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摘要：针对我国中原地区粉质黏土地层盾构掘进施工技术，结合工程实例，阐述了粉质黏土地层盾构掘进施工工艺，重点是富水地层长距离盾构掘进的施工工艺和控制，只有掌握核心的施工工艺，加强施工控制，才能保质保量的完成所承揽的施工任务。
关键词：中原地区；富水地层；长距离掘进；施工技术
前言
随着中原地区经济的快速发展，城市的地面交通压力日趋加大，地铁轨道交通成为中原城市规划越来越受青睐，在部分地段长距离盾构区间设计也越来越常见。不言而喻，盾构掘进技术控制作用举足轻重，下面就郑州机场至许昌市域铁路苑陵路至遵大路盾构掘进施工为例，阐述富水粉质黏土地层长距离盾构掘进施工技术。
1、工程概况
郑州机场至许昌市域铁路工程（郑州段）遵大路站区～苑陵路站区间：本区间与遵大路站分界里程为DK30+723.200，本区间左线长度2146.542m，右线长度2172.032m。隧道埋深在10.24～22.41m之间，左线最大坡度25‰，线路最小半径为330m。盾构区间主要穿越粉质黏土（Q3-3al+pl）、部分地段含有少量的细沙（Q4al+pl）等地层。
施工难度：富水地层中长距离掘进。本标段两区间主要粉土、砂质粉土和上更新统粉质黏土中，该土层含水量大、渗透性高，施工时螺旋机容易出现喷涌现象，刀盘易结泥饼。同时由于缺乏流动性，螺旋机出渣也相当困难，另外在高含水量、高水压地层中如何确保盾尾的密封也显得尤为重要。而且土层中含有钙质结核层，钙质结核层强度高影响盾构掘进速度、磨损刀具，影响盾构施工时必须采取可靠的措施进行排除。由于隧道结构处于地下水位以下，且地下水的连通性好，需要采取一定的抗浮措施，以预防水压引起的隧道底部的隆起。
（2）推进速度
推进速度控制在40～80mm/min，并根据监测结果和排土情况调整。螺旋机转速根据设定土压力与推进速度匹配。
（3）出土量，掘进控制出土量，考虑泡沫，松散等因素后每环出土量应为理论出土量±5%。如果超方或欠挖，及时采取补浆或掘进出土速率调整等方法。
（4）注浆量及注浆配比，在施工中的注浆量严格按照相关设计及文件进行控制，施工配比根据始发试掘进的效果进行细微调整，保障隧道同步注浆填充密实性和正常施工稳定性。
2.2.2盾构掘进要求
（1）了解和认识本工程的地质条件，掌握该地质条件下盾构施工方法和工艺流程及各项技术要求。
（2）熟悉管片拼装操作程序，提高拼装质量，加快施工速度。
（3）盾构进洞后，及时进行同步注浆及二次补浆措施，防止洞门漏水造成路面塌陷。浆液材料及配合比必须由实验室提供，注浆方量公式计算得出。
（4）盾构机操作手必须严格执行掘进指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差及时纠正，避免盾构机走“蛇”形线路，盾构机一次纠偏量不宜过大，以减少对地层的扰动。
（5）施工中做好各项施工记录，主要有：油缸行程、掘进速度、盾构推力、土压力、刀盘、螺旋机转速、盾尾间隙等掘进参数。
（6）监测班组要及时测量盾构掘进姿态、隧道椭圆度、推进总距离、隧道每环衬砌环轴心的确切位置，保证衬砌环的平面位置保持在±50mm。
（7）在始发阶段要注意推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力应控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发基座提供的反扭矩。
2.3 管片安装
管片拼装位置图
（1）管片选型通过盾尾间隙和管片走向来确定，安装后的盾尾间隙要满足下一环掘进循环限值，确保有足够的盾尾间隙，以防止盾尾直接接触管片。
（2）管片安装须从隧道底部开始，依次安装相邻块，最后安装封顶块。安装第一块管片时，用水平尺与上一环管片精确找平。
（3）安装相邻块时，为保证封顶块的安装净空，安装第五块管片时一定要测量两相邻块前后两端的距离（分别大于F块的宽度，且误差小于+10mm），并保持两相邻块的内表面处在同一圆弧面上。
（4）封顶块安装前，对止水条进行润滑处理，安装时先径向插入2/3，调整位置后缓慢纵向顶推。
（5）管片块安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，顶推力应大于稳定管片所需推力，方可移开管片拼装机。
（6）在进行管片选择须有一人选择，另专人进行复核，防止由于选错管片而导致与轴线偏差过大。
（7）管片安装完后及时整圆，并在管片脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行二次紧固。
2.4同步注浆
始发段注浆浆液采用水泥砂浆，注浆配比按照实验配比和施工配比相结合进行配置，在掘进＋7～+9环时进行同步注浆，或盾尾刷进入洞门后1～2环，进行同步注浆，若漏浆，及时封堵。随掘进环数增加，注浆压力同步增加，必要时采用同步注浆+二次注浆工艺对洞门圈进行封堵，注浆时必须密切关注洞门密封装置的变形情况，根据端头加固长度，在盾尾距管棚末端1m时，洞门必须封堵完成，然后带压掘进。
2.4.1注浆压力设定
同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆。而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，也会使地表变形增大。
前期注入压力＝地层阻力+0.1～0.2Mpa；
后期注入压力＝地层阻力+0.1～0.2Mpa+0.05～0.1 Mpa；
地层阻力≤注入压力（0.1～0.3Mpa）≤管片螺栓抗剪力（约0.4Mpa）；
