土压平衡盾构在复合地层段盾构掘进控制技术

土压平衡盾构在复合地层段盾构掘进控制技术

黄俊兵

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司  武汉  430074）

摘  要：结合广州轨道交通八号线北延段石亭盾构区间段在复杂地层进行盾构掘进的实践,阐述了在各种地层、各个阶段条件下如何选择掘进参数和控制措施的一些经验,以供参考。

关钮词：盾构始发；盾构出洞；曲线段；穿越建构筑物；上软下硬；全断面岩层；掘进参数；控制措施

1  引言

随着城市地铁的发展、需要，地铁隧道采用盾构法施工已广泛运用。盾构技术在不断发展，区间地质已不再局限于单一地层，地质复杂多样化。广州轨道交通8#线石亭盾构区间隧道穿越地层较复杂,同一断面软硬不均现象突出,且变化频次多，地下水丰富裂隙溶洞发育。主要穿越地层为灰岩、页岩、上软下硬地段。岩石的最大单轴抗压强度为70-80MPa。在通过这些地层时,合理地选择掘进掘进参数，及时采取掘进控制措施才能获得理想的掘进效果,才能保证开挖面稳定,有效地控制地表沉降,确保地面建筑物安全。

2  工程地质及水文地质条件

广州地铁八号线北延段石亭盾构区间左线起止里程为：ZDK27+250.600～ZDK28+794.400长链8.163m，长1551.963m；右线起止里程为YDK27+250.600～YDK28+794.400，长1543.8m。区间最小曲线半径450m，最大纵坡为20‰。

区间隧道主要穿越区间隧道主要穿越<3－1>粉细砂、<3－2>中粗砂、<3－3>砾砂、<9C－2>炭质灰岩微风化带地层，局部为<4N－1>粉质粘土、<4N－2>可塑状粉质粘土、<4-2a>淤泥及<4-2b>淤泥质土、<7－2>炭质页岩（泥岩强风化带）、<7－3>泥质粉砂岩强风化带，少量分布<8C－2>灰岩中风化带。本工程范围内地下水类型主要可分为第四系松散层孔隙水、层状基岩裂隙水和岩溶裂隙水三种类型。

上软下硬

本工程所采用的盾构机为德国海瑞克S371/S372双螺旋土压平衡式盾构机，盾构机外径6250mm，同时盾构机带有自动保压系统。针对盾构机自身特点结合本区间地质情况，合理的选择盾构掘进参数，采取有效控制措施能够有效的控制地面沉陷确保盾构高效、快速、平稳、安全贯通到达。

3 盾构各个地层中的掘进控制

3.1盾构穿越建筑物

建筑物与盾构的相对位置

穿越建筑物控制重点：

① 严格控制盾构正面平衡压力；使盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止超挖、欠挖尽量减少平衡压力的波动。

② 严格控制盾构的推进速度；在穿越建筑物施工时，推进速度应结合地层尽量做到快速，均衡施工，避免在途中有较长时间耽搁。

③ 严格控制盾构纠偏量；在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地面的影响。

④ 严格控制同步注浆量和浆液质量

⑤ 做好二次补压浆的准备工作；当盾构穿越过后，隧道上方地面及建筑物会有不同程度的后期沉降。因此必须准备足量的二次补压浆材料以及设备，根据后期沉降观测结果，及时进行二次补压浆，以便能有效控制后期沉降，确保地面建筑物的安全。

3.2穿越富水砂性地层

在富水砂性地层的施工过程中， 如何把从螺旋机口喷涌出来的泥砂接入到渣土车中显得很关键， 大量泥砂在皮带机上打滑无法运输，这是影响盾构施工的最大问题。在盾构机施工时， 如果在发生喷涌过程中处理不及时， 极易发生隧道涌水、 涌砂， 会将开挖面、 管片四周的砂土带出， 造成地表塌陷、 管片渗漏水等施工事故。为避免出现以上情况， 应尽快采取有效措施排除喷涌。

