盾构在复合地层施工风险防控

盾构在复合地层施工风险防控

 朱红华,刘新国

南京地铁建设有限责任公司    上海同济工程项目管理咨询有限公司

摘要：本文通过分析某在建地铁盾构区间工程在复合地层盾构机掘进施工过程中采取的措施及相关注意事项，为同行在复合地层盾构掘进施工提供一些可借鉴的经验。

关键词：盾构机 复合地层 施工技术

1 工程概况

该在建地铁盾构区间右线起止点里程为:上CK52+790.872～CK54+999.279,短链5.957m,全长2202.420m;左线起止点里程为:下CK52+790.872～下CK54+999.279,短链27.438m,全长2180.940m。区间设置2座联络通道，1座联络通道兼泵站。区间穿越地层主要为T1s-3中风化灰岩、T1s-3c中风化灰岩、④-3b1粉质黏土、②-3b3粉质黏土、J1-2xn-2b强风化泥质粉砂岩、J1-2xn-3b中等风化泥质粉砂岩、J1-2xn-2c强风化细砂岩、J1-2xn-3c中等风化细砂岩、δ-2强风化闪长岩、δ-3中风化闪长岩。区间拱顶埋深9.4～32.3米。

本盾构区间沿线地下水类型主要为孔隙潜水、承压水、基岩裂隙水及岩溶水；基岩裂隙发育不规律，裂隙连通性差，基岩水量变化较大，地下水位差异大，勘察期间测得水位19.82～21.66m，埋深3.50～7.40m，最小埋深19.75m，呈不连续分布。平面最小曲线半径400m，最大纵坡为22‰。

2盾构机选型

盾构机选型采用复合刀盘和滚刀配置，刀盘为六主梁六副梁结构，共配置35把单刃滚刀，6把双联滚刀，刀盘刀具参数如下：

刀盘及刀具

结构形式：复合式

开挖直径：6470mm

开口率：34%

中心双联滚刀：6把（刀高187.7mm，刃宽19.3mm，刀间距90mm）

正面单刃滚刀：23把（刀高187.7mm，刃宽19.3mm，刀间距75mm）

边缘单刃滚刀：12把（刀高187.7mm，刃宽19.3mm，刀间距12～65mm）

刮刀：43把（刀高140mm）

边缘刮刀：12对（刀高140mm）

超挖刀：1把（超挖量40mm）

泡沫喷嘴：8路

3盾构在复合地层掘进施工注意事项

复合地层是由两种或两种以上不同地层组成，且工程地质和水文地质等特征相差悬殊的地层组合。复合地层在水平方向、垂直方向地质特征都有变化，并且在上软下硬地层中夹杂裂隙水的可能性很大。上软下硬全断面岩石地层盾构机刀盘破岩冲击力比较大，且其受挤压之后变得密实，增加盾构机载荷，影响盾构机正常掘进，盾构机掘进姿态易产生偏移。盾构机穿越之后，下部土体较硬且浆液渗透率较小，管片受到的浮力较大，后期易造成管片上浮。盾构螺旋机在裂隙水量丰富、土体渗透率高地层掘进时易发生喷涌，盾构盾尾受水压力的作用，易发生盾尾漏水、漏浆现象，故而引起开挖面失稳及地表下沉，在上软下硬地层，盾构机掘进速度较慢，盾构穿越后，盾构掘进造成土体扰动致使隧道周围的土体不稳定，易发生塌陷。

3.1盾构在复合地层掘进施工前控制要点

1）按地勘、设计文件（图纸、交底、答疑、图纸会审等）全面掌握隧道沿线（含影响范围）地质构造及地层性能参数；明确软土、岩石分界面与盾构隧道断面的相对位置关系；对勘察遗漏、地质病害、勘察意见和建议应采取措施进行闭合。

2）对复合地层盾构隧道影响范围内（2倍隧道埋深）周边建（构）物、管线、河道、高架、铁路等现状进行现场调查核查，留存必要的影像资料，必要时进行预加固处理；对路面地基状况进行扫描探测，发现空洞、软流塑地层进行预处理。

