地铁区间工程中盾构掘进关键工序管理措施

张 鑫

（中铁十六局集团地铁工程有限公司， 北京 100124）

1 工程概况

内蒙古体育场站--内蒙古体育馆站区间，区间隧道右线起讫里程DK17+214.14～DK18+204.308，全长998.74m（含长链8.576m）；左线起讫里程DK17+214.14～DK18+204.308，全长1023.836m（含长链33.938m）。根据现场地质、水文、建（构）筑物现状等基础条件，选择掘进施工方法，即复合式土压平衡盾构机掘进。

2 盾构掘进的关键工序管理

2.1 土压力的管理

在正式掘进时期，参考前100环试掘进过程中的成功经验，完善施工监测工作，优化施工工艺，并控制好地面沉降。推进时，注意管控好推进里程，把施工测量得到的数据跟计算出来的三维坐标相校准，在此基础上合理调整盾构姿态。

盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，在实际施工的时候，应综合考虑盾构所在位置的埋深大小、土层情况以及地表监测结果来适当调整。

2.2 开挖土的管理

2.2.1 出土运输方法

随着技术研究的深入，现阶段的出土运输方法较多，较为常见的有如下几种：（1）轨道输送。适用于各类性状的土砂运输场景，是应用较为广泛的方法。不过运土车需要接替装土，所以可能会出现运输难度增加、土砂掉出等问题。（2）泵送输送。根据运输工作量，在工作井外适配合规格的土砂泵，连接一条稳定可靠的管路用于高效运输土砂。通常，输送间隔在400～500m时宜使用泵送模式，如果距离偏长则增加中继泵。（3）皮带输送机运输。在工程量较大的盾构施工中，皮带输送机输送是优质的方法，其具有连续运行、稳定性好、输送能力强等多重优势。硬件配置方面，分别在始发井和地面两处安装合适规格的皮带输送机，并以施工进度为准灵活调控，随盾构掘进的持续推进而同步延伸。

2.2.2 开挖土量的管理

常见方法有如下两种：一是重量管理，细分为多种形式，包含计量漏斗检测开挖土量、检测运土车重量等；二是容积管理法，例如螺旋输送机转数推算方法。在实际泵送施工中可以采用密度计推算开挖土量，或根据抽吸数展开计算，求得具体的推算结果。

2.3 注浆管理

在盾构掘进时，应快速在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中填充浆液，以此降低或者避免地面发生沉降。其工作原理是：在盾构机不断推进的过程里，维持特定的压力（结合注入量来考虑）从盾尾直接向壁后注浆，盾构机结束推进的同时也停止注浆。该注浆方法是在形成环形空隙的同时通过填充浆液来填充。同步注浆原理见图1。

图1 同步注浆原理图

2.3.1 同步注浆浆液选择

根据区间地层条件、地下水情况以及从前的工程案例，采用水泥砂浆，其浆液粘稠，填充效果好，沁水性低，抗渗漏性能良好且后期强度高；惰性浆液也有利于提升施工整体质量，加快施工进度、节约施工成本，从而实现兼顾经济效益和社会效益的目的。

2.3.2 浆液的拌制

浆液拌制系统布置在端头井或预留出土孔周围合适处，拌浆系统的组成部分包括1m3拌浆机和操作平台，应测试浆液的稠度、含水量、流动性、和易性、析水性及抗液化指标，合格后方可使用。浆液配比为：砂∶膨润土∶粉煤灰∶水∶水泥=850kg∶80kg∶400kg∶350kg∶150kg。实际施工配比按试验确定。

2.3.3 注浆时间控制

注浆时间最好控制在盾尾脱离管片时。采用手控操作时，结合盾构机掘进速度实时调整注浆速度，尽量保证两者同步进行。

2.3.4 注浆压力控制

地质情况和地下水压力直接决定了注浆压力，严格管控好注浆压力和注浆量，保证填满所有空隙，并保证盾尾不漏浆。一般情况下，每环压入量约8.0m3，控制注浆压力约0.3MPa。

2.3.5 同步注浆的注意事项

（1）在正式开展施工之前，编制一份全面的注浆作业指导书，并通过浆材配比试验来确定最适宜的注浆材料和浆液配比；（2）明确注浆施工设计、工艺流程和质量控制程序，按照要求操作，并做好检查、记录以及分析工作，绘制P（注浆压力）-Q（注浆量）-t（时间）曲线，在此基础上分析注浆速度与掘进速度之间的关联，进而对注浆效果作出评估，为下一次的注浆作业奠定经验；（3）创建一支专业注浆作业组，安排操作经验丰富的注浆工作人员来负责现场的施工和管理；（4）参考洞内管片衬砌变形、地面以及周围建筑物变形监测数据，分析后及时反馈结果，为技术人员合理调整注浆参数和施工工艺提供参考依据；（5）必须保证材料充足和及时供应，注意维护注浆设备以确保运行的稳定性，保证注浆管路和设备的清洁，以此促进注浆作业高效进行；（6）每环掘进之前，先确定注浆系统工作状态是否正常，且浆液储量是否充足，掘进时，如果发现注浆系统发生故障，必须马上停止作业，检查情况并确保无问题后再继续掘进。

2.3.6 二次注浆

（1）注浆目的：二次（或多次）压浆的目的是弥补同步注浆的不足，可以降低盾构过后土体后期的沉降量，尤其是盾构在穿越地下管线、地面构筑物、涌水以及软土地段时该项作业更加关键。经过二次注浆后，能达到管片尽快支承地层、降低地基沉陷量、确保施工安全、确保管片衬砌早期稳定性的效果；（2）注浆方式：具体使用水泥浆，地面拌制，在管片上预留压浆孔压注。水泥浆配比为：水泥∶粉煤灰∶水=300kg∶2500kg∶800kg。根据注浆目的要求来合理调节注浆压力，确保盾构施工过程中产生的地层空隙得到有效填充，防止因此而产生的地表沉陷现象。此外，注浆压力不可过大，以避免发生地表有害隆起或管片衬砌受到损坏的问题。二次补充注浆压力控制在2.0～3.0bar。

