地质条件对地铁隧道盾构法施工工艺的影响及风险控制探讨

王云仙

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

在我国快速发展的城市轨道交通中，盾构施工技术在地铁区间施工中得到了广泛的应用。本文从施工的出发、到达、穿越建筑物、特殊地层、穿越河流等几个方面进行了风险的分析，并归纳了各种危险状况下的防范措施，并提出了今后盾构施工的主要风险分析和控制方向，为盾构施工及后期的风险管理提供参考。

1 地铁隧道盾构施工的相关概述

地铁的安全运营需要对整个隧道的环境有很高的要求，同时还会受到城市的地形和市政基础设施的影响，所以地铁隧道的建设非常困难，整个工程的建设周期也很长，需要根据不同的城市情况，进行相应的施工。盾构是一种常用的施工技术，必须采用科学的方法和监控方法，以保证工程的安全。盾构法是指在掘进过程中，施工人员能够灵活地运用具有保护作用的机械，并根据这些装置合理地切割岩石和岩石，并对其进行快速的分类。目前，盾构施工已广泛应用于地铁隧道施工，使隧道整体质量得以改善。但由于盾构法自身的局限性，在施工过程中极易发生土体坍塌、沉降等问题。因此，有关部门要充分运用适当的仪器进行全面的监控，强化施工管理，并对各种危险问题进行调查研究，防止发生塌方。

2 地铁隧道盾构施工特点

2.1 盾构施工的优点

在工程施工中，由于工程场地及周围结构的复杂性和多样性，盾构法的应用越来越广泛。其优势在于，能有效地降低建筑工程对周围建筑的影响，并能有效地减少对周围建筑的影响。机械化程度较高的盾构工程，在作业过程中都要遵循一定的程序，从而能够对工程过程中出现的问题进行有效的管理和控制，既能降低对基层的影响，又能有效地计算出有关的资料。这种方式有很多好处，比如，不会受到天气的影响，不会对航行造成不良影响。

2.2 盾构施工的缺点

施工过程中会受到许多因素的影响，比如，周围的障碍物，如果地下存在甲烷等有毒气体，或者遇到不明地质情况，都会对工程的进度和安全造成一定的影响。在弯道半径很小，覆盖层较浅的情况下，采用此方法，施工难度和相应的控制系统都会增加操作难度。因此，施工机械费用较高，对工人的素质要求也较高。

3 地质条件对地铁隧道盾构法施工的影响

在我国城市地铁建设中，不可避免地遭遇各类复杂多变的地质条件。其中，盾构法施工所面临的主要地质灾害，可归纳为以下几类具有代表性的不良地质条件。

3.1 复合地层

复杂地层是我国地铁工程的一个主要难题，造成工程进度延迟，甚至出现坍塌等问题。隧道剖面的最大特征是其不均匀性、多变性和突变性。复合地层的组合形式多种多样，但总体上可以划分为三大类型：（1）在开挖剖面上各层的组合；（2）沿掘进轴线方向的不同地层组合；（3）以上两种。复杂岩层存在的主要问题有刀盘刀具严重磨损、掘进效率低下、掘进工艺参数选取等。

3.2 沼气地层

城市地下空间的地质结构是非常复杂的，在几千年的地质运动中，岩石土壤中的有机物在厌氧生物物质的生化作用下，生成了大量的甲烷气体，这些甲烷气体通过运动、迁移、聚集、储存在特定的岩石地层中，从而形成了大量的岩土气田。天然气的产生对地铁隧道建设和以后的地铁运行安全构成了极大的威胁。地铁隧道施工中，在靠近或挖掘含甲烷气体的岩土地层时，会产生大量的甲烷气体，并迅速向地下通道内蔓延，如果引起瓦斯燃烧或爆炸，后果不堪设想。