1)设备的选型本标段虽采取双螺旋盾构盾构施工中也难以避免突遇喷涌，盾构在掘进使用是在设备改造或或技术改造时优化掘进参数， 施工中采取高土压、 高推力方式掘进。

2) 向高分子聚合物中掺入改良剂， 形成混合溶液， 注入土仓内。高分子聚合物材料可以在 －60 ℃ ～120 ℃ 的温度范围内使用。它的耐候性、 耐臭氧性、 耐寒性、 耐热性、 耐酸碱腐蚀性能良好。在发生喷涌后立即将储备好的高分子聚合物材料在现场按比例进行配比试验， 并加入适量的改良剂， 将配比好的混合溶液材料注入土仓内， 提高渣土的和易性。

土仓注入高分子材料

3)对螺旋机出土口进行改造， 避免大量的水土流出皮带机， 降低人工清理时间， 提高工效。

4)加强地表沉降监测， 在喷涌的多发位置， 采取24 h 值班巡视。

5)掘进前， 先往土仓内注入高分子聚合物， 再启动刀盘， 待渣土与高分子聚合物搅拌均匀后， 再掘进出土。

6)在掘进过程中根据实际情况使用泡沫剂， 以避免管路堵塞。

7)在距发生喷涌区域 5-10 环左右进行二次注浆制作止水环，阻断盾构机后方水源流入土仓内。

8)在后续拼装的管片外弧面加一圈泡沫条和棉被， 阻断后方

管片背后粘贴海绵及棉被阻塞后方水源

9）在地下较大地面条件较好情况下可通过盾体径向孔、管片壁后开孔排水泄压

10）出土量；每环理论出土量为/4×D2×Lm3/环。穿越管线过程中，应将出土量控制在理论值的98％左右，保证盾构切口上方土体能有微量隆起，抵消一部分土体后期沉降量。

（6）盾构纠偏量；在盾构进入管线影响范围前，盾构姿态应尽可能保持良好，并且保持良好的姿态穿越管线，在穿越过程中，尽可能保证盾构匀速通过，减少盾构纠偏量和纠偏次数。

参数建议：刀盘转速为1.1r/min,推进速度为30mm/min，土仓压力为土仓水头压力加0.2bar（一般1.0bar）,严格控制出土量,并注入泡沫。在掘进速度正常的情况下，一般采用自动模式注入泡沫，FER设定为15，每管流量比设定为35～40%，开四条管路。在掘进过程时，保持连续掘进，减少停机时间，同时适当缩短浆液凝固时间，保证注浆质量。  

3.3盾构穿越上软下硬地层

盾构穿越下软下硬地层时由于位于切口上半部分的土层较软，下半土层部较硬。切口下半部分阻力较大，切口上半部分阻力较小，这样形成了一个向上的弯距，容易使盾构出现仰头现象，造成上部管片外弧刮碎，另外可能会出现盾构上部土体流失过多导致地面沉陷。

上软下硬地段掘进示意图

在推进时，应该注意上、下部千斤顶的行程差的变化，即22号千斤顶与5、17号千斤顶的平均长度差的变化。当发现盾构出现仰头现象时可采取以下措施：

1）、进行千斤顶编组，停用下部千斤顶

2）、加大上部千斤顶区域油压或降低下部千斤顶油压

3）、使用泡沫剂或局部气压法，减小地下水的渗透、流动，保持下部土体的稳定。

盾构在上软下硬地层施工过程中存在的主要问题是盾构掘进控制难度大。掘进面上下岩体的完整程度及强度差别较大容易发生盾构掘进超挖引起地面沉陷事故。在掘进上软下硬地层时必须进行技术措施预控。主要施工技术措施：

1）结合地质资料，注意分析盾构机的状态参数，及时发现上软下硬地层，以便采取相应措施。

2）适当放慢掘进速度，使盾构刀盘能对正面坚硬岩层进行充分破碎。

3）合理利用盾构铰接千斤顶，改变刀盘倾角，以加强对硬岩部位的切割，提高盾构掘进过程中的轴线控制能力。

4）调整盾构推进千斤顶的区域油压，硬岩区域推进千斤顶油压较软岩部位 适当加大，以控制千斤顶的合力作用点、 抵消上抛力， 控制好盾构轴线位置和隧 道坡度。

5）采用土压平衡模式，密切注意出土量，如下部岩层较硬，掘进速度比较 慢，而上部土体受到扰动容易造成坍塌， 此时要注意控制每环的出土量在额定的范围内，否则会造成地面的坍塌或沉陷。

