在復合地層進行地鐵隧道盾構施工的控制技術研究

張立宗

摘要：詳細闡述了在復合地層進行地鐵隧道盾構施工在盾構機掘進控制措施、盾構機卡盾和地表漏氣控制措施、注漿加固成環管片、盾構機選型、觀測和監測控制等方面的控制技術，通過工程實例驗證了該控制技術滿足了施工控制需求，達到了課題研究目的。

關鍵詞：復合地層；地鐵隧道；盾構施工；控制技術

0? ?引言

盾構機在地鐵隧道掘進過程中遇到復合地層時，容易引起地層擾動，造成出渣超方問題[1]。當地面沉降過大時，會增加坍塌事故出現的頻率，很難保證盾構機的安全順利掘進。根據復合地層的特點，應選擇型號適宜的盾構機、配置功能適用的刀盤，并對盾構機各項參數進行控制，并選擇出最合理的掘進參數[2]。

在復合地層中進行盾構施工，盾構機的掘進速度與地層阻力、摩擦力等指標有關[3]。由于地層摩擦阻力較大，刀盤刀具磨損增加，影響盾構機的機械性能。在硬巖地層掘進過程中，要實時監測刀盤受力狀態與磨損情況，避免刀盤滿載運行[4]?；谝陨蠁栴}，本文研究了復合地層地鐵隧道盾構施工控制技術這一課題。

1? ?復合地層盾構施工控制技術設計

1.1? ?盾構機掘進控制措施

1.1.1? ?正常與異常掘進參數

復合地層是兩種及以上不同地層組成的地層。盾構機穿越復合地層時，隧道內部和地表建筑的風險不斷提高，控制盾構機的推進參數尤為重要。盾構機在直徑為6～7m的隧道進行掘進施工時，其刀盤配置的滾刀數量一般為39～46把。

盾構機的正常掘進參數如下：刀盤轉速在1.8～2.2r/min之間緩慢變動，扭矩在2000～2500kN·m之間緩慢變動，推進速度在8～15mm/min之間緩慢變動，出土量可控制在正常范圍之內。然而盾構機在復合地層的掘進參數會發生變化：刀盤轉速在1.8～2.2r/min之間大幅波動；扭矩在2500～3500kN·m之間大幅波動，但是推進速度卻在3～10mm/min之間緩慢掘進，容易造成地面沉降、塌陷等風險。

1.1.2? ?異常原因和控制措施

經分析，盾構機出現異常掘進參數的原因：刀具的磨損量過大；土體改良效果不佳，造成刀盤上結出泥餅；隨著刀盤的長時間運轉，導致土倉內壓力和溫度持續升高、泥餅出現燒結效應，導致盾構機掘進緩慢。其控制措施如下：

一是加強刀具檢查管理。每掘進3～5m，對刀具進行開倉檢查，發現磨損量大的刀具及時更換；選用耐磨性能好的刀具，增加其耐用性；適當增加邊緣滾刀的刀刃寬度。二是注重渣土改良工作。刀盤上結出泥餅后，可采用分散性泡沫劑對渣土進行改良，并根據渣土成分及時調整泡沫劑參數。通過旋轉的刀盤進行充分攪拌，達到渣土改良效果。

1.2? ?盾構機卡盾和地表漏氣控制措施

1.2.1? ?盾構機卡盾的原因和解決方法

盾構機在復合硬巖地層中掘進過程中，會發生卡盾現象，此時盾構機尾部的鉸接壓力增大?？ǘ芡ǔＳ?種情況，其原因和解決方法如下：

一是盾構機在圓曲線小半徑掘進時，邊緣滾刀磨損量過大且更換不及時，造成開挖直徑小于理論轉彎角度。解決方法：盾構機邊緣滾刀的磨損量不能按照直線段掘進時的磨損量來控制，此時邊緣滾刀的磨損量不能超過8mm。在特殊巖層掘進時，宜采用加大邊緣滾刀尺寸的方法，以保證盾構直徑尺寸。

二是盾構機長時間停機注漿，不慎造成盾構機外圍被包裹。解決方法：在注漿之前從分布在盾構機圓周的6個鉸接徑向孔均勻注入黏稠的膨潤土（鈉基），注入時保證土倉的壓力穩定，防止流入土倉內。在刀盤內加氣平衡，在盾尾后側第2環管片開孔泄壓，直至流出膨潤土。

1.2.2? ?地表漏氣的原因和解決方法

由于地層不穩定，在帶壓換刀時容易造成地表漏氣，無法正常帶壓進倉換刀，其解決方法如下：

一是注入泥膜。泥膜是膨潤土（鈉基）制作的，其制作質量極為關鍵。膨潤土（鈉基）的注入量應大于土倉內理論注入量的1.2～1.4倍，直至上部鉸接徑向孔打開、放出黏稠的膨潤土為止，以此起到泥膜的潤滑作用，預防盾尾被漿液包裹。

二是注入雙液漿。在刀盤面板上方2～3m位置的地面，垂直注入雙液漿（水泥：水玻璃為1：0.8），以加固刀盤上方土體。注入過程中刀盤要不間斷轉動，鉸接徑向孔定時注入膨潤土，防止刀盤及盾體被漿液包裹，并及時填充周邊土體的縫隙。雙漿液注入后3～5h進倉，從而保證帶壓進倉作業的安全。該方法處理時間短，效果顯著。

1.3? ?注漿加固成環管片

在復合地層進行盾構掘進時，注漿極為重要。將注漿加固分為同步注漿與二次注漿。在盾構機掘進過程中，在其尾翼形成縫隙時注入漿液。采用4根管路，同時均勻注入漿液，保證填充密實。在縫隙完全填滿尾翼之后，凝固時間控制在5～7h實現初凝，能夠防止地層變形、控制地層沉降。