3.3 富水砂层

在含丰富地下水的砂岩地层中，由于地下水的含水量、水压、土的塑性、渗水等因素，建议采用泥水盾构。但是，由于工程地质条件的复杂，在相同地段，有一些部位可以采用土压平衡式盾构，而另一些部位，则适用于泥水盾构，所以在地铁施工现场条件下，泥水盾构机数量逐渐减少。土压平衡式盾构机在穿越沙层时，存在一定的危险性，但只要采取适当的方法，也能获得良好的效果。在穿越砂岩的隧道中，采用盾构法进行了较长的施工。由于砂土内部存在较大的摩擦角，在盾构机面板、刀盘、出土区长时间的接触和挤压作用下，刀盘、刀片、螺旋输送机等盾构机械会发生磨损，如果对其进行改造，处置不当，极易形成铁板砂。

3.4 高强度砂卵石、圆砾地层

成都、北京、兰州等城市的地铁施工，遇到此类地层是比较普遍的现象。在大型浮石、高渗透水和高渗透水的大范围地层中，采用了盾构技术，导致局部地层的自稳性较差；大漂石具有颗粒大、单体强度大、摩擦阻力大、含水量大、沿掘进段及掘进断面不均匀、刀具短时多度磨损、刀具位置偏移、刀具更换困难、刀盘强度、刚度下降、刀盘变形、主轴承密封损坏、盾构掘进受阻或偏离设计线路、开挖面超挖、扰动量大、成型隧道周边填充不佳甚至地层塌陷等问题，施工风险较大、经济成本较高。

3.5 含孤石地层

在有孤石的情况下，刀盘往往会发生非正常的磨损和刀盘的磨损，在某些恶劣的情况下，刀盘本体会发生整体的变形，甚至由于工作面的岩石坍塌，导致刀具的损伤；在掘进时，遇到了一种球状的花岗岩（最大直径为1.0 ～3.0m)，对钻头的损害较大，若操作不当，极易发生卡顿，影响工程进度。

3.6 溶洞、暗河

与孤石岩层相似，勘探的问题也很多。由于地质调查无法完全反映整个溶洞的分布情况，且洞穴自身的分布、自身尺寸和形状无规则性，无法预测。盾构在穿越喀斯特地层时，会出现盾构埋头、陷落的情况；由于地下水和地下水压较高，或采场失水，易导致注浆困难，螺旋输送机喷涌；刀片在转动时，由于突然碰到表面凹凸不平的洞穴，会因瞬间加载而使刀具受损；因隧道塌陷造成的严重事故。如果由此引起的溶洞充填加固工作不到位，在施工过程中会引起地表塌陷和突水，同时，也会引起盾构在开挖过程中的栽头、塌陷和偏移。

4 改善盾构法施工受地质影响的措施

4.1 上软下硬预防措施

（1）采用盾构推进管理系统对反馈信息进行监控，对推进参数进行10 ～15m 的微调，并逐渐减小刀片的推力。（2）在这一层的施工中，要严格控制掘进参数，不要有过大的推力，不要有过大的刀片，不要有过多的旋转，不要有过多的刀片，也不要有过深的钻头。在掘进过程中，经常对刀具和刀盘进行系统的检查。（3）在刀具上装有一套自动测量仪，对刀具的损伤进行检测，并对刀具的损伤程度进行评估，如有需要，进行施工方案；使用加压进料，对刀具的磨损进行检验，对部分磨损的刀具进行替换。（4）在盾构机所处的上软下硬环境中，当土仓上部地质状况较差时，应尽可能避免更换。如果要频繁更换这些零件，就要根据目前地层的刀具磨损状况和线路前方的地质条件，预先确定替换工具的位置，并进行加固，以保证在盾构机抵达指定地点后，可以顺利、安全地更换工具。（5）在软硬不均匀地层中，选取合适的盾构千斤顶和千斤顶的位置，进行试车，并计算出其相对的偏移量，从而调节在重量上的压力差，直至达到理想的效果。（6）在保证土壤压力的前提下，避免地层突然涌水。（7）控制挖方的数量，避免因地层土流失而导致开挖面失稳。

