地質(zhì)狀況對地鐵隧道盾構(gòu)法施工工藝的影響及風險控制

李春勝（中咨工程管理咨詢有限公司， 北京 100048）

1 工程概況

某市地鐵 1 號線三區(qū)間全長 3 044 m，采用 2 臺土壓平衡式盾構(gòu)機施工。區(qū)間結(jié)構(gòu)采用預制管片拼裝而成，預制管片內(nèi)徑 5.4 m、外徑 6.0 m、壁厚 0.3 m、環(huán)寬 1.5 m。

區(qū)間主要穿越第 ? 層強風化安山巖，第 ? 層中等風化安山巖，第 ? 層微風化安山巖，第 ⑦ 層細砂～中砂，第 ⑨、第 ⑩ 層粗砂～礫砂，第 ? 層粉質(zhì)黏土，第 ? 層粗砂～礫砂，第 ? 層粉質(zhì)黏土。隧道整體通過的地層以飽水砂層為主，自穩(wěn)能力差，易坍塌，易突發(fā)涌水涌砂。

本場地沿線所屬地貌均為沖洪積平原地貌，地下水主要賦存在第四系松散砂土層及基巖的裂隙中。場區(qū)地下水主要類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。地下水穩(wěn)定水位埋深 0.20 m～6.50 m，絕對標高 3.28 m～6.97 m。

2 盾構(gòu)機選型

地鐵隧道盾構(gòu)法施工具有以下特點：安全開挖，掘進速度快；盾構(gòu)的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現(xiàn)自動化作業(yè)，施工勞動強度低；不影響地面交通與設(shè)施，同時不影響地下管線等設(shè)施；穿越河道時不影響河道使用功能；施工中不受季節(jié)、風雨等氣候條件的影響，施工中噪聲小，擾動小或基本不擾動；在富水松軟地層、上軟下硬地層中修建埋深較大的長隧道具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟方面的優(yōu)越性?；谏鲜鎏攸c，地鐵隧道盾構(gòu)法施工具有廣泛的適用性和推廣價值。

本工程采用 2 臺盾構(gòu)機施工，開挖直徑為 6 280 mm，專為復合地層設(shè)計生產(chǎn)。鑒于中粗砂層和硬巖地層的地質(zhì)情況，確定設(shè)計兩種刀盤。本標段為復合地層，巖石強度普遍在 30 MPa 以上，有的甚至達到 150 MPa，破巖能力是首要考慮的問題。

3 不同地質(zhì)狀況施工工藝應(yīng)對措施

3.1 中粗砂地層盾構(gòu)掘進應(yīng)對措施

盾構(gòu)穿越中粗砂層時，由于地質(zhì)條件較差，且地下水位較高，砂層具有內(nèi)黏聚力小、外摩擦角大、滲透系數(shù)高等特點，施工中極易發(fā)生突然涌水、大幅度地面沉陷現(xiàn)象，并且刀盤磨損嚴重，壓氣換刀安全風險大，因而中粗砂地層盾構(gòu)掘進、掘進參數(shù)控制、防止地面沉陷是本工程施工的重難點之一。針對中粗砂地層，項目監(jiān)理機構(gòu)要求施工單位采取以下施工技術(shù)措施。

（1）做好渣土改良，施工中對渣土采取流塑化改良。

（2）做好盾構(gòu)掘進參數(shù)控制。在砂層掘進過程中，嚴格控制土倉壓力，采取滿倉或 2/3 倉掘進的模式；在螺旋轉(zhuǎn)速、掘進速度和刀盤扭矩相匹配的前提下，刀盤扭矩不大于 80%，保持上部土壓在 0.06 MPa～0.1 MPa 之間、下部土壓在 0.14 MPa～0.18 MPa 之間、左右土壓在 0.1 MPa以上，在總推力和扭矩等參數(shù)允許的情況下，盡量提高土倉壓力。同時要隨時注意刀盤扭矩的變化，不能滿載或超載運行。

（3）嚴格控制沉降。主要分為兩個方面：一是建立良好的土倉壓力，二是填補地層空隙。在參數(shù)控制上，滿足2/3 倉或滿倉掘進，在建立好土倉壓力的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)各項參數(shù)。填補地層空隙主要通過同步注漿和二次注漿，砂層中考慮其滲透系數(shù)，同步注漿量應(yīng)控制在理論空隙值的150%～200%，通過地面監(jiān)測，及時進行二次注漿；或者在盾構(gòu)掘進時同步，在盾尾 5 環(huán)以后進行二次注漿，注漿量由壓力控制，一般注漿壓力達到 0.6 MPa 即可。