當盾構機尾部離開成環管片6～8m后，及時對成環管片進行二次注漿，即注入雙液漿，起到快速固結管片、有效防范管片錯臺及漏水的作用。二次注漿時，要防止漿液串入土倉及盾體的周邊，防止漿液包裹盾體及刀盤。宜采用倉內增加氣壓的方法予以輔助，用氣壓阻止盾構機后方串漿，起到后方截水作用，預防掘進噴涌現象，提高盾構機掘進功效。

1.4? ?盾構機選型

根據復合地層的特點，選擇CTE6980型復合式土壓平衡盾構機。該盾構機的總質量為580t，盾構直徑為6.95m，主機長度為9.21m，盾尾間隙為75mm，水平轉彎半徑為250mm，刀盤開挖直徑為6980mm，盾體直徑為6950mm，刀盤轉速為1～3.7r/min，最大扭矩為6000kN·m，最大工作壓力為450kPa。

根據該型盾構機性能參數，選擇合適的注漿材料。注漿材料起到加固成環管片和防止滲漏的作用。為此，本文選擇流動性強的注漿材料，使漿液能夠填充到微小的孔隙中。理論注漿體積計算公式為：

（1）

式（1）中：P為理論注漿體積；l為盾構機的推進距離；F為盾構機外徑；d為管片外徑。參照理論注漿體積P，控制實際注漿體積。盾構機的推進距離的計算公式為：

l=Vt? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式（2）中：V為盾構機的推進速度，t為盾構機的推進時間。根據不同地層的厚度、特性、隧道埋深、盾構尺寸、注漿壓力分布形式等方面，將注漿壓力設定為1.1～1.5倍土層的水土壓力，以控制管片變形問題。

1.5? ?觀測和監測控制

1.5.1? ?地表沉降觀測

該盾構施工需按觀測控制要求，在施工現場地表布設觀測點，對地層沉降情況進行觀測控制。地層沉降觀測標志以鉆孔的形式埋設，穿透路面結構層，在測點加設保護蓋板，做出清晰標記，避免觀測點在施工時丟失。地表沉降觀測點的結構如圖1所示。

1.5.2? ?深層土體觀測

觀測點的布設考慮到了地下管線與周邊建筑物相對應的位置關系。管線觀測點以套筒式安裝，在待觀測的管線相鄰位置鉆Ф120mm的孔，孔內放置長鋼筋做觀測桿。

當盾構機臨近風險較大的建筑物前，為了提高地表及地表下方土體觀測數據的準確性和及時性，增加布置深層觀測點。其深度距離隧道拱頂6～8m，水平間距8～10m沿線路方向布置。其主要作用是可以第一時間觀測到地表下方土體的穩定性，滿足盾構施工下穿風險源觀測需求。若觀測數據出現異?？梢约皶r有效的采取措施，保證周邊建筑物的安全穩定。

1.5.3? ?隧道內部監測

地鐵隧道內的監測包括管片結構豎向位移、管片結構凈空收斂等方面，并選用Trimble DINI電子精密水準儀進行現場監測，再使用全站儀對施工高程進行監測。從各項監測設備、各個監測點獲取盾構施工過程中的沉降變形情況，并確定變形控制指標。只有實際變形值或沉降值滿足控制指標需求，才能保證本次施工質量。

2? ?實例分析

2.1? ?工程概況

為了驗證本文設計的復合地層地鐵隧道盾構施工控制技術是否滿足復合地層地鐵隧道盾構施工需求，以東莞市城市軌道交通1號線一期第16區間地鐵隧道工程為例，對該技術的應用進行實例分析。

第16區間地鐵隧道工程位于松山湖站至大朗西站，其隧道右線起始施工里程為CK42+630.645，終點里程為CK45+347.873，總長度為2717.228m；其隧道左線里程比右線稍短，約為2715m。復合地層地鐵隧道線的間距為8～35m，隧道線間距不均勻。隧道基底標高為-16.29m，基底埋深約為15～29m，根據地層實際情況，增加或減少埋深。采用CTE6980型復合式土壓平衡盾構機進行該地鐵隧道施工。

2.2? ?應用結果

將本文設計的復合地層地鐵隧道盾構施工控制技術，應用于第16區間地鐵隧道工程盾構施工過程中，從管片結構、地層變化、現場巡查等方面進行施工控制。變形控制值以變形累積絕對值、變化速率控制值為主。該地鐵隧道盾構施工控制技術應用結果如表1所示。

表1中：D為地鐵隧道開挖直徑，≤0.2%D表示管片結構凈空的收斂值控制在0.2%的地鐵隧道開挖直徑以內；L為兩個監測點的間距，0.002%L表示地層變化中地基傾斜變形累積絕對值控制在0.002%測點間距之內。

本文從管片結構、地層變化、現場巡查等方面，對地鐵盾構施工技術進行控制。以變形控制為主要目的，設定變形控制指標。若實際變形指標在設計變形控制指標范圍之內，即可達到施工控制效果。

由表1可知，使用本文設計的控制方法之后，管片豎向位移、凈空收斂、地表沉降、地下管線、地基豎向位移、地基傾斜、管片變形等方面，實際變形均滿足了變形控制需求，管片結構未出現明顯變形，無裂縫和斷裂，滿足了施工控制需求，達到了本文研究目的。

3? ?結束語

在地鐵施工建設過程中，大都采用盾構施工方式。盾構機在復合地層中進行地鐵隧道盾構施工，其負荷大、風險高、進度慢、成本高，且質量無法保證。為此本文研究了復合地層地鐵盾構施工控制技術這一課題，提出了控制措施，進行了驗證分析，取得了理想效果，為促進在復合地層條件下進行地鐵盾構施工的安全和質量提供了參考。

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