盾構機在復雜地質條件下的施工控制措施

周 興 濤

(西安鐵路工程職工大學，陜西 西安 710061)

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盾構機在復雜地質條件下的施工控制措施

周 興 濤

(西安鐵路工程職工大學，陜西 西安 710061)

通過盾構機在城市軌道交通中的工程應用，闡述了盾構機的一系列參數控制、風險分析和施工保護措施，使得復雜地質條件下的樁基建筑物成功穿越，取得了明顯的社會和經濟效果，為以后同類工程的施工監測積累了實踐經驗。

盾構施工，復雜地質，控制措施，參數控制

1 工程概況

珠江城際快速軌道交通某標段需要穿越已有建筑物兩座，且該建筑物為20世紀80年代的老舊建筑，結構整體性較差，建筑物的樁長在13 m左右，而隧道將在建筑物下方18 m左右穿過，盾構拱頂距樁底最小只有2.662 m。本工程地貌形態為沖積平原地貌，區間的第四系海陸交互相底層及沖積層厚度一般在15.30 m～22.80 m，第四系殘積層在局部地段發育，厚度在1.10～4.80之間，部分鉆孔缺失本土層。區間內軟土發育，多為人工填土、淤泥質土、淤泥質粉細砂、粉質粘土、粉細砂、中粗砂層以及沖洪積土層、強風化泥巖層，且由南往北含水量豐富，其中淤泥質土、砂塵厚度較大。

本區間不存在地表水體，僅地下水對地鐵盾構施工有影響。本場地地下水類型主要有兩種：一種為賦存于第四系土層中的孔隙水；另一種是賦存于基巖風化層的裂隙水。第四系孔隙水存在于淤泥質粉細砂層、粉細砂、中粗砂中，該地下水類型為孔隙潛水，具有承壓性；基巖富存裂隙水，其透水性中等，裂隙水不具承壓性。第四系土層中孔隙水的補給源為大氣降水，補充形式為垂直滲入；基巖裂隙水的補給源為第四系土層中孔隙水的垂直及側向補給、越流補給。本區間地下水位埋深1.5 m左右。本區域地下管線較多，主要有電力電纜、通信電纜、給排水管線及燃氣管線等，在靠近建筑物處有一條110 kV輸變電電纜溝，內埋兩條百發線和佛百線，距離建筑物僅有1 m左右。

2 工程施工過程中可能產生的風險分析

2.1 地面坍陷

根據本工程的地質情況，建筑物所處地層為典型的上軟下硬地層(上部砂層，中部強風化地層，下部中風化或微風化地層)，隧道拱頂砂層厚達6 m～10 m。在盾構推進過程中，超排、噴涌或地下水流失嚴重都有可能產生地面沉降過量或坍陷情況發生。

2.2 樓房開裂或傾斜

這兩棟建筑物建造年代較久，當盾構機穿過該建筑物時，地面沉降過大或地表不均勻沉降都有可能產生樓房開裂或傾斜情況出現。

2.3 地表管線斷裂

根據前期管線調查資料可知，本工程所在區間內地下管線有供水管、排水管、燃氣管道及通信、電力電纜等，特別是距離建筑物僅1 m之隔的兩條110 kV輸變電管槽。當盾構機通過時，地面沉降過大有可能造成地下管線的斷裂或破損等安全事故。

3 盾構機掘進參數控制

1)為了確保掘進工作的順利進行，需要對掘進過程進行詳細和科學的參數計算和控制，結合以往的經驗和現場的實際情況，我們采取以下幾種措施進行施工過程控制：

a.對盾構機安裝螺旋機加長段及雙閘門，并對盾體與刀盤接口處做加焊擋板處理以減小頂部開口率，從而有效控制出土量，最大限度的降低了噴涌發生和頂部漏砂的可能性。

b.總結前期相同地段、地層時的掘進參數，并根據沉降數據將掘進參數進行優化，并對機手進行專項的技術交底。

c.在掘進中采用土壓平衡模式掘進，利用晶體高分子結合泡沫、水、膨潤土等渣土改良劑改良渣土，控制中土壓保持在200 kPa～230 kPa、土壓波動在20 kPa內，有效控制刀盤及盾體上方沉降。

d.嚴格控制出土量，禁止超排現象產生。當發生噴涌或超排后，機手應立即通知地面人員，對該處地面進行封閉，然后做地面開挖檢查，分析并進行地層注漿以減小地表沉降對建筑物的影響。

e.嚴格控制注漿管理，以注漿飽滿不漏漿為控制標準，注漿壓力控制在0.35 MPa，每環注漿量不少于6 m3，以雙液為主單液為輔，有效控制盾尾上方沉降；必要時停機進行二次補漿，有效控制后續沉降。

f.適當調整停—開機時間，即在上環完成掘進之后，結合地表沉降觀測數據，適當推遲下環開始掘進的時間，待地層沉降稍微穩定之后，再開始掘進，起到有效減少因頻繁擾動同一地層而產生的疊加沉降的作用。