3）根据地质条件和周边环境保护要求，科学合理盾构机选型，（功率按岩层盾构机，中心开口率40%左右，适当配置滚刀，且刀盘外缘部分加强，考虑盾构机重心位置，克服盾构重心前移带来的栽头现象，土仓及刀盘面壁设置高压水喷嘴和充足的外加剂注入系统，防止刀盘“结泥饼”现象发生，注浆功率加强，设置壳体径向注浆装置，螺旋机采用双闸门设置、配置超前注浆系统等）。

4）编制专项施工方案

（1）编制复合地层盾构掘进方案、非正常停机专项施工方案、连续匀速掘进保障方案、复合地层盾构掘进应急预案。

复合地层盾构掘进方案，重点做好：

（1）根据地层性质、地上环境状况、类似工程经验，通过试验段进行优化微调，合理确定土仓压力、注浆压力、推进速度、推力、扭矩设计；

（2）合理确定出渣量，杜绝超挖，通过车斗测量和门吊称重严格控制出渣量；

（3）根据软土性质和基岩裂隙水状况，选择合理的高聚物渣土改良剂，以出渣塌落度180mm左右验证改良效果；

（4）同步注浆以注浆压力和注浆量双指标控制，二次注浆以注浆压力控制，并及时扫描管片壁厚注浆密实度，发现不密实及时再次补浆；

（5）根据管片上浮量，适当下调盾构机掘进姿态，（一般4～5cm左右）严格控制盾构机姿态和盾尾间隙；

（6）认真做好防喷涌工作，喷涌发生时，要及时关闭螺旋机闸门，注入高聚性泡沫等，及时进行渣土改良，同时做好停机保压措施。

5）按地质纵断面地层分部分段和地上地貌特点，在管片排列图上对应标注每段盾构掘进参数，并进行交底，指导盾构掘进。

6）根据地质条件和周边环境保护要求，合理确定管片增设注浆孔数量，优化浆液配比，适当缩短初凝时间，明确注浆条件。大坡度、小曲线规划好环箍注浆要求。

7）做好盾构施工辅助设施的维护保养、检查、验收工作

3.2盾构在复合地层掘进施工过程中控制要点

1）首先建立健全盾构施工组织管理体系，配备有经验丰富的专业管理人员：盾构司机、电瓶车司机、龙门吊司机司索指挥等，必须经过培训，实操能力考核合格，方可上岗。

2）施工现场做好专项施工方案交底和各工序安全技术交底，并考核合格。

3）严格控制出渣量，推广电子计量系统。

4）严格控制盾构施工各项参数监督，在复合地层掘进速度宜控制在10~20mm/min，软土层或粉砂层宜控制在30~40mm/min，尽量保持推进速度连续匀速掘进，减少土压力的波动幅度，以减少对周边土体的扰动影响。

5）严格控制盾构机姿态和盾尾间隙，出现偏差做到勤纠。

6）增加监测频率不少于2/d，增加沉降监测点埋深和改善埋设方式。

7）对裂隙水分布不均匀、易喷涌的地层，对盾构机进行优化设计：

（1）优化盾尾密封设计：加强盾尾密封，在常用的三道钢丝刷的基础上增加一道钢板刷；选用优质油脂及盾尾钢丝密封刷。

（2）盾构螺旋机出土口设置2道由液压油缸控制的反向开启的出土闸门，配合前端闸门，通过三道闸门的设计，提高螺旋机的防喷涌能力。

（3）盾构螺旋机前端闸门两侧配置聚合物注入孔，能注入高分子聚合物，在发生喷涌时能有效封堵螺旋机进土口。

8）加强地质勘查，在盾构推进前建议地质补勘，采取地质钻探和物探相结合的方式，探明盾构掘进区域土层分部状态，土层孔洞等。

9）应综合考虑土仓压力设定，由于施工过程中存在着不可预见的因素，需要考虑一定的预备压力，从而维持开挖面土体稳定，不致因土压设定偏低引起沉降或土压偏高引起地表隆起。盾构机进入上软下硬地层前，通过调整掘进速度和螺旋输送机转速调整土仓压力，保持开挖面稳定。