3.2 上軟下硬地層盾構(gòu)掘進應(yīng)對措施

盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土、粗砂～礫砂和強風化安山巖、中等風化安山巖、微風化安山巖，隧道縱斷面方向表現(xiàn)為基巖風化程度起伏面較大，軟硬不均。上軟下硬地層易發(fā)生噴涌、地面沉降、刀具磨損嚴重、換刀頻繁以及換到作業(yè)難度大等施工困難，因而上軟下硬地層施工也是本工程施工的重難點之一。針對上軟下硬地層，項目監(jiān)理機構(gòu)要求施工單位采取以下施工技術(shù)措施。

（1）合理選擇刀具刀盤，采用六主梁刀盤，以提高施工功效。

（2）對軟硬不均地層區(qū)段進行詳細補勘，探明硬巖在隧道斷面內(nèi)的分布情況及其抗壓強度。

（3）根據(jù)地層具體情況分析壓氣換刀的可實施性。在地面等其他條件允許的情況下，對預定換刀地點進行地面加固處理，必要時以降水配合施工。

（4）盾構(gòu)掘進控制土倉壓力、出土量、推力、扭矩和推進速度等參數(shù)，采取加注膨潤土泥漿、優(yōu)質(zhì)泡沫和分散劑等措施以改良渣土、控制噴涌。

（5）做好同步注漿和二次注漿

4 不同地層施工工藝參數(shù)控制與風險控制

4.1 強風化＋中風化及全斷面中風化掘進

該地層組合，掘進速度為 30 mm/min～50 mm/min，推力為 800 kN～1 200 kN，扭矩為 1 900～2 700 kN·m，泡沫用量為 50 L/環(huán)（4 路泡沫、膨脹率設(shè)置在 12%～15%，流量為 300 L/min～350 L/min），刀盤噴水 6 m3～8 m3，倉壓為 0.08 MPa～0.12 MPa，80 環(huán)～100 環(huán)邊緣刀磨損在5 mm～8 mm，因而設(shè)置每掘進 50 環(huán)～80 環(huán)檢查一次刀具。當最外邊緣刮刀磨損大于 8 mm 時，必須更換刀具，其余邊緣刀磨損大于 15 mm 時更換，正面刀磨損大于 20 mm時更換。

該區(qū)段施工期間，出土正常 4.5 斗（76.5 m3），地面沉降穩(wěn)定，但經(jīng)常出現(xiàn)螺旋噴涌情況，分析地下水為基巖裂隙水為主，施工過程中將土倉內(nèi)渣面高度控制在 2/3 位置，同時掘進過程中將空氣流量調(diào)節(jié)到 300 L/min～350 L/min，同時泡沫膨脹率設(shè)置在 15%～18%，噴涌問題消除。

4.2 中分化＋微風化掘進

微風化巖面突起位置掘進，該區(qū)段掘進工效底，掘進速度為 5 mm/min～10 mm/min，推力 10 000 kN～13 000 kN，扭矩2 200～2 500 kN·m，泡沫消耗量為 80 L/環(huán)～100 L/環(huán)，每日掘進 2 環(huán)～3 環(huán)。掘進 20 環(huán)～30環(huán)，邊緣刀磨損 5 mm～8 mm，因而在通過微風化突起前和通過后都要檢查和更換刀具。由于項目監(jiān)理機構(gòu)要求施工單位及時檢查和更換刀具，順利通過中下部微風化自抗壓為 89 MPa 的安山巖，未發(fā)生卡機事件。

4.3 拱部為富水砂層或富水砂層＋強風化＋中風化掘進

該區(qū)段施工為整個區(qū)間施工的控制難點，地面容易沉降。由于出土量控制容易出現(xiàn)壓倉現(xiàn)象，掘進參數(shù)跳動變化大，螺旋噴涌頻繁，刀具容易偏磨，更換刀具須帶壓換刀，區(qū)段位于始發(fā)區(qū)段和接收區(qū)段。某區(qū)間左線某環(huán)在掘進過程中出土量增大（5.5 斗，約 93.5 m3），地面沉降速率超限。掘進推力達到 18 000 kN，速度為 3 mm/min～5 mm/min，扭矩為 2 800 kN·m～3 400 kN·m。隨后采用洞殼徑向孔注入膨潤土，施以大推力、大扭矩，保證掘進速度 30 mm/min～40 mm/min。

