中铁十局集团有限公司 山东省济南市 250101
摘要：通过土压平衡盾构下穿景观湖的掘进施工实践，从前期预处理、掘进工艺技术及重难点控制等内容阐述，采取有效的掘进参数、渣土改良等有效措施，解决了盾构穿越景观湖区间存在的孤石、上软下硬及不良地层的施工难题，安全顺利完成了工程任务。
关键词：盾构；下穿；景观湖
引言
在城市地铁设计规划时，线路的走向很难完全避开不穿越建构筑物、市政道路或江、河等，本文就城市地铁盾构隧道下穿越景观湖段采取的掘进工艺技术的应用实践，结合地下工程施工特点，查清地下工程的地质是制定有效技术方案的重要手段和内容，制定针对性实施措施，达到了预期的目标。
1 工程概况
1.1设计概况
广州地铁某区间全长2206m，线路最小曲线半径为615m；线路纵断面为“V”型坡，最大坡度为24‰，最小坡度2‰，隧道顶部覆土6.8m～38.3m。
区间管片采用C50管片，抗渗等级采用P12；管片设计内径为5400mm，外径6000mm，壁厚300mm，环宽1500mm，采用单层钢筋混凝土管片衬砌，管片类型为直线环+左右转弯环，全环由六块管片错缝拼装而成，即一块小封顶块、两块邻接块、三块标准块，环宽1500mm，转弯环最大楔形量38mm。拟采用土压平衡盾构进行区间隧道施工。
1.2 地质概况
1.2.1工程地质
根据区间勘察及补勘地质揭示，由上至下依次为：人工填土层<1>、陆相冲积-洪积砂层、冲积-洪积-坡积土层、残积层、全风化花岗岩层<6H>、强风化花岗岩层<7H>、中风化花岗岩<8H>及微风化花岗岩<9H>。
区间隧道范围内主要为<5H-2>硬塑状砂质黏性土，<6H>全风化花岗岩，<7H>强风化花岗岩及局部中微风化岩，隧道拱顶局部上覆存在<3-2>粗砂层。
盾构在DK14+630～DK14+880段下穿景观湖段，隧道顶距湖底埋深为8米，湖水深2米，根据对区段地质勘察信息显示，湖底主要地层为淤泥层、杂填土层、粉质粘土层、硬塑砂质粘性土层、全风化层，盾构隧道洞身范围内主要是硬塑砂质粘性土层、全风化层及孤石。
区间隧道下穿景观湖段隧道范围地质主要为<5H-2>砂质黏性土、<6H>全风化花岗岩、<3-2>中粗砂层。区段范围地质详见下图1 隧道下穿景观湖段地质图。
图1 隧道下穿景观湖段地质图
1.2.2水文地质
⑴地表水：区间地表水系不发育。区间距离始发端约500m有一个景观湖喷泉，水池宽约145m，水深约2m。
⑵地下水位：场地属于丘陵地貌，地形有一定起伏，地下水位有一定波动。根据详勘资料显示地下水初见水位埋深为2.80～10.00m（标高20.00～33.19m），稳定水位埋深为3.00～26.00m（标高20.03～36.36m）。
场地地下水动态变化具季节性，主要受降雨季节支配，每年4～9月份雨季期间，大气降水丰沛，是地下水的补给期，其水位会明显上升，而10月～次年3月为地下水的消耗期，地下水位随之下降，年变化幅度约为2.00～3.00m。
1.3 盾构穿越景观湖周边情况
景观湖北侧相邻为城区主干道，南侧与广场展示厅相邻，东西为进入景观湖公园的景观道路，周边交通量较大，景观湖平台入口处为主干道公交站台。道路北侧为广场，三栋写字楼及两栋商场高层建筑。详见下图2所景观湖周边环境图。
图2 景观湖周边情况图
2 施工方案
区间隧道采用土压平衡盾构掘进施工，穿越湖区段前将湖中湖水全部抽排完毕，拆除湖中相关音乐喷泉设备，设置沙袋围堰将湖分东西侧，东侧为隧道穿越区段范围，恢复西侧湖水，对围堰内西侧线路范围进行地质补勘，对补勘中发现的孤石进行预处理，地质补勘及隧道范围内孤石处理完成后撤除围堰，全部恢复景观湖内湖水及喷泉设备，最后盾构进入景观湖段掘进施工。
3 施工工艺技术
3.1施工顺序
根据总体施工方案，盾构下穿景观湖掘进前对湖底及隧道范围内的孤石处理完成后进行，主要施工顺序如下：
