地鐵隧道區間盾構始發信息化施工分析與控制

肖銘釗 蔡兵華

摘要：目前在地鐵建設過程中，區間隧道采用盾構設備施工已較為普遍，因此盾構施工技術控制至關重要，文章以武漢某區間為依托，重點的介紹了盾構在始發過程中發生“磕頭”情況后所采取的各項技術保障措施。在此基礎上，從盾構始發掘進參數、工程地質及施工過程中的各項監控數據等方面討論了地鐵區間盾構始發技術控制。

關鍵詞：地鐵隧道施工；始發“磕頭”；盾構參數；震動液化

隨著城市的建設，地鐵建設行業也隨之蓬勃發展，而盾構施工即高效又安全，越來越受到隧道施工單位的青睞。由于在城市地鐵建設過程中周邊環境與地質條件復雜，因此施工過程中施工風險較高，盾構參數的控制及對地質特性的研判就顯得特別重要。盾構在始發階段，各項參數都處于試掘進狀態，各項的參數還不是很穩定，因此這個階段就顯得特別重要，因為前期的試掘進參數不僅對后期隧道掘進有指導性的意義，更重要的是在盾構剛開始掘進時會由于地質情況及掘進參數的原因而導致發生工程事故。

鑒于此，本文以武漢地鐵某隧道實際工程為例，系統介紹了盾構在始發階段由于地質及掘進操作原因導致盾構始發“磕頭”的情況及相關處理技術。在此基礎上，為了有效地降低和控制工程風險，從技術及管理兩方面探討了盾構發生“磕頭”情況后的施工安全控制過程，為類似工程提供有益參考。

1工程概況

1.1區間水文地質概況

武漢地鐵某區間設計全長1018.757m，區間間距9~16米，線路平面最小曲線半徑為300m，線路最大縱坡為28.3‰。區間采用盾構法施工。區間處于長江Ⅰ級階地前緣，表層分布人工填土層，其下呈現典型的二元結構，上部為粘性土，局部夾淤泥質土，中、下部為稍密——中密粉細砂、密實中粗砂，底部局部分布礫卵石，下伏基巖除局部分布白堊系——下第三系東湖群（K-Edh）礫巖、砂巖外，主要為志留系中統墳頭組（S2f）泥巖和粉砂巖。區間直接影響的地表水系主要為長江水系，平均水位約18m。區間地下水按埋藏條件主要為上層滯水和層間承壓水兩種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層中，地下水位不連續，埋深為1.9~2.3m。承壓水主要賦存于第四系全新統沖積粉細砂、中粗砂礫石層中，含水層頂板埋深為5.7~9.2m，厚度為一般35~42m。承壓水頭與長江水位漲落密切相關，大氣降水的入滲補給對其影響較小。

1.2盾構機“磕頭”位置周圍環境概況

該區間盾構始發端頭采用“旋噴＋隔離樁＋袖閥管注漿”的措施進行了加固，加固長為端頭以外10m；其中旋噴樁加固長度為6.8m，袖閥管注漿長度3.4m。左線泥水盾構于3月19日始發，在掘進通過了端頭加固區期間掘進參數正常。但在3月23日夜班，+6環掘進過程中發現盾構姿態突然變化，盾構下沉趨勢明顯。此時盾構刀盤已脫出加固體，進入（3-5）粉質粘土、粉砂互層原狀地層中掘進，盾尾仍然在加固體之內。+6環掘進時盾構機位置見圖-1。

2工程事件經過

2.1盾構“磕頭”事件處理經過

在發現盾構姿態突變以后，現場采取盡量加大底部油缸推力、減小上部油缸推力，進行調向，盾構下沉趨勢減小。但在后續掘進中，又發生盾構下沉突變現象，在繼續加大下部油缸推力的基礎上，同時加大同步注漿量、逐步增大泥水壓力等措施后，發現下沉趨勢好轉，但在掘進完成+14環后，盾構機又發生更大的突變（刀盤垂直姿態下跌到-640mm），盾構機與水平面的俯仰角突變為-44mm/m，此時這些措施已不能有效地控制盾構機姿態，因此現場立即決定停機，研究下一步措施。

圖-1+6環盾構機平面位置

3月31日，在對左線盾構 “侵限”的原因及下一步采取的措施進行論證后，制訂了在盾構機底部增加了輔助推進油缸，以提高底部頂推力的處理方案。為此，施工單位在盾構底部增加了1臺300t、2臺100t的輔助推進油缸，并于4月5日開始試掘進調向，至4月6日11：00，＋16環推進油缸行程達到1300mm時，盾構機與水平面的俯仰角由-44mm/m逐步“抬頭”，并逐漸調整到-23mm/m。試掘進的結果證明，采用底部增加輔推油缸的措施可有效控制盾構的“侵限”趨勢，再向前方掘進一段距離后，盾構可以實現“抬頭”掘進。