应急预案：（1）在盾构施工过程中，由于地质原因造成了工具的损伤，且没有对地面进行加固，则采用空气换刀的方式来替换刀具。具体内容参见《压力换刃专用计划》。（2）在盾构施工中，由于地质条件恶劣，工具受损，盾构土仓不能保持压力，采用盾构机前盾的超前注浆孔洞，将刀盘前方和顶部的土体进行固结。打开仓库，换上新的刀片。（3）在遇到上软下硬的情况下，盾构机的姿态发生了很大的改变，应立即停止施工，通过在盾构前面的灌浆孔或在地表注浆，以加强盾构前方掌子面的薄弱层，再以小推力、低速度推进，慢慢纠正盾构机的姿态，直到姿态恢复到正常状态。

4.2 孤石地层中的施工风险

（1）预防措施。①强化地质调查与数据分析，提前了解孤石的分布和规模，在有条件时进行注浆加固，以保证施工质量。②盾构在进入混合岩区后，要密切监测推进油缸、刀片伸缩油缸推力的变化、盾构机的突然姿态变化、土仓压力和出碴量的变化，发现不正常的情况，必须对土仓进行检查，以确定是否存在球状风化、球状风化物与刀片的位置关系。③在施工期间，要时刻监控刀片和刀片的受力状况，保证刀片不会超负荷，观察刀片的受力情况，防止刀片发生变形。

（2）应急预案。①在发现一块孤石后，应先进入土库进行检验，以确定其尺寸和与刀片之间的关系。②若工作面土壤状况良好，且孤石数量少，则由施工人员进入土仓，利用小型破石机将其粉碎取出，或将其打碎，或将其打碎，并利用螺旋式清除。③如果孤石很大，不适合使用小型机械，在掘进过程中随着刀片一起滚动，可以使用盾构机护罩上的注浆孔或在地面上用袖阀管灌浆加固孤石周围的土壤，将其与周围的土壤结合起来。然后采用缓慢的掘进方式，磨碎并排出。

4.3 穿越河流或建筑物风险应对措施

合理选用合适的盾构装备，并推荐采用泥浆平衡式盾构。这种盾构具有较好的密封性能，具有探孔、灌浆装置和聚合物和膨润土注射装置。根据工程地质情况，对盾构施工的速度和总推力进行了强化。掘进速度较慢，推力缸的总推力控制在一定程度上，减小了地层的干扰，避免了对河床的破坏，从而保证了盾构机的正常施工。在盾构机进入河床后，作业人员要根据测得的误差，适时调整盾构机的施工方向，以减小误差，减小对土质的影响，保证盾构机能顺利通过河床。由于盾构机头和河床之间的土壤厚度比较小，注浆压力过大，很容易导致基坑下部的防水层出现流动，所以，注浆压力宜控制在0.2 ～0.3MPa，注浆量为理论空隙的130%～180%。在进行隧道穿越河道时，会面临古树、孤石等情况。在这样的情况下，如果不采取更好的措施，将会导致工程的进度受到极大的影响，从而导致工程的延误。对此，施工人员要在盾构机上安装超声波探测器，在进行掘进时，要事先对前方的地质情况进行预测，以便能及时发现问题，并采取相应的措施，防止由于开挖造成的阻碍而影响工程的进展。在穿越建筑物之前，要对其周边土体的影响进行细致的分析，并对其沉降范围、沉降特征及干扰范围进行预测，对工程范围内的建筑物和管道进行全面的勘察，了解其规模、形式、材料、基本结构、使用状况等。为了有效地控制结构的非均匀沉降，一般采用注浆法对建筑物的边坡进行加固。在施工过程中，对现场的沉降进行实时观测，如有需要，应重新进行注浆补强。

5 结语

随着社会的迅速发展，人民的生活水平不断提高，经济和城市化进程的显著加快，对交通的需求、适用性、便利性的要求也在不断地增加。根据工程地质情况对施工的影响，提出了改进盾构法在地铁隧道施工中的应用。这种方法不仅可以推广使用，还可以有效地降低工程施工中的安全隐患，避免出现安全事故，保证施工人员在施工中的安全和质量，同时满足了运输和安全的需要。