盾构施工不同地层难点分析及控制

许良海

中铁二十五局深圳地铁 16号线二期三工区项目部 广东 深圳 518100

摘要：随着城市发展，地铁使人们在城市交通出行方面感受到生活质量的提高和便捷。充分利用城市地下空间，缓解因时间集中、客流量较大的城市交通问题。地铁的发展已经不在是一线城市的专属，目前很多二线城市都在建设地铁，而修建地铁隧道目前国内基本采用盾构法施工，盾构施工中由于地层及隧道上方周边环境的不同所带来的施工难点也各有不同。本论文基于土压平衡盾构机在广州、佛山、深圳、杭州、宁波、南通、南京等地面对不同地层环境和建筑物时如何做出不同的风险点控制和制定不同施工方案做出详细的分析。

关键词：盾构施工； 地铁； 盾构机；参数控制

1盾构施工地层、环境简介

一般地铁建设盾构施工中所遇到的地层大致可分为回填土、黏土层、砂层、淤泥层、岩层五大类。而隧道上方地面周边环境也各不相同，如隧道上方有房屋、管线、铁路、公路、桥梁、江河等。不同的地层和地表环境对盾构施工带来的要求也各有不同，通常一条隧道会遇到很多种地层和建筑物，随着地层的变化和地表环境的变化需要做出不同的施工方案和风险点控制。

2盾构推进各地层难点及注意要点

2.1回填土的难点及要点分析

回填土地层难点一般是隧道埋深较浅，地层稳定性不强。推进回填土地层时需要注意的是控制好盾构姿态不要栽头，改良好渣土使出土顺畅达到土压平衡的状态掘进^[1]。控制好土压，如果土压过高会导致地表隆起，长期高土压推进也会造成土仓内结泥饼、推进速度变慢、出土量增多等恶性循环。若是土压过低则可能造成地面塌方等严重后果。应当根据每天的测量数据来设定合适的土仓压力^[2]。调整泡沫的发泡率配合土仓加水的比例使渣土改良达到最佳效果，推进过程中时刻关注出土情况，通过数据反馈提前作出参数调整。同时注意控制土仓压力不易过高，一般回填土地层掘进盾构机埋深都相对较浅，土仓压力过高会造成地面隆起或和地面形成通道冒气和泡沫。区间线路上方有建筑物或管线的需要提前进行加固，避免盾构机通过时对建构筑物产生影响。

2.2黏土层的难点及注意事项

黏土层难点主要在于渣土改良。推进黏土层时需要注意的是提前改良渣土，运用好泡沫系统和土仓加水系统通过观察刀盘扭矩及螺旋机扭矩提前做好土仓内渣土改良使出土顺畅。如果等到发现出土很干时很可能造成出土口下方黏土堆积皮带运送不走，如果发现出土喷水时很可能造成喷涌等出土不畅的现象从而使推进速度变慢，长期渣土改良效果不好还会造成刀盘结泥饼等严重后果^[3]。解决渣土改良问题使出土顺畅，让土仓不用挤压沉淀过多淤泥能够顺利置换渣土。粘土地层掘进刀盘可以安装齿刀来增加刀盘的开口率，从而减小泥饼形成的机率。

刀盘结泥饼处理方法：粘土层土质较粘，如果渣土改良效果不好土仓温度较高很容易使刀盘结泥饼^[4]。如果是初级阶段通过观察推进参数发现异常可以尝试使用分散性泡沫或者分散剂注入土仓，浸泡一定时间后高速转动刀盘，使初形成的泥饼被分散开。若是泥饼形成较久且占据刀盘大部分空间，这种情况时用分散剂基本没有什么效果，只能建议选择相对稳定地层常压开仓或带压开仓人工清理。

2.3砂层的难点及注意要点

推进砂层的难点主要在于对地面及周边建筑物沉降、隆起的控制。推进砂层时需要注意的是控制好出土量，避免因出土过多造成地面沉降，或出土过少土压过高造成地面隆起^[5]。除土压控制好以外还要控制好刀盘转速，如粉细砂层地质并不坚硬所以选择刀盘转速时尽量降低刀盘转速，使刀盘对周边扰动尽量降到最小，避免地表塌方。

由于砂层稳定性差尤其粉细砂遇水流动性很大，所以盾构机的密封性一定要好，选用质量好的盾尾刷和好的盾尾油脂格外重要，盾构机进洞前首次涂抹的油脂一定要涂抹充分，掘进过程中注意控制盾构姿态和管片间隙避免急纠，每环的油脂用量要充足，注意注浆压力的控制，避免压力过大击穿盾尾刷，通过这些措施来保护盾尾刷的密封性。其次螺旋机选用双闸门控制避免喷涌现象，并配备蓄能器，在紧急断电的时候可以使用蓄能器将闸门及时关闭。

砂卵石地层中掘进主要难点表现在地层不稳定、反应速度快、容易发生塌陷，且土仓压力及刀盘扭矩数值显示不准确，螺旋机出土会较为困难，刀具磨损相对较快。相应措施：使用粘性合适的泥浆和气泡加入土仓使卵石不易沉淀，减少刀具磨损，泥浆形成泥膜稳定土压。

2.4淤泥层及注意要点

推进淤泥层的难点主要在于盾构姿态控制、管片错台问题。由于淤泥层地层较软，推进淤泥地层时要让盾构姿态保持抬头趋势掘进防止盾构机出现栽头现象^[6]。出土量一定要和推进速度成比例，多出土会造成超挖，少出土会挤压周边地层可能造成地表隆起。管片螺栓要及时复紧，注浆量要达到设计要求，注浆量饱满才能固定住管片使之不易上浮造成错台、破损。管片上浮严重时可选择在管片顶部进行双液注浆减小上浮量^[7]