2)掘進參數控制。

a.土壓控制。

建筑物下方隧道頂埋深在17 m～19 m之間，停機時土倉中壓力在220 kPa左右。為了保證作業掌子面的穩定，在進入建筑物前就已經采用了滿倉掘進模式即土壓平衡砂層模式。以左線2238環為例，掘進前螺旋機前壓力為197 kPa，排土過程中壓力建高后螺旋機前壓力最高為223 kPa，螺旋機前壓力最低為187 kPa，壓力波動在8 kPa～20 kPa范圍內。這就說明要保證土倉內外的壓力平衡最少應該建高土壓20 kPa，但由于排土過程中受到渣土改良及地質的影響，排土時壓力波動可能還會增大。所以為了土倉內不會產生負壓，掘進前要求機手必須在停機壓力220 kPa的基礎上再建高20 kPa～40 kPa的壓力。掘進2238環前土倉中壓力為220 kPa，掘進排土過程中建立中土壓最高為278 kPa，中土壓最低為262 kPa，壓力波動在8 kPa～16 kPa范圍內(2238環掘進參數見圖1)。這樣土倉內壓力始終波動不大且倉內壓力大于掌子面水土的壓力，進而保證掌子面的穩定。

b.推力、扭矩的控制。

推進到建筑物前，勘測到隧道底部巖層強度在6 MPa～8.5 MPa范圍內，且根據前段掘進的推力值14 000 kN及扭矩值1 100 kN·m,千斤頂速度可達到40 mm/min左右。所以按照這樣的參數值平均每天以8環的速度往前推進，達到了快速通過的目的(2236環～2246環掘進參數見圖2)。

c.刀盤轉速、螺旋機轉速。

在相同推力的情況下刀盤轉速越快，產生的扭矩越小，對土體的擾動也就越大，反之刀盤轉速慢對土體的擾動就小。在建筑物下方通過時，刀盤轉速控制在1.2 rpm/min～1.4 rpm/min范圍內，盡可能減少對上方土體的擾動,螺旋機轉速控制在4.5 rpm/min左右，基本可以保持進土量與出土量的關系平衡，不至于產生多出土造成壓力波動大，也不會造成排土不及時形成土量積累難改良的情況發生(2236環～2246環掘進參數如圖3所示)。

d.TAC、泡沫與注漿。

隧道頂上部砂層含水量高，掘進時需要注入TAC高分子材料來凝合砂層水分防止噴涌，注入量應根據砂層厚度及含水量的多少來靈活調整。掘進2236環～2246環過程中注入量控制在3.5 m3左右便能滿足要求(2236環～2246環掘進參數見圖4)。掘進過程中還需要注入泡沫來建高土倉壓力，保證以土壓平衡模式來進行推進，同時可以改良渣土的和易性及流動性，便于渣土排出。盾構推進后就要進行同步注漿，保證管片與地層之間的空隙能夠及時得到填充，盡量減少上部土層的沉降量。注漿壓力控制在0.35 MPa，注漿應飽滿充填密實，注漿方量在8 m3左右，必要時還應進行二次注漿。

e.出土量控制。

控制出土量是控制地面沉降的主要方法之一。理論出土方量約為46.72 m3，根據以往經驗渣土切削脫落后實際松散方量在65 m3左右。出渣斗每個裝土方量為15 m3，掘進前要求每環出土量不能超過四斗，理論上每掘進375 mm出土一斗。掘進過程中如果低于330 mm～375 mm范圍內就出土一斗時，就要求減小螺旋機的速度及闡門開度來降低出土量。掘進2236環～2246環過程中渣土排出量全部控制在低于68 m3范圍內(2236環～2246環掘進參數見圖5)。

4 結語

根據施工現場地質條件復雜、地下管線密布且下穿建筑物、地下水位較淺的特點，我們采取一系列施工保護和監控措施，進行地面實時跟蹤及監測，加密布置樓房段監測點，并有針對性地對樓房敏感部位進行重點監測，派人24 h地面值班巡視，將地面供水、燃氣管線作為重點監控對象，并制定了相應的應急預案和救援措施，在監測數據的指導下進行詳盡的作業布置，順利按期完成施工任務，取得了明顯的社會經濟效果，確保了城市軌道的順利施工，避免了更多的施工糾紛。

[1]白廷輝，王秀志.特殊環境條件下的上海地鐵4號線修復工程綜述.上海市土木工程學會.2009.

[2]張慶賀，唐益群，楊林德.盾構進出洞注漿加固設計與施工技術研究.地下工程與隧道，1993(9)：23.

The construction control measures of shield machine under complex geological condition

Zhou Xingtao

(Xi’anRailwayEngineeringStaffUniversity,Xi’an710061,China)

Through the engineering application of shield machine in urban rail transit, this paper elaborated a series of parameters control, risk analysis and construction protection measures of shield machine, made the pile foundation building success through under complex geological conditions, achieved obvious social and economic effect, accumulated practical experience for similar engineering construction monitoring.

shield construction, complex geology, control measure, parameter control

1009-6825(2015)18-0102-02

2015-04-19

周興濤(1975- )，男，碩士，工程師

U455.4

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