施工准备→景观湖抽排水→湖内管线及设施拆除→砂袋围堰安装→景观湖西侧注水（验证围堰防水效果）→隧道范围内地质补勘及孤石处理（湖东侧）→景观湖西侧抽水→湖内管线、设施恢复及围堰拆除→景观湖注水→盾构穿越观湖段施工。
3.2 施工工艺流程
施工工艺流程见下图3盾构掘进施工工艺流程图。
图3 盾构掘进施工工艺流程图
3.3 盾构掘进施工工艺技术
3.3.1 盾构掘进
⑴掘进过程中严格控制方向，确保隧道中线与设计偏差控制50mm以内。同时应勤纠偏，坡度和方向圆顺过渡，隧道轴向和折角变化不大于0.4%。
⑵盾构推进景观湖段前正常速度在20～30mm/min范围，穿过景观湖段时，速度应适当减缓至10～15mm/min，以防推进过快造成周围土体扰动过大。
⑶加强掘进过程的施工监测，根据监测数据随时调整掘进参数，不断完善施工工艺，控制地表最大变形量在-30～+10mm范围内。
⑷土仓压力值的选定
土仓压力值与地层土压力和静水压力相平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，P0=γ?h（γ—土的平均重度，h—刀盘中心至地表的垂直距离），则P=K?P0（K—土的侧向静止土压力系数，K=δ水平/δ竖直），结合区间勘察资料，通过计算，盾构掘进该段土舱压力设置范围为0.5bar～0.7bar，后续根据掘进情况进行适当调整。
⑸盾构掘进其他参数设定
根据前期施工参数总结以及类似工程施工经验，区间盾构下穿景观湖掘进参数选定如下：
推力：10000～12000KN
速度：10mm～20mm/min
刀盘扭矩：2000～2800KN?m
土仓压力（上部）：0.5～0.7bar
刀盘转速：0.8r/min
刀盘贯入度：12～20mm/r
泡沫比例：5%；发泡率10倍
出土量：54～57m3
同步注浆：6～7m3/环
注浆压力：上部＜2.5bar，下部＜3.5bar
以上数据为基准参考数据，推进过程中根据现场实际情况（如：渣土情况、异常地质情况、地面沉降情况）做出适当调整。
⑹出土量控制
盾构主要靠刀盘前方土体压力与土仓内土压力保持平衡来实现，出土量的控制通过调整螺旋机转速来实现，与土仓压力直接挂钩，由盾构司机、跟班技术员针对刀盘扭矩、总推力、掘进速度等参数进行综合确定，以盾构掘进刀盘扭矩不超过2800KN?m，总推力不大于12000kN，主轴承温度不大于50℃为主要控制依据。
严格控制掘进出土量，每环出土量控制在理论值的98～100%间，并考虑泡沫与水的改良注入量。以每环推进1.5m出土54.5～60m3计算，每推进100mm，理论出土量为3.63～4m3，当发现推进100mm，实际出土量大于4m3时，可适当降低螺旋机转速，减缓出土速度，加大盾构推力，加大泡沫注入量，改善渣土的和易性，使得更多渣土进入土仓，提高土压力0.1～0.2bar，达到“多进少出”原则，最大限度减少出土量，直到出土量与推进行程之间达到正常关系范围，便开始进行正常掘进。并对每环出土渣样进行留存分析。
根据每环推进1.5m注浆量6m3推算，每推进100mm，同步注浆注入约0.4m3，做到建筑空隙及时填充。在当前环出土超方后，待该位置到达盾尾时，适当增加当前环同步注浆量1～3m3，减少出土超方位置后期沉降。
3.3.2 管片拼装
管片拼装的质量直接影响到隧道结构安全及防水能力，严格控制管片安装质量是盾构施工的关键控制内容之一。
⑴管片质量要求：管片表面不得出现裂缝、破损、掉角等现象，根据技术规范要求，管片拼装精度满足下见表1管片拼装偏差要求。
⑵管片的运输、堆放
管片运输及堆放实施过程应注意以下问题：
①应注意对管片的保护，避免造成损坏；
②管片的存放物场地必须平整，并用枕木或其它材料铺设成管片堆放垫墩；
③管片的堆放层数不可超过三块，以免造成管片压坏，堆放时块与块之间以方木支垫；
④垂直时必须采用合格的吊装带，确保施工的安全；
⑶防水等材料的安装
①弹性密封垫、传力衬垫的安装按设计要求实施；
②在弹性密封垫粘贴安装前，清除管片上预留凹槽接触面的灰尘，防止安装后剥离、脱落。安装