。盾构姿态发生一直上浮时可在盾体内放置重物控制上浮，再通过油缸分区油压来调整盾构姿态的趋势。

2.5岩层及要点控制

岩层的特点可大致分为两点：强度较硬、裂隙发达含水丰富。岩层分为多种岩，由微风化到强风化，强度有硬到坚硬，有30Mpar到130Mpar等各种岩石地层。难点在于刀具磨损较快、地下水丰富使推进过程中螺旋机出土困难。

推进岩层时要适当加快刀盘转速使刀具贯入度减小，刀盘扭矩控制在3.0Mpar/Nm以内可以有效保护刀具。通过观察掘进参数的变化来分析判断是否需要更换刀具。然而刀具的选择也尤其重要，可根据不同地层的强度选择相对应扭矩的刀具。需要常压开仓换刀前要备好开仓工具、应急物资、开仓方案、工人技术交底，待选定叫稳定的地层位置后停机封环阻挡后方来水。开仓注意事项：封环完成后土仓出土至三分之一停机观察土压情况。若无上涨趋势则可以继续出土至土仓出空，置换土仓气体、气体检测正常后打开仓门底部观察孔球阀观察是否有水流出，若无水流出可打开仓门继续置换气体、仓内照明要求安全电压，观察掌子面及后方有无来水、掌子面稳定后方无来水符合换刀条件后开始清洗刀盘、测量刀具、确定更换刀具后开始拆除更换。为防止突发情况，更换刀具时按照拆一把装一把的原则进行更换，不允许先全部拆除后再统一安装。

在地层稳定性不是很好且又急需开仓换刀的地层时我们需要考虑带压换刀。带压换刀注意事项：注浆封环、径向孔注高浓度膨润土、土仓建立泥膜、保压系统调试、带压人员体检及证件审核、医护人员现场就位、备用空压机、应急物资、设专人仓门看守、通讯工具等。

在隧道排水的问题上，有些岩层地下水特别丰富，如广州地铁7号线的过江隧道。遇到这种地层首先需要配备多台排水泵及管路，万一有损坏的水泵可以及时更换上。由于隧道处于江底下方，地层较硬且含水量很大给推进带来很大的困扰，需要注意及时进行二次注浆封环，阻挡后方来水。过江隧道对盾构机的密封性要求较高，无论是主轴承密封还是铰接密封和盾尾的密封以及保压系统都要达到压力测试标准和相关要求，准备充足的盾构机配件，提前保养好设备，在过江期间使盾构机快速通过来减小各种风险。

2 盾构测量监测控制

2.1地表沉降、隆起

回填土、淤泥层、砂层、黏土层这些地层由于自稳性不强，地表容易发生沉降或隆起，如何有效控制沉降、隆起，保护好地面建筑物等成为施工难点之一。测量点位布置、监测频率等是控制地面沉降、隆起的有效依据，根据每次的监测数据情况来调整推进参数和注浆量（同步注浆或二次注浆），从而达到稳定平衡的模式。

同步注浆及二次注浆对稳定管片和控制地面沉降有着直接的联系，目的都是为了填满多余的开挖量，一般在地层含水量较大的地段会选择同步加二次注浆，地层含水量过大会稀释同步浆液而二次注浆采用的是水泥、水玻璃混合后快速凝固效果，能有效填充管片外部空隙和阻挡后方隧道外部来水，使螺旋机出土顺畅减少喷涌的情况，保持土压平稳无太大波动对控制地面沉降有着很大的作用。

2.2管片姿态和盾构姿态控制

管片姿态是指管片的水平、垂直走向与隧道设计轴线的偏差值。影响管片姿态的主要因素有：管片拼装质量、盾构姿态、管片选型、注浆量、隧道外部压力（水压、气压、土压）。

管片姿态走向跟随盾构姿态走向，所以想要控制管片姿态必须控制好盾构姿态。其次做好管片选型，通过每环管片的限行量调整管片走向趋势，在拼装过程中本环管片与上环管片对接面的平整度及螺栓复紧直接影响下一环管片姿态，等管片拖出盾尾后如果注浆量不饱满而隧道外部水量较大则会出现管片上浮现象。注浆量不饱满的情况下还会导致管片外部摩擦力较小，跟随油缸随着盾构机滚动角的变化而变化，现象表现为管片点位偏移，走道板高度变化，刀盘滚动角变化较快，一般出现这些现象就需要通过注浆来固定管片，若同步注浆不能满足可采用双液注浆的形式对管片进行封环。注浆封环时注意注浆压力控制，一般不宜大于4bar，若发现管片异响、出现裂纹等异常情况应及时停止注浆。

3结束语

盾构施工在我国正处于一个比较热门的阶段，我单位盾构项目也较多。通过认真总结多年施工现场经验并参考多方面资料，编写此文章，并在多个工地推广学习，学习过的技术人员已经对各种地层中需要关注把控的地方熟练掌握。目前施工过程中地面沉降、隆起等现象已经得到很好的控制。如深圳地铁管廊项目下穿马路、燃气管线等均无事故发生全部安全通过。当然，此论文仅凭借广州地铁、佛山地铁、深圳地铁、南通地铁等多个项目总结而出的经验，其中可能很多部分还有待完善。希望通过在经后的工作中努力学习总结，能够精益求精更上一层楼。

参考文献：

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[4]朱海军,周明洋．富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾构机喷涌控制技术[J].建筑施工，2020,40(01):100-102.

[5]张家硕．地铁施工风险源分析及关键控制技术[J]．建材与装饰,2020（06)：270-271.

[6]李福川．盾构技术在城市地铁施工中的应用[J].交通世界,2020(Z2):270-271.

[7]吴自升．地铁施工中防水堵漏技术的应用分析[J]．价值工程,2020,37(10)：229-230.

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