通过计算及相关设计及地勘文件对土压控制要求，将同步注浆上压力控制在0.15～0.30MPa。
2.4.2注浆量的控制
盾构推进中的同步注浆和初砌壁后注浆是填充土体与管片圆环间的建筑空隙和减少后期沉降的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。盾构推进施工中的注浆，选择具有和易性好、泌水性好，且具有一定强度的浆液进行及时、均匀、足量压注，确保建筑空隙得以及时和足量的填充。
根据管片壁后环形空隙与地层有效填充的经验公式，每环注浆量取环形间隙理论体积的120%～150%，则1.5m管片每环注浆量为4.65-5.81 m3；则1.2m管片每环注浆量为3.72-4.65 m3。在实际施工中根据同步注浆效果及地面沉降监测来调整注浆量，以注浆压力控制为主。
2.4.3同步注浆控制措施
（1）在开工前制定详细的注浆作业指导书，并进行详细的浆材配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比。
（2）制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序，严格按要求实施注浆、检查、记录、分析，及时做出P（注浆压力）-Q（注浆量）-t（时间）曲线，分析注浆速度与掘进速度的关系，评价注浆效果，反馈指导下次注浆。
（3）根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数和施工工艺，发现情况及时解决。
（4）做好注浆设备的维修保养，注浆材料供应，定时对注浆管路及设备进行清洗，保证注浆作业顺利连续不中断进行。
（5）每环掘进之前，都要确认注浆系统的工作状态处于正常，并且浆液储量足够。
2.5 二次补浆
2.5.1压力设定
由于二次补浆时同步注浆浆液已基本填充超挖部分空隙，故二次补浆的注浆压力应略大于同步注浆压力，一般控制值设定在0.25～0.4Mpa。注入时以注浆压力为准，应随时观察管片有无变形和裂缝，发现有异常及时停止。
2.5.2注浆量的控制
二次补浆采用双液浆，补浆量一般为同步注浆量的15%～30%，注浆时应以注浆压力控制为准。当注浆压力超过控制值时应停止注浆。浆液配比：水泥采用P.O 42.5，水泥浆水灰比：0.8，水玻璃浓度40Be，配置时水泥浆与水玻璃体积比为1：1，注浆前调节各参数，使浆液凝结时间保持在30-60秒。
2.5.3二次补浆的标准
根据地面沉降情况和漏浆情况加强适时进行二次补浆，浆液采用双液浆，注入时采取隔环补浆，注浆孔位置为隧道顶部两侧的管片，即4点至12点之间以上。二次补浆的管片位置应为掘进的当前环后方4～5环。
如果地表沉降速率偏大，根据通知随时补浆。注浆一定要保证连贯性。
2.6渣土改良
2.6.1渣土改良的作用
盾构掘进渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速进行的一项不可缺少的重要技术手段。具有如下作用：
①保证渣土和添加介质充分拌合，以保证形成不透水塑流性的渣土从而建立良好的土压平衡机理，只有渣土改良效果好才能从根本上保证掘进过程中地表的沉降控制，同时保证预定的施工进度；
②使渣土具有流塑性和较低的透水性，形成较好的土压平衡效果而稳定开挖面，控制地表沉降；
③通过添加剂的注入减少刀盘切削土体与刀盘之间的摩擦力，从而保证开挖面土体的稳定，保证盾构掘进施工的安全；
④改善渣土的流塑性，使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输机排土；
⑤改善渣土的流动性和减少其内摩擦角，有效降低刀盘扭矩、降低对刀具和螺旋输送机的磨损、降低掘进切削时的摩擦发热，提高掘进效率。
2.6.2渣土改良的方法
渣土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓、或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂主要有泡沫、膨润土以及聚合物。
2.6.3改良剂的确定及配比、掺量
泡沫剂的性能指标表
根据国内外成功的施工经验，本工程渣土改良以泡沫为主，膨润土为辅，每次停机前最后一环用膨润土改良掘进和盾尾注入膨润土措施。
根据该区间地质情况，改良剂添加率10～20%。如按15%（即切削1 m3 渣土需注入150 L）计算，泡沫量为6000～7000L/环。
泡沫：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液；泡沫溶液的组成为泡沫添加剂3%、水97%。本工程所用泡沫剂粘度不低于0.1Pa?s。
3、结论
根据以上盾构掘进的各项施工工艺的控制，探索出一条重要富水地层长距离盾构掘进施工技术，尤其是在盾构机的姿态控制、参数的设定及优化、同步注浆、管片拼装的工序的控制，也为今后在中原地区富水地层、粉质黏土地层施工提供参考。
参考文献
[1] 《富水地层粉细砂层中盾构掘进的研究》.张帅《山东工业技术》2017年8月
[2] 《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）中华人民共和国住房和城乡建设部
[3]《郑州地铁砂性地层盾构长距离掘进技术研究》张昭《隧道建设》2017，37（7）
论文作者:罗建
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/6/5
标签：盾构论文; 管片论文; 注浆论文; 渣土论文; 地层论文; 浆液论文; 压力论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;