盾尾前有少量的上浮，即下坡段上部的盾尾间隙小;管片脱离盾尾后的几环，管片上浮量是逐步增大的;大概2天后管片上浮量基本固定，只有微量变化。管片上浮主要发生在管片脱离盾尾到掘进后2天的时间段内。

（二）始发段管片上浮原因分析

第一，地下水力砂砾砂层具有较大的透水系数，是一个较强的渗透层。在盾构掘进完成后，段外的建筑物间隙充满水（或浆液），并且该段处于悬浮状态，该浮力是多少？以项目段的设计参数为例：段的外径为6000mm，厚度为300mm，宽度为1200mm。环件的重量为G = 161kN（混凝土密度根据2.5t / m3计算），环形件接收浮力F = 339kN（管排水量为33.9m3），F> G.该段的浮力大于其自身重量。在全截面地下水（或未固化的泥浆）的条件下，该段本身具有上升的趋势;第二，盾构反推力盾构姿态，盾尾姿态和分段姿态。这三种姿势在隧道掘进过程中可能不完全重合，并且存在一定的角度。起始段是下坡，并在稳定良好的砾石砂层中下坡行驶。推进系统的上分组压力不一定小于下分组压力，甚至可以更大。当在下坡路段中进行隧道掘进时，盾构推进系统自身的推力方向是“向后和向上倾斜”。根据力学原理，推进力可以分解为水平方向和垂直分量。该段在垂直分力的作用下向上移位，最后在高程方向上浮动现象;第三，分段螺栓拧紧。形成的段通过螺栓在环向和纵向上连接，在同步灌浆浆料凝固之前固定段取决于分段螺栓，分段螺栓如果松动，就会加剧相应的管件松动或者上浮浮动。

（三）始发段管片上浮控制措施

1、适当的注浆方法考虑地下水（未凝结的浆液）的原因，只要管片浸泡在盾构掘进形成的建筑空间内的“液体”（地下水、浆液）内，管片就永远存在上浮的趋势。由于管片螺栓的刚性固定作用，管片刚脱离盾尾的2～3环长度内，由于受到盾尾的约束力，管片不会上浮。这时只要浆液及时凝固，管片上浮的趋势就会被遏制。从浆液的凝固时间上，同步注浆系统注入双液浆，可使浆液尽快凝固，遏制管片上浮。但国内生产盾构大部分都是注入的水泥砂浆，设备本身性能上不满足此项要求。要求浆液在尽可能短的时间内凝固，就要在水泥砂浆性能上和注入方式上来解决问题。一是调整合适的水泥砂浆配合比，增加浆液的和易性、降低离析，初凝时间控制在4～6h;二是掘进过后，及时在盾尾后5～10管片上部进行二次注浆（双液浆最好）。2、控制盾构参数掘进日进尺过快，与同步注浆浆液的快速凝结是矛盾的。掘进速度快，同步注浆浆液不能及时凝固，管片悬浮造成上浮现象。因此，同步注浆采取水泥砂浆的盾构设备，掘进速度一定要控制，每天8～12环为宜。盾构过量的蛇形运动势必造成频繁的纠偏，这个过程就是管片环面受力不均的过程，极易造成盾构姿态、盾尾姿态、管片姿态的不匹配，造成管片竖直向上分力的加大。掘进过程中必须控制好盾构的姿态，尽可能使其沿设计轴线前行，若发生偏差，纠偏时不能猛纠急纠，人为造成管片

环面受力不均。

四、盾构掘进保证措施

（一）孤石探测及掘进处理措施

施工前，委托有经验的勘察单位采用地质雷达结合地震反射波法及加密地勘孔（每3～5m一孔）对标段沿线内孤石情况进行详细勘察，初步明确孤石的位置及大小。盾构掘进施工过程中，对未超前探到的孤石，根据掘进参数的异常变化，及时发现前方遇到的孤石，采用广深地区孤石掘进的处理方法。当遇到孤石时，参数波动较大，声音明显，有强烈的震动，操作人员立即减小推力，降低刀盘转速，控制刀盘扭矩的波动情况，控制推进速度10mm/min以内，控制好土仓压力，控制好出渣量，加强渣土改良效果，严格控制好地表沉降。也就是说，采用小推力、小扭矩、慢速度、稳土压、勤改良、严控制的掘进方法。

