泥巖地質盾構施工技術特點分析研究

王華志 高平 徐國梁

中交一公局第三工程有限公司 北京 101102

1 工程概況

本工程名稱為成都軌道交通30號線一期工程二工區（1分部），位于四川省成都市雙流區和高新區。主要施工內容為“三站三區間”，其中“三站”為大同站（原順風村站）、石羊站、新園大道站（原慶云村站），“三區間”分別為大同站～石羊站盾構區間、石羊站～新園大道站盾構區間、新園大道站～市一醫院站盾構區間。大同站～石羊站盾構區間隧道全程均采用盾構法施工，區間隧道隧頂最大埋深約30.938m,最小埋深約12.212m,洞身主要位于中風化泥巖地層，近大同站（順風村站）局部地段位于泥巖與卵石土復合地層[1]。

2 泥巖地質盾構施工技術特點

2.1 土壓平衡盾構推進

在泥巖地層中推進的盾構主要問題有：（1）盾構在進入泥巖后，盾構機的推進速度和刀盤扭矩大幅下降，刀盤的磨損量急劇增大，嚴重時刀盤已無法正常工作；（2）在盾構推進過程中，由于泥巖的強度低、易變形且具有可塑態，容易發生刀具結泥餅現象，導致掘進速度下降；（3）在盾構推進過程中，泥巖中的水和空氣會產生膨脹作用，形成土倉內的泥漿和泡沫混合物，容易發生噴涌現象。

針對上述問題采取的措施有：（1）增加盾構機的推進速度和刀盤扭矩，通過對盾構機頭的改造使其具有較高的刀盤轉速、扭矩和較高的土倉壓力；（2）在盾構推進過程中通過控制泥水倉內壓力及土倉壓力來控制地表沉降。

2.2 泥水處理

泥巖中粘土含量高，在掘進過程中會產生大量的泥水，由于泥水中含有一定的粘土成分，在進入土倉前需要進行除砂處理，才能進入土倉內。盾構推進過程中，泥水處理系統主要通過以下幾種方式：

（1）離心機：離心機是一種用于分離泥水的設備，其核心部件是轉子，轉子由電機驅動，通過減速器將動力傳送至轉筒；轉筒內有一定直徑的圓柱形轉子，在離心力的作用下可以將泥水從泥漿中分離出來。

（2）沉淀池：沉淀池是在離心機上建造的一個相對封閉的容器，它可將泥漿中的部分固體物質沉淀下來。沉淀池可分為單層和雙層兩種類型，單層一般用于泥水混合物的分離。

（3）吸泥機：吸泥機是一種將隧道施工過程中產生的泥漿進行回收的設備，當泥漿進入吸泥機時，吸泥機通過壓縮空氣的作用，將泥漿中的固體物質和液體部分進行分離。

（4）泥漿泵：泥漿泵是一種將泥漿泵到泥水分離系統中的設備，它由電機驅動，通過減速器帶動主軸轉動，主軸帶動葉輪轉動，葉輪產生離心力，將泥漿中的固體顆粒甩向四周；同時在離心力的作用下，被甩向四周的泥漿流至泥水分離系統中進行沉淀處理。

2.3 同步注漿

盾構隧道掘進時，需在掘進過程中始終保持同步注漿，其目的是注漿壓力的均勻穩定和防止地面沉降。同步注漿對隧道的滲漏、管片的變形、地層的穩定起到至關重要的作用。因此，同步注漿在盾構施工中顯得尤為重要。

泥巖地層在盾構掘進過程中，由于地下水滲透和泥水壓力等因素，會導致地層不均勻沉降。泥巖地層最常見的滲漏形式為管片接頭處滲漏，主要原因是土倉壓力過低導致漿液通過管片接縫流出導致的；管片接縫滲漏主要原因是施工過程中漿液壓力不均勻引起的；隧道內地面沉降是由于盾構推進時地面建筑物、管線及地面交通等發生不均勻沉降引起的[2]。

3 泥巖地質盾構施工技術應用

3.1 泥巖地層盾構掘進主要參數

盾構施工的關鍵是掘進參數的合理選擇。通過對掘進參數進行總結。在實際掘進施工中，按推力、推進速度和出土量的相互關系，合理控制推進速度，保證土壓倉壓力和開挖面水土壓力平衡，以及盾構機的各項工作狀態參數等動態地調整優化。土倉壓力通過采取設定掘進速度與調整排土量、設定排土量與調整掘進速度兩種方法建立，并應維持切削土量與排土量的平衡，以使土倉內的壓力穩定平衡。盾構機的掘進速度主要通過調整盾構推進力、轉速（扭矩）來控制，排土量則主要通過調整螺旋輸送機的轉速來調節。風險源下穿段掘進時，盡量減小盾構機的糾偏，嚴禁姿態猛調，造成土體超挖。