某區(qū)間左線盾構(gòu)拼裝完某環(huán)后，推進下一環(huán)過程中推力增大，扭矩跳增過大，掘進速度 9 mm/min～15 mm/min，其中扭矩最大為 5 400 kN·m，最大推力達到 19 000 kN。考慮渣土改良效果較差，對土倉內(nèi)注入膨潤土漿液進行倉內(nèi)渣土改良置換，但改良效果不明顯，推力在 15 000 kN時幾乎無掘進速度。究其原因，在于刀具偏磨（邊緣刀磨損達到 12 mm）、 渣土改良效果差、存在壓倉的可能。換完刀后選用優(yōu)質(zhì)泡沫進行渣土改良、刀盤噴水 10 m3/環(huán)～12m3/環(huán)、掘進過程中盾殼注入膨潤土，推力 14 000 kN～16 000 kN，速度 40 mm/min～60 mm/min，泡沫消耗量60 L/環(huán)～80 L/環(huán)。地面沉降在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

一旦開倉換刀，必須評估后續(xù)掘進的磨損情況，能夠更換的刀具必須更換，邊緣刀磨損超過 5 mm，必須研究后續(xù)磨損余量，必要時應(yīng)進行更換。渣土改良地層變換后必須經(jīng)試驗確定，依據(jù)坍落度確定泡沫、噴水和外加劑的注入量，外加劑（分散劑、高分子聚合物）的使用必須先試驗后應(yīng)用。掘進刀盤切削量必須與螺旋出土量相匹配。

5 異常風險情況處理

5.1 區(qū)間盾構(gòu)停機處理

5.1.1 概 況

某站施工期間受到管遷調(diào)流等外界因素的制約，導致區(qū)間段的施工進度無法滿足盾構(gòu)的接收條件，左右線盾構(gòu)機需在地質(zhì)條件較好處停機，停機時間 2 個月。為確保盾構(gòu)停機安全，需要在盾構(gòu)停機位置進行地層加固。

5.1.2 停機位置選擇

綜合考慮隧道洞身地質(zhì)條件、地面周邊環(huán)境等因素，左線隧道停機位置處于隧道埋深約 14.5 m，洞身上部為中風化安山巖，下部為微風化安山巖；右線隧道停機位置處于隧道埋深約 15.6 m，洞身上部為中風化安山巖，下部為微風化安山巖。

5.1.3 地層加固措施

采用袖筏管地面加固方式，加固范圍縱向為停機位置前后各 6 m，加固橫斷面為隧道上側(cè) 4 m、左右側(cè)各 3 m、下側(cè) 2 m 的范圍內(nèi)。注漿孔開孔時，應(yīng)詳細記錄孔位、孔深和每個鉆孔內(nèi)的地下障礙物、洞穴、涌水處、漏水處，以及與巖土工程勘察報告不符的情況等。

5.1.4 施工情況

通過采取以上停機加固措施，春溝區(qū)間左右線盾構(gòu)停機長達 2 個月，地表沉降參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，有效確保了盾構(gòu)停機安全。

5.2 盾構(gòu)接收風險處理

5.2.1 險情描述

某區(qū)間段右線盾構(gòu)刀盤進入端頭旋噴樁加固區(qū)內(nèi)，因受外部因素影響而要求暫停施工。待 3 d 后右線盾構(gòu)開始恢復推進，其間盾構(gòu)推力較大、速度較小且出現(xiàn)螺旋噴涌現(xiàn)象，造成盾尾出現(xiàn)大量水砂，險情發(fā)生，盾構(gòu)隨即關(guān)閉艙門，停止掘進。

5.2.2 原因分析

通過打設(shè)地質(zhì)探孔對現(xiàn)場地質(zhì)條件進行勘察，核對地質(zhì)勘察報告，調(diào)查現(xiàn)場管線，發(fā)現(xiàn)引起盾構(gòu)機噴涌的主要原因如下。

（1）盾構(gòu)接收端地層為富水砂層，地層含水量較大，且砂層軟弱容易噴涌。

（2）盾構(gòu)上方管線復雜，其中上部污水管及暗渠破損，導致污水長期流入地層，形成流水通道，進而造成盾構(gòu)噴涌。

（3）前期地層加固質(zhì)量未達到設(shè)計效果。

5.2.3 處理方案

根據(jù)險情產(chǎn)生原因，項目監(jiān)理機構(gòu)會同施工單位多次組織專家召開咨詢會，確定以下處理方案：在地面開挖降水井 8 口，進行地面抽排水；在接收洞門開設(shè)水平泄水孔2 個，進行輔助泄水；在盾構(gòu)掘進期間，向土倉內(nèi)注入高黏度膨潤土，進行渣土改良；在脫出盾尾管片進行二次注漿，施工止水環(huán)箍，隔斷后方來水；在地面進行垂直注漿以加固地層。