2.4 管片拼装的管理

（1）拼装成环。盾构推进后及时协调施工人员，尽快将管片拼装成环，绝大部分为错缝拼装的方法；遇急曲线时，则使用通缝拼装的方法。（2）拼装顺序。首先安装下部的标准管片（A型），确认无误后按照左右两侧交替的方法将标准管片依次安装到位，随后拼装邻接管片（B型），在前述基础上将楔形管片（K型）安装好。（3）盾构千斤顶的操控。管片拼装时，若各盾构千斤顶在相同的时间缩回，开挖面土压力将产生强烈的推动作用，迫使盾构向后退，进而威胁到开挖面的稳定性。因此，在管片拼装工作中应有秩序性地缩回盾构千斤顶，消除不良影响。（4）连接螺栓的安装与紧固。按照先环向、后轴向的顺序依次将各自的连接螺栓设置到位并予以紧固，紧固力的控制视实际情况而定，其中螺栓的直径与强度为关键参考依据，保证在特定的紧固力作用下螺栓维持稳定。通常紧固力取200～600kN·m。（5）管片拼装误差的管理。管片拼接是一项精度较高的工作，若管片的连接面缺乏平整性，将影响环间连接面的状态（不平整性），加之盾构千斤顶的推力作用，有一定程度的破损迹象。因此，管片拼装时注重精细化控制，确保拼接面平整且稳定，设置的各连接螺栓维持稳固状态[1]。

因控制不当或其它原因使盾构方向与管片环方向存在偏差时，管片易受损，且随着拼装工作的持续开展，管片宽度增加时受损问题更为严重。对此，在拼装前先检验盾构方向控制方法的可行性，拼装时加强对盾尾间隙的检查与控制，避免间隙过大。盾构与管片存在干扰时，查明具体情况，尽快调整盾构方向，有效消除不良影响。

3 施工过程中可能会发生的问题以及防治策略

3.1 隧道线形偏差

（1）盾构机自带自动测量系统，其具备定位的功能，向施工人员呈现盾构机以及管片的位置，以便更为精确地采取控制措施，保证盾构姿态的合理性。但随着运行时间的延长，自动测量系统的精度易下降，因此需由专员定期或不定期检查，提高系统的运行精度，为盾构施工提供具有参考价值的数据[2]。（2）盾构期间尽快安排同步注浆作业，控制好作业参数（注浆压力、注浆量），浆液固结后维持隧道的稳定性，避免下沉或上浮。（3）盾构施工环境复杂，易受到操作不规范、现场地质条件等主客观因素的影响，导致实际盾构线路出现偏差，需根据实际情况及时纠正，使盾构机沿着既定的路径稳定运行。盾构机纠偏的关键作业要点有：调整刀盘转动方向时，避免短时间内大幅度猛烈纠偏，即遵循“多次、少量”的循序渐进原则；根据掌子面的地质特性灵活调整掘进参数，减小偏差。（4）直线盾构推进时保证盾构姿态的顺直性，此时选取盾构点位与设计线远方的某点，形成直线，根据该条直线的实际情况控制盾构姿态[3]。在曲线推进时要求该直线与设计曲线呈相切的位置关系，否则需调整。

3.2 盾构机旋转

（1）掘进时及时注入泡沫，采用此方法减小刀盘扭矩，以便盾构机高效运行。（2）视盾构施工情况及时安排注浆，宜采用活性浆液，原因在于此类材料有利于加大盾构周边摩擦力，以免在运行过程中发生盾构旋转的异常状况。（3）盾构旋转时适度调整刀盘的旋转方法。（4）在不影响正常掘进的前提下正、反转刀盘，精准控制盾构机的旋转角度。

3.3 喷涌

喷涌的原因复杂，关键的有：盾构施工期间遇到富水圆砾层，该地质条件下成型的开挖面存在裂隙发育的问题；未合理控制盾构机，难以做到连续掘进；虽然针对衬砌背后的空隙做填充处理，但由于注浆压力不足、注浆量偏少等原因而导致空隙未得到全面的填充[4]。针对喷涌问题采取如下处理措施：（1）随即关闭螺旋机闸门，不具备完全关闭闸门的条件时，及时回缩螺旋机，对门侧做填塞处理，而后反转运行螺旋机。（2）向螺旋机内注入高分子聚合物，起到止水的作用。（3）向土仓内注膨润土（以偏稠状为宜），采取此方法控制土仓内的土压力。（4）加强对出土口的观察，并动态分析土仓压力的变化特点，根据所掌握的情况灵活采取控制措施，维持土仓土压的稳定性，防止砂浆被大量喷出[5]。为取得良好的喷涌处理效果，需要按照特定的流程有序操作，在逐层推进之下有效解决喷涌问题。

4 结束语

综上所述，盾构施工技术在现阶段的隧道工程中取得广泛的应用，但现场的地质、水文条件复杂，加之施工方法不合理，易引发盾构姿态偏差、刀盘聚集泥饼、盾尾泄漏等问题，因此建议施工单位立足于实际条件，合理协调各项工序，在统筹规划之下，沿着特定的流程推进盾构的各项工作，加强对各项参数的管理以及各处质量的检测、控制，保证施工安全的同时高质量、高效率完成盾构作业。