表1 穿越風險源參數控制范圍表

3.1.1 掘進速度控制

當盾構機刀盤里程抵達各風險源10m時，逐步減小盾構機推力，適當降低掘進速度，掘進速度控制在40-60mm/min，盡量保持速度均勻。

3.1.2 合理設置土壓力

在盾構推進的過程中，總結參數、穿越段埋深、地下水情況、監測數據、出土情況等及時調整土壓力值，科學合理的設置土壓力值及相宜的推進速度等參數。

3.1.3 推力、扭矩控制

當盾構機穿越各級風險源時，控制推進油缸總推力在1000～1800t，刀盤轉速控制在1.0-1.2r/min，通過適當的減小推力及刀盤轉速，減小對地層的擾動。

3.1.4 渣土改良控制

適當調整加入的泡沫劑參數，改良渣土特性，保持渣土的良好流動性和一定的內聚力。結合施工經驗，一般下穿含水豐富地層時，泡沫性狀應調干燥，以有效阻水。穿越科華南路市政下穿隧道期間泡沫濃度設置為2%～3%，發泡率設置為8～10，空氣注入率控制在80L/min左右。掘進時刀盤扭矩控制在2000～4000KN.m。

3.2 盾構穿越風險源施工技術

3.2.1 穿越專項設計

（1）盾構通過前對盾構機進行檢査、維修、盡量不停機通過。

（2）嚴格控制盾構掘進參數、利用中盾注漿孔完成中盾注漿、中盾注漿段落起止里程為ZDK18+222.000+337.00（YDK18+219.000～341.000）。

（3）盾構通過后及時同步注漿、并注意控制同步注漿的量與壓力。必要時重復二次注漿、保證管片壁后間隙填充炮滿。

（4）盾構施工過程中、進行系統、全面的監控測量、實行信息化施工。

（5）根據掘進過程中的監測情況、及時完成跟蹤注漿。

（6）應及時進行洞內注漿、洞內注漿段落起止里程為ZDK18+222.000+337.000（YDK18+219.000～341.000）。

3.2.2 中盾注漿方案

根據設計要求，盾構機在ZDK18+222.000+337.00（YDK18+219.000～341.000）里程處進行中盾注漿。盾構區間在穿越風險源時，盾構機掘進通過后對地層的擾動較大，為密實盾構施工區域刀盤前上方土體，盡可能減小土體透水性，使其形成半圓形密閉殼體，大大提高盾構刀盤前上方土體整體穩定性、穿越風險源過程中結構穩定性及避免地層應力損失造成地面沉降，利用盾構機同步注漿管路通過盾體（中盾）位置超前注漿孔進行同步注入塑性或惰性漿液，及時補充地層損失，以此減少對周邊土體擾動，及時、有效填充盾構施工的建筑孔隙[3]。

3.2.3 洞內徑向注漿施工

（1）施工方法

在盾構穿越風險源區域按照設計要求拼裝多孔管片，填充注漿利用增設注漿孔對設計要求的隧道徑向深度3m范圍內進行注漿加固；注漿設備采用3臺KBY90/15-22常規二次注漿泵。

（2）徑向注漿施工操作平臺設置

在盾構機拼裝機與連接橋連接位置，工搭設2m寬鉆孔施工平臺，在管片通過該位置時候進行洞內徑向注漿。

（3）鋼花管的制作

鋼花管采用Ф42*2.5mm鋼管加工而成，單根長度1m，分三節打入，管節之間采用絲扣連接。管壁設置梅花形出漿孔，間距150mm，直徑5mm，考慮管片結構厚度300mm以及同步注漿厚度，注漿管前端采取砸扁貼合、磨尖處理。

圖1 鋼花管制作示意圖

（4）注漿壓力控制

考慮管片強度為C50，為避免注漿壓力過大造成管片破損、開裂現象，注漿壓力不大于0.3MPa。

（5）鉆孔

開孔時按照輕加壓、速度慢、給水要多的操作要點施工。鉆孔時，嚴格做好鉆孔記錄：孔號、進尺、起止時間。施鉆過程中，單孔出水量小于0.5L/s，繼續施鉆；單孔出水量大于0.5L/s，立即停鉆進行注漿。