2.2盾構“磕頭”技術處理

為了確保后期盾構糾偏施工的順利進行，督導現場施工風險控制措施的落實，還從技術、管理等方面采取了相應的措施，具體如下：

2.2.1 技術措施

（1）調高盾構液壓推進系統油壓，由原350bar調高到380bar，以增加盾構機的調向推力；（2）在盾尾底部增加輔助推進油缸，進一步增加底部的推力，底部增加1臺300t、2臺100t的輔助油缸進行調向。（3）在調向階段，管片安裝時預留一定的自由度，同時將同步注漿材料調整為惰性漿液，并采取從下部同步注漿的方式（待達到預期上浮量后，再采用雙液漿對此段管片進行固定）等措施，使管片在脫出盾尾后能有最大限度的上浮量；盾構調向過程中正常建立泥水倉壓力，保證正面提供足夠的反力及力矩（抵消因主機重心與浮力不同心而產生栽頭力矩）；盾構掘進正常后避免非正常停機，確保盾構機連續快速掘進。（4）結合PPS自動導向系統，加大人工復核頻率，為盾構姿態調整提供可靠依據；加強調向控制管理，將每環調整量進一步細化、分解到階段性目標，確保隨后每一環的盾構掘進達到預期目標。（5）加大同步注漿量和其它輔助措施，使侵限地段管片在脫出盾尾后及時進行一定量的上浮量。（6）認真總結經驗教訓，不斷優化掘進參數。根據不同地質情況選擇合適的掘進參數，在掘進過程中對土壓力、推力、扭矩、刀盤轉速、掘進速度等掘進參數不斷進行分析總結，并不斷優化，保證盾構以最佳狀態進行盾構的掘進。（7）考慮到盾構隧道水平方向的偏差影響，最終在盾構掘進通過后根據實際隧道線形，設計單位對線路坡度進行進一步優化。

2.2.2管理措施

（1）全面真實的反映左線既成隧道的平面和縱斷面位置，根據目前盾構機姿態調整的實際能力，并積極與設計院作好溝通、協調，確定下一步線路調坡方案。（2）加強施工過程管理，實行早、晚“交班會”制度，每天7：30、19：00由項目經理主持召開兩次交班會，將上個班施工情況、下個班施工安排以及施工過程中需要解決的問題在會上予以明確，分析工序影響時間，保證施工的連續快速。（3）加強施工紀律管理力度，強調施工紀律的嚴肅性。在施工過程中按照施工紀律進行管理，制訂獎罰措施，每天在交班會上嚴格兌現。

3工程事件原因分析

在此次左線盾構出現“磕頭”事故中，我認為造成左線盾構“磕頭”主要原因有以下幾點：

3.1地質原因

盾構穿越端頭加固區域后，開始進入全斷面（3-5）粉質粘土、粉土、粉砂互層地層，該地層是上部粘土與下部砂土之間的過渡層，強度較低，標貫擊數一般3.0~20.0擊，平均8.6擊，含水率為23~32%，承載力特征值為120kPa；其中粉質粘土含水率為32.1%，孔隙比0.930，軟~可塑狀，壓縮模量為4.7MPa，具高壓縮性；粉土含水率28.3%，天然重度19.3kN/m3，孔隙比0.792，壓縮模量為5.7MPa，具中等壓縮性，抗剪強度指標C值為15kPa，φ值為21°；粉砂含水率23.5%，天然重度19.9kN/m3，孔隙比0.677，壓縮模量為11.5MPa，具低壓縮性，抗剪強度指標C值為0kPa，φ值28°。該層總體具砂性土特征，具各向異性，水平方向滲透性遠大于垂直方向滲透性。而該區間采用的是泥水平衡盾構，盾構機重量大，其主機重量為338噸，盾構機在該地層中掘進時容易產生“栽頭”的趨勢。

在盾構機主機一出加固區后，在正常推進的情況下，盾構機垂直方向趨勢即發生突變（垂直趨勢由+12mm/m突變為-25mm/m），隨后在采取減小上部油缸推力、增大下部油缸推力等措施的前提下，仍出現跳躍式變化，使盾構機垂直姿態進一步惡化。

在現場碴土外運過程中，現場分離出的碴土存在較明顯的振動液化現象，結合盾構掘進施工實際情況，初步推測在有壓泥水的作用下，使該原狀地層含水率出現超飽和等劣化現象，在盾構掘進時長時間擾動的情況下，可能使（3-5）粉質粘土、粉土、粉砂互層地層發生振動液化現象，承載力大大降低，進而造成盾構機姿態發生突變。

3.2管理方面原因

施工單位對盾構穿越加固區域、進入松軟的全斷面（3-5）粉質粘土、粉土、粉砂互層中掘進時，盾構可能出現 “栽頭”趨勢主觀上認識不足，且出現“栽頭”情況時并未及時通知參建各方，而是私自進行調整。

4結論

4.1該區間盾構在采取以上施工措施后，盾構姿態已逐步調整到正常范圍，這說明采用底部增加輔推油缸的措施可有效控制盾構的“栽頭”趨勢。

4.2泥水盾構在掘進過程中，要注意所掘進的土層變化情況，特別是要注意易發生液化的地層。

參考文獻

[1] 宮志群.地鐵盾構區間隧道施工風險分析及評價[D].天津:天津大學,2006.

[2] 董明鋼.盾構隧道施工安全的若干問題研究[D].上海:同濟大學, 2005.

[3] 周誠.地鐵工程建設安全控制系統設計與應用研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

[4] 李發勇.粉細砂地層盾構施工風險分析與應對措施[J].隧道建設, 2009(6).

[5] 李章林,戴仕敏,黃德中.上中路隧道工程盾構出洞施工技術[J].上海建設科技,2006(4).