地質狀況對地鐵隧道盾構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 號線三區間全長 3 044 m，采用 2 臺土壓平衡式盾構機施工。區間結構采用預制管片拼裝而成，預制管片內徑 5.4 m、外徑 6.0 m、壁厚 0.3 m、環寬 1.5 m。

區間主要穿越第 ? 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 ? 層粉質黏土，第 ? 層粗砂～礫砂，第 ? 層粉質黏土。隧道整體通過的地層以飽水砂層為主，自穩能力差，易坍塌，易突發涌水涌砂。

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。場區地下水主要類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。地下水穩定水位埋深 0.20 m～6.50 m，絕對標高 3.28 m～6.97 m。

2 盾構機選型

地鐵隧道盾構法施工具有以下特點：安全開挖，掘進速度快；盾構的推進、出土、拼裝襯砌等全過程可實現自動化作業，施工勞動強度低；不影響地面交通與設施，同時不影響地下管線等設施；穿越河道時不影響河道使用功能；施工中不受季節、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和經濟方面的優越性?；谏鲜鎏攸c，地鐵隧道盾構法施工具有廣泛的適用性和推廣價值。

本工程采用 2 臺盾構機施工，開挖直徑為 6 280 mm，專為復合地層設計生產。鑒于中粗砂層和硬巖地層的地質情況，確定設計兩種刀盤。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 不同地質狀況施工工藝應對措施

3.1 中粗砂地層盾構掘進應對措施

盾構穿越中粗砂層時，由于地質條件較差，且地下水位較高，砂層具有內黏聚力小、外摩擦角大、滲透系數高等特點，施工中極易發生突然涌水、大幅度地面沉陷現象，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掘進、掘進參數控制、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，項目監理機構要求施工單位采取以下施工技術措施。

（1）做好渣土改良，施工中對渣土采取流塑化改良。

（2）做好盾構掘進參數控制。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。在參數控制上，滿足2/3 倉或滿倉掘進，在建立好土倉壓力的基礎上，調節各項參數。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，同步注漿量應控制在理論空隙值的150%～200%，通過地面監測，及時進行二次注漿；或者在盾構掘進時同步，在盾尾 5 環以后進行二次注漿，注漿量由壓力控制，一般注漿壓力達到 0.6 MPa 即可。

3.2 上軟下硬地層盾構掘進應對措施

盾構穿越粉質黏土、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為基巖風化程度起伏面較大，軟硬不均。上軟下硬地層易發生噴涌、地面沉降、刀具磨損嚴重、換刀頻繁以及換到作業難度大等施工困難，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，項目監理機構要求施工單位采取以下施工技術措施。

（1）合理選擇刀具刀盤，采用六主梁刀盤，以提高施工功效。

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

（3）根據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）盾構掘進控制土倉壓力、出土量、推力、扭矩和推進速度等參數，采取加注膨潤土泥漿、優質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（4 路泡沫、膨脹率設置在 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～100 環邊緣刀磨損在5 mm～8 mm，因而設置每掘進 50 環～80 環檢查一次刀具。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。

該區段施工期間，出土正常 4.5 斗（76.5 m3），地面沉降穩定，但經常出現螺旋噴涌情況，分析地下水為基巖裂隙水為主，施工過程中將土倉內渣面高度控制在 2/3 位置，同時掘進過程中將空氣流量調節到 300 L/min～350 L/min，同時泡沫膨脹率設置在 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～100 L/環，每日掘進 2 環～3 環。掘進 20 環～30環，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。由于項目監理機構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

該區段施工為整個區間施工的控制難點，地面容易沉降。由于出土量控制容易出現壓倉現象，掘進參數跳動變化大，螺旋噴涌頻繁，刀具容易偏磨，更換刀具須帶壓換刀，區段位于始發區段和接收區段。某區間左線某環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。

某區間左線盾構拼裝完某環后，推進下一環過程中推力增大，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?？紤]渣土改良效果較差，對土倉內注入膨潤土漿液進行倉內渣土改良置換，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。換完刀后選用優質泡沫進行渣土改良、刀盤噴水 10 m3/環～12m3/環、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～80 L/環。地面沉降在規范允許范圍內。