（二）针对盾构掘进施工重难点处理措施

盾构隧道通过补充大于1米的孤石来确定，地质钻机用于在地面钻孔，采用专用PVC管将炸药引入孔内，在孔外进行爆破处理。在施工过程中，必须严格监控推进缸和盾构机姿态的突然变化，筒仓压力的变化和氡的量。如果发现异常，请进入筒仓进行检查，以确定是否有单独的石头并确定单独的石头。与刀头的位置关系。在隧道掘进过程中，当矿石被卡在刀头中或与刀盘一起旋转以扰乱周围的土壤时，考虑从洞内土仓内进行处理，在仓库中，岩石分离器主要用于处理孤石。鉴于孤石的坚硬特征，在工具选择中使用超硬耐磨滚刀将显着提高工具的破岩能力，并且在挖掘过程中将以低速切割成碎片，如果隧道掘进速度非常慢或岩石与刀头一起滚动，则应将其输入土壤仓进行手动处理。静态岩石爆破，爆破爆破和特殊工具可用于移除孤石，对于较小的孤石，通过注浆加固来加固地层，并在加固后将周围土壤和孤石形成一个整体，然后用盾构机破碎岩石。

（三）确保同步注浆与二次注浆

同步注浆用砂浆，依据地层情况试配确定配合比，综合考虑浆液拌和及运输时间，初凝时间一般控制在5～6h，每班取样两次。注浆压力比土体静水压力大0.05MPa，注浆与推进同步、匀速注入;注浆过程中密切关注盾尾漏浆情况，若出现渗漏，停止掘进和注浆，相应位置连续泵入盾尾油脂，以不渗漏为准，恢复推进后注浆注意控制压力。停机期间关闭单向阀，每隔10min注入一次，以免堵管;停机时间≥1h时，需注入膨润土保管，对泵头进行清洗;停机时间≥4h时，需注入膨润土保管，拆除软管接头，对泵头和管路进行清洗。二次注浆有三种方式：在脱出盾尾后第四环位置顶部（曲线段为转弯外侧管片上半部）注入双液浆（1：1）或水玻璃（试验确定，控制初凝时间在30～40s）以尽早固结稳定管片，避免管片上浮，确保姿态;从盾尾倒数第七环开始每间隔五环往后从顶部进行单液浆（水泥浆）注入，单孔单次0.5～1.5m3;后期管片脱出台车后依据隧道渗漏水情况进行对应注浆（注浆如压力上升较快，间隙注），注意尽可能与前次注浆位置错开。（6）依据渣土松散系数及含水率，密切关注渣土情况和出渣量，结合渣土体积和吊装重量确定单环出渣量，避免超挖或欠挖。（7）在富水砂层掘进尽量做到连续快速掘进，确保各工序间衔接顺畅，尽量减少停机次数和时间。（8）做好地面及成型隧道监测工作，及時反馈相关信息以指导具体施工。（9）对影响范围内管线、建构筑物进行事先调查和鉴定，采取迁移、加固等措施。（10）加强管片拼装质量，对管片螺栓进行至少三次复拧。及时对盾尾泥水进行清理，除对流出的含有较多砂土的盾尾油脂进行清除外，其他可以暂时保留。

五、结语：

设备的改进提高了土壤的流动塑性，确保了土压力平衡的建立，避免了刀盘超过额定扭矩和刀盘结饼等现象。 随隧道中土壤的沉降呈“V”形变化，两侧沉降变化受现有桩基的遮拦作用影响，导致隧道两侧的变化不完全一致，沉降呈 均匀现象，满足规范的要求。

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