5.2.4 施工情況

通過采取上述措施，某區(qū)間段右線盾構(gòu)順利接收，地表沉降變形數(shù)據(jù)均在正?？煽胤秶鷥?nèi)。

6 監(jiān)理控制要點與體會

6.1 嚴把專項方案審核關(guān)

在方案審核時，項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)掘進線路周邊環(huán)境特點，要求施工單位對下穿河道、風險較大的管線、側(cè)穿重要的建（構(gòu)）物等制定有針對性的安全技術(shù)措施，如本工程盾構(gòu)在正下方穿越虹子河橋。虹子河橋為 20 世紀 90 年代修建，混凝土擴大基礎(chǔ)，距離拱頂不足 9 m，且為富水砂層，原設(shè)計無任何加固措施。為了確保施工時該橋的安全，項目監(jiān)理機構(gòu)多次建議建設(shè)單位采取加固處理措施，最后建設(shè)單位和施工單位提請組織專家論證，專家一致同意對橋梁基礎(chǔ)進行高壓旋噴加固，對簡支梁進行滿堂鋼管架支撐加固。由于穿越前采取了有效的加固處理措施，在穿越該橋施工時各項監(jiān)測指標得到了有效的控制，橋面最大沉降控制在13 mm，滿足控制值 30 mm 的要求。

針對上軟下硬地層的特點，項目監(jiān)理機構(gòu)在制定方案時就要求施工單位將盾構(gòu)機橫向、豎向偏差設(shè)定控制值為5 cm，當接近該值時，要求施工單位及時采取糾偏措施。由于控制值設(shè)置較合理，3 個盾構(gòu)區(qū)間貫通測量偏差均小于規(guī)范規(guī)定的允許偏差。

6.2 嚴把施工組段劃分及掘進參數(shù)設(shè)置關(guān)

施工前項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)要求施工單位進行施工組段劃分及掘進參數(shù)設(shè)置，并報項目監(jiān)理機構(gòu)審查。施工中要求施工單位將組段劃分及掘進參數(shù)張貼在操作控制室，以確保盾構(gòu)機操作人員適時掌握、控制和調(diào)整掘進參數(shù)。

6.3 嚴把設(shè)備選型和出廠驗收關(guān)

擬配置的盾構(gòu)設(shè)備應(yīng)與圖紙揭示的工程水文地質(zhì)相匹配，設(shè)備選型不匹配將對施工造成不可逆轉(zhuǎn)的困擾。項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備建造或選型方案組織建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位和制造商共同對設(shè)備進行出廠前驗收，對驗收中發(fā)現(xiàn)的問題要在出廠前全部整改完成，嚴防設(shè)備帶問題出廠。

6.4 嚴把施工條件核查關(guān)

項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)在施工前審查確定施工單位提報的本工程設(shè)置的關(guān)鍵節(jié)點，并嚴格按審批的關(guān)鍵節(jié)點組織建設(shè)、施工、勘察、設(shè)計、監(jiān)測等相關(guān)單位進行施工前條件核查驗收，確保施工前各項準備措施落實到位。

6.5 嚴把監(jiān)控量測關(guān)

項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)監(jiān)督施工單位監(jiān)測部和受建設(shè)單位委托的第三方監(jiān)測單位嚴格按批準的監(jiān)測方案實施現(xiàn)場監(jiān)測工作，項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)每天對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集、整理、分析，發(fā)現(xiàn)異常時應(yīng)及時要求施工單位采取應(yīng)對措施；達到預報警限值時，項目監(jiān)理機構(gòu)應(yīng)馬上組織相關(guān)方召開專題會，研究制定處理措施。

6.6 嚴把洞外施工影響范圍的日常巡查關(guān)

對地面的異常下沉、開裂、隆起、冒漿、塌陷等異?，F(xiàn)象要提前做好應(yīng)急預案并進行演練。

6.7 嚴把始發(fā)和接收關(guān)

針對本工程地下水位較高，始發(fā)和接收階段易發(fā)生涌水涌泥問題，除設(shè)計要求始發(fā)和接收端采用高壓旋噴加固地層外，項目監(jiān)理機構(gòu)在方案審查時要求施工單位采用延伸鋼環(huán)始發(fā)和接收?，F(xiàn)場還要求施工單位在始發(fā)和接收端打設(shè)降水井，在洞門鋼環(huán)外結(jié)構(gòu)側(cè)設(shè)置引水孔等現(xiàn)場施工措施，確保始發(fā)和接收安全。