6）采用土压平衡或气压平衡模式掘进，必要时注入泡沫或泥浆对碴土改良，以减小刀具及刀盘的磨损。

7）重视盾构的轴线控制和姿态控制：合理利用超挖刀；根据测量数据及时修正千斤顶推力组合。

盾构穿越硬岩地段

数建议：刀盘转速1.4-1.5r/min,推进速度为10-15mm/min，土仓压力为土仓水头压力加0.2～0.3bar,并注入泡沫。泡沫系统采用半自动模式，泡沫浓度设定为3～4%，每管流量设定为200l/min，FER设定为25，开四条管路。在掘进过程时，及时检查渣样，并检查泡沫发生效果。

3.4、盾构穿越全断面硬岩

盾构机穿越这类岩层时，盾构掘进时主要有以下特点：

（1）掘进速度慢；

（2）刀具磨损大，刀具更换频繁；

（3）轴线控制难度大；

（4）推力增大，有可能引起管片的裂缝；

（5）岩石自稳能力强，适合采用敞开掘进模式

主要施工技术措施：

（1）盾构在硬岩段掘进时， 首先要选择好掘进模式， 土压平衡盾构掘进时， 掘进模式主要有以下 3 种。

①土压平衡模式下掘进：给刀盘提供推进力容易，但是土仓中渣土对刀具的磨损比较大，甚至会造成滚刀偏磨。

②半敞开模式掘进：一方面能够减小刀具的磨损，同时更易给刀盘提供顶推力。

③敞开模式推进：盾构在空仓情况掘进主要能够降低刀盘、刀具的磨损，滚刀在转动中所受磨阻力小，但在空仓掘进时，推进力不易加载。

在一般情况下， 建议采用半敞开模式掘进， 既可以减小刀具的磨损， 又能较 为容易地施加推进力。 硬岩段盾构掘进除选择好掘进模式外， 重视刀具管理和泡 沫系统科学合理的使用尤为关键。

（2）进入硬岩段掘进前要对盾构机进行一次全面的维修保养，确保盾构机 的工作状态良好。

（3）增加开仓检查的频率，注意量测刀具的磨损情况，在地质条件允许的 情况下及时更换磨损的刀具，避免损伤刀盘。

（4）如可能，换刀时启动刀盘伸缩装置或在盾构掘进时长期保持盾构铰接在100mm左右便于开仓时进行盾体回退，缩短换刀时间并在土仓内更换刀 具，减少换刀时间对掘进循环的影响，提高设备利用率。

（5）采用滚刀破岩盾构掘进时结合地层情况进行刀具对比选型，建议采用楔形合金球齿刀，减少换刀次数与频率，提高施工进度。掘进过程 中随时监测刀具和刀盘受力状态，确保其不超载。

楔形合金球齿滚刀

（6）采用敞开模式掘进时，遵循高转速、低扭矩原则选取参数，以提高掘 进速度。

敞开式盾构掘进模式

敞开式掘进模式是在非土压平衡的状态下掘进，土舱内的空气压力为常压，不需要在开挖舱内建立土压或气压平衡以支撑工作面的土体压力和水压力。这种掘进模式适用于地层自稳定性较强，地下水较少的地层，适用于本区间的全断面硬岩。该模式切削和破碎硬岩的能力远大于其他模式的盾构掘进。岩碴通过刀盘上的卸碴口进人刀盘后的土舱内，并在土舱的底部聚集，然后通过伸人土舱底部的螺旋输送机传送出去。

敞开式掘进远远降低了盾构掘进刀盘扭矩、盾构机千斤顶推力；增加了盾构掘进速度；延长刀具

寿命节约盾构成本。

参数建议：刀盘转速为1.5·1.8r/min,推进速度为10～30mm/min，土仓可设置欠压推进,并注入泡沫。在掘进速度正常的情况下，一般采用自动模式注入泡沫，FER设定为15，每管流量比设定为60～70%，泡沫浓度比例3%，开四条管路。在掘进过程时，不易特别过大，容易崩裂刀圈。

3.5盾构穿越溶土洞

盾构位于地下施工，地质情况复杂多变。广州八号线北延亭石盾构区间地下水丰富区间裂隙溶洞发育。盾构穿越溶土洞时， 有可能造成突水、 突泥及盾构机沉陷等工程事故，对盾构施工影响较大。同时若隧道空洞涌水（或突水）得不到有效处理，将直接导致孔隙水位下降， 从而影响周边建筑物安全， 严重时将造成地面塌陷。因此在溶洞区掘进时必须准确地掌握空洞的分布和大小， 对空洞进行处理， 以降低施工难度和施工 风险。