一旦開倉換刀，必須評估后續掘進的磨損情況，能夠更換的刀具必須更換，邊緣刀磨損超過 5 mm，必須研究后續磨損余量，必要時應進行更換。渣土改良地層變換后必須經試驗確定，依據坍落度確定泡沫、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 區間盾構停機處理

5.1.1 概 況

某站施工期間受到管遷調流等外界因素的制約，導致區間段的施工進度無法滿足盾構的接收條件，左右線盾構機需在地質條件較好處停機，停機時間 2 個月。為確保盾構停機安全，需要在盾構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條件、地面周邊環境等因素，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 4 m、左右側各 3 m、下側 2 m 的范圍內。注漿孔開孔時，應詳細記錄孔位、孔深和每個鉆孔內的地下障礙物、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，春溝區間左右線盾構停機長達 2 個月，地表沉降參數均在正常范圍內，有效確保了盾構停機安全。

5.2 盾構接收風險處理

5.2.1 險情描述

某區間段右線盾構刀盤進入端頭旋噴樁加固區內，因受外部因素影響而要求暫停施工。待 3 d 后右線盾構開始恢復推進，其間盾構推力較大、速度較小且出現螺旋噴涌現象，造成盾尾出現大量水砂，險情發生，盾構隨即關閉艙門，停止掘進。

5.2.2 原因分析

通過打設地質探孔對現場地質條件進行勘察，核對地質勘察報告，調查現場管線，發現引起盾構機噴涌的主要原因如下。

（1）盾構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，進而造成盾構噴涌。

（3）前期地層加固質量未達到設計效果。

5.2.3 處理方案

根據險情產生原因，項目監理機構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；在接收洞門開設水平泄水孔2 個，進行輔助泄水；在盾構掘進期間，向土倉內注入高黏度膨潤土，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，某區間段右線盾構順利接收，地表沉降變形數據均在正?？煽胤秶鷥?。

6 監理控制要點與體會

6.1 嚴把專項方案審核關

在方案審核時，項目監理機構應根據盾構掘進線路周邊環境特點，要求施工單位對下穿河道、風險較大的管線、側穿重要的建（構）物等制定有針對性的安全技術措施，如本工程盾構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，距離拱頂不足 9 m，且為富水砂層，原設計無任何加固措施。為了確保施工時該橋的安全，項目監理機構多次建議建設單位采取加固處理措施，最后建設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，項目監理機構在制定方案時就要求施工單位將盾構機橫向、豎向偏差設定控制值為5 cm，當接近該值時，要求施工單位及時采取糾偏措施。由于控制值設置較合理，3 個盾構區間貫通測量偏差均小于規范規定的允許偏差。

6.2 嚴把施工組段劃分及掘進參數設置關

施工前項目監理機構應要求施工單位進行施工組段劃分及掘進參數設置，并報項目監理機構審查。施工中要求施工單位將組段劃分及掘進參數張貼在操作控制室，以確保盾構機操作人員適時掌握、控制和調整掘進參數。

6.3 嚴把設備選型和出廠驗收關

擬配置的盾構設備應與圖紙揭示的工程水文地質相匹配，設備選型不匹配將對施工造成不可逆轉的困擾。項目監理機構應根據盾構設備建造或選型方案組織建設單位、設計單位、施工單位和制造商共同對設備進行出廠前驗收，對驗收中發現的問題要在出廠前全部整改完成，嚴防設備帶問題出廠。

6.4 嚴把施工條件核查關

項目監理機構應在施工前審查確定施工單位提報的本工程設置的關鍵節點，并嚴格按審批的關鍵節點組織建設、施工、勘察、設計、監測等相關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 嚴把監控量測關

項目監理機構應監督施工單位監測部和受建設單位委托的第三方監測單位嚴格按批準的監測方案實施現場監測工作，項目監理機構應每天對監測數據進行收集、整理、分析，發現異常時應及時要求施工單位采取應對措施；達到預報警限值時，項目監理機構應馬上組織相關方召開專題會，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

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

6.7 嚴把始發和接收關

針對本工程地下水位較高，始發和接收階段易發生涌水涌泥問題，除設計要求始發和接收端采用高壓旋噴加固地層外，項目監理機構在方案審查時要求施工單位采用延伸鋼環始發和接收?，F場還要求施工單位在始發和接收端打設降水井，在洞門鋼環外結構側設置引水孔等現場施工措施，確保始發和接收安全。