注漿過程中需對地表及建筑物抬升情況進行監測，及時調整注漿壓力，防止注漿壓力過大導致地表隆起對建筑物造成損害。注漿參數根據現場試驗情況、監測情況進行調整。

（6）注漿停止標準

注漿壓力達到設計終壓，且注漿量達到設計流量的80%以上，可結束單孔注漿；

注漿壓力未達到設計終壓，但注漿量已達到設計注漿量的1.5倍，且無漏漿現象，可結束單孔注漿。

（7）封孔

封孔之前先試打開球閥，如漿液已經凝固且無滲漏水現象，則拆除球閥，割除露在管片外面的鋼花管，擰緊孔蓋.

3.2.4 注漿過程中異常情況處理

（1）溢漿

注漿過程中要認真觀察螺旋機出土情況，由于地層密實度不均勻，存在間隙，漿液可能竄到掌子面，此時需采取間歇式注漿，以保證漿液有效的注入樁基周圍。

（2）注漿壓力變化

注漿過程中，壓力要在控制范圍之中，過大或過小的注漿壓力都不能滿足施工需要，如果壓力過低應該檢查是否有漏漿之處，壓力過高檢查是否管路或混合器被堵塞。施工時需要觀察好注漿終壓不能高于規定的注漿壓力值。

（3）膠凝時間變化

膠凝時間需要根據被加固土體的性質來調整。地層含水量大時，漿液容易被地下水稀釋，影響固結效果，需要縮短膠凝時間；含水量少，為了擴散一定范圍，需要延長膠凝時間。膠凝時間由雙液漿的混合比例來控制，現場根據地質情況進行調整[4]。

3.3 泥巖地層盾構掘進監控量測

3.3.1 地表沉降

管片結構沉降監測點、凈空收斂測點應盡量布置在同一斷面上，縱向間距30m，并盡量與地表沉降大斷面監測點相對應。特殊地段的位置監測斷面加密10m。如：在盾構始發與接收段、聯絡通道附近、左右線交疊或鄰近段、小半徑曲線段等區段應加設監測斷面；存在地層偏壓力、圍巖軟硬不均、地下水位較高等地質條件復雜區段應加設監測斷面；下穿或鄰近重要建（構）筑物、地下管線、河流湖泊等周邊環境條件復雜區段應加設監測斷面。

3.3.2 管片變形

（1）管片破損、開裂、錯臺情況。當盾構在掘進過程中，由于盾構機自身的缺陷或人為原因造成管片破損、開裂、錯臺時，會導致管片在隧道內產生滑動，導致隧道變形。

在施工過程中，主要有以下幾種原因引起管片破損：第一，盾構機自身的缺陷。如管片拼裝時出現嚴重的錯臺或破損，或盾構機在掘進過程中由于刀盤、刀具等原因造成管片嚴重的損傷；第二，隧道內水壓過高。泥巖地層中由于本身的水壓較高，導致盾構在掘進過程中容易出現嚴重的滲漏情況，導致管片受到擠壓；第三，隧道內施工環境復雜。如在隧道內施工過程中，經常發生大量泥漿及水泥漿，由于泥漿的滲透作用和水泥漿的凝固作用，導致管片與土體之間存在縫隙。

（2）管片滲漏水情況。在泥巖地層中，由于管片之間存在一定的空隙，如果在掘進過程中，管片發生破損，且在盾構機刀盤和千斤頂的推力作用下，管片產生嚴重的變形，會導致隧道滲漏水。對此，需采取以下措施：第一，控制盾構機掘進速度，根據泥巖地質情況及時調整盾構機掘進速度；第二，在盾構掘進過程中，應注意管片的拼裝質量，尤其是在隧道內注漿時應嚴格控制注漿壓力和注漿量；第三，如發現管片有滲漏水情況時，應及時進行注漿處理[5]。

4 結束語

總而言之，在泥巖地層中盾構施工時，應該充分認識到盾構施工存在的問題，并從盾構選型、掘進參數、泥巖加固處理及施工質量控制等方面進行分析，以保證盾構在泥巖地層中順利掘進。文章結合成都軌道交通30號線一期工程土建二工區（1分部）泥巖地質盾構施工實例，對其技術特點進行了總結和分析，主要包括盾構選型、掘進參數、泥巖加固處理及施工質量控制等方面內容，旨在為類似地質條件下盾構施工提供一定的借鑒和參考。