8号线北延段溶洞区

1）溶土洞洞形成的原因 在城市地铁修建中， 盾构掘进中有时候会遇到空洞， 空洞形成的原因一般归纳为水蚀、风蚀作用形成、人为活动形成。

一般空洞与盾构隧道的断面关系为： 空洞断面大于盾构隧道断面， 并完全包罗盾构隧道；空洞断面大于盾构隧道断面， 并与盾构隧道斜交；空洞断面小于盾构隧道断面，并完全被盾构隧道包罗； 空洞断面小于盾构隧道断面 ,并与盾构隧道斜交。

溶洞区地质自陷引起的地面塌陷

为进一步了解和掌握空洞的分布范围和空洞大小， 实施加密钻孔，并使钻孔交错布置， 钻孔深度至隧道结构下 5m。同时在揭示到有空洞的加密孔和既有揭示有空洞的钻孔周围布设更 密的钻孔。

2）对勘探揭示的溶土洞进行注浆回填。为了保证盾构机通过空洞位置，在盾构机继续掘进前需提前进行注浆回填。 在场地允许的情况下， 优先考虑地面注浆， 即采用小型钻孔注 浆设备，在空洞位置处由地面钻孔进行注浆，地面注浆于发现空洞后马上实施。

3）盾构刀盘前方注浆。当场地条件无法进行地面注浆时，在盾构接近空洞位置时停止掘进， 出清渣土后人工进入土仓， 使用水平钻在刀盘前方进行钻孔后采用水平袖阀管法注浆。对盾构前方10 m 进行注浆加固，如地质条件较差有涌水现象，则封闭土仓向土仓内注入厚浆填充，使掌子面形成护壁后，再开仓对掌子面进行注浆加固。

主要施工技术措施：

（1）做好各项准备工作，提前对盾尾密封进行检查，进入溶洞区域前提前进行刀具更换。

（2）空洞加固处理完毕后，在盾构机通过时，要适当放慢掘进速度。

（3）调整同步注浆浆液的配合比，缩短凝结时间，同时增大注浆量和注浆 压力。

（4）在盾构机通过后及时进行二次双液注浆，通过调整水泥水玻璃的配比 参数，控制双液注浆的凝结速度，达到加固土体和加固充填空洞的目的。

（5）加强掘进姿态控制，全面贯彻信息化施工。

（6）盾构姿态控制。针对特殊地质地段，采取“抬头”的姿态掘进。掘进 期间应特别关注盾构的姿态， 如有掉头趋势应及时分析原因。 若属推进力分配原 因，则须及时调整盾构姿态。

（7）密切注意掘进参数。在盾构掘进过程中，要密切注意注浆压力、土仓 压力、刀盘压力、扭矩及出土量的变化。如有异常则立即封闭土仓保持压力。

（8）加强监测。当空洞周边有建筑物时更要加强检测，防止建筑物的沉降 倾斜。

（9）同时备好应急设备和物资，制订应急抢险预案，盾构掘进时地面做好24小时值班巡查，巡查范围为隧道范围的30m半径。

结束语：

在实际掘进过程中，地质条件往往复杂多变。广州地铁八号线北延段北延段石亭区间地质软、硬岩相互交错，地层变化较大，地下水丰富，岩层裂隙发育风险溶洞较多。因此在盾构掘进过程中必须勤取渣样，分析渣样成分比例含量，根据隧道所处 的地质情况及地下水的压力，根据盾构掘进过程出渣情况，出碴量的大小以及地表沉降反馈及时地作出判断，选择合理的掘进参数，力求使盾构掘进做到经济快速、连续安全施工的目的。

参考文献

[1]  广州地铁8号线北延段【石井站-亭岗站区间】详勘阶段岩土工程勘察报告

[2]  广州地铁8号线北延段施工8标亭石区间施工组织设计

[3]  竺维彬，鞠世健，等. 复合地层中的盾构施工技术. [M].北京：中国科学技术出版社，2006：102-106.

[M]. 4版.北京：中国建筑工业出版社，2003：379-453.

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