10）加强同步注浆管理，适度增加同步注浆量，在粉砂地层施工时，由于粉砂土中空隙较大、渗透率高，同步注浆压注量比一般土层要多，在施工中一般需压注150%～220%的建筑空隙。

11）管片推出盾尾5环后，根据地面沉降数据进行二次注浆（必要时注双液浆、打封水环箍），及时填充地层孔隙，根据监测点监测情况，随时调整注浆量及注浆参数，使地层变形量控制在最小。

12）建立应急机制，穿越前制定应急预案，严格落实人员、应急物资及设备现场储备，以备紧急情况发生险情时采取有效的措施。

13）防喷涌防控措施

（1）在掘进过程中采用土压平衡模式掘进，适当提高掘进土压力，防止涌砂突水。采取提高土仓土压力的技术措施，能使盾构正面砂土产生挤密疏干（减小含水量）效应，降低土仓内土体的动水压力，从而有效防止掌子面坍塌和防止螺旋出土器中砂土液化形成突水涌砂。同时严格控制土压和推进速度，避免土仓内压力忽高忽低的“拉风箱”现象。

（2）盾构通过砂性透水地层时，向开挖面及刀盘密闭室内注入膨润土浆、泡沫及高分子聚合物改良土体。进入密闭室内的土体，通过刀盘密闭室内的搅拌装置，将膨润土泥浆、泡沫及高分子聚合物与切割下的砂土搅拌，提高弃土的密水性，以维持土压平衡状态，防止砂土和地下水涌入刀盘密闭室造成开挖面坍塌。施工时观察螺旋输送器的栓塞和出土情况，土体改良效果不理想时，需尽快调整添加剂的加入量。

（3）优选质量稳定的盾尾油脂，提高盾尾密封的可靠度，加强同步注浆，保证砂层处的注浆量，增强脱出盾尾成型隧道管片壁厚注浆密实度检测，封闭盾尾后部的水流通道。密切监控同步注浆中的压力、流量和管道畅通情况，确保同步注浆的顺利进行，并保持盾构通过后的地表稳定，必要时，通过管片预留注浆孔做好二次注浆，封住盾尾后面的来水，以减少土仓内的进水量。

（4）加大盾尾密封油脂用量，确保盾尾油脂注入压力不少于15bar，及时封住地下水及泥（沙）浆进入土仓。

（5）充分利用螺旋机双闸门的控制可有效防止喷涌现象发生。掘进过程中注意调节螺旋输送机的转速和开口率，使螺旋机既不会塞死，又能使渣土时刻充满螺旋，形成良好的栓塞效应，可以起到防止突水的效果。

（6）当盾构机需要长时间停机时，必须间隔2～3小时根据土压下降情况注入膨润土适当转动刀盘或进行微掘进保压，必要时增加泡沫剂注入，搅拌土仓内的碴土。

14）盾构刀盘结泥饼防控措施

（1）为了降低土体间的粘聚力、减少土仓中土体压实结密的可能性、减少掘削土体与盾构机刀盘及结构间的粘着力，利用泡沫剂改善土体的和易性，保证土舱内土压力的稳定和出土的顺畅。

（2）土压力的设定以理论的土压力为基础，并作适当降低，具体可根据实际操作作调整。在施工过程中勤观测分析渣样情况、控制掘进参数、渣土温度，减少“泥饼”产生的机率。

（3）盾构施工要求“连续、平稳”掘进，长时间的停机会导致土舱内土压逐步升高、流动性减弱、刀盘及刀具板结泥饼的可能性增加。

4结束语

盾构在复合地层掘进过程中，盾构掘进施工参数控制有别于单一地层，需要在掘进过程中，根据地层变化、周边环境保护要求、监测数据变化、盾构机姿态等情况，进行动态调整，对管理人员、操作人员综合素质要求比较高，应具备综合分析判断能力。该文章论述风险防控要点，是这对该工程项目复合地层盾构施工经验及同行施工经验总结，同时借鉴了国内复合地层盾构施工发生的塌陷事故案例经验，对盾构掘进施工过程的每个环节操作进行控制，杜绝和降低施工过程操作失误，从而降低复合地层盾构施工的工程自身风险和、周边环境、地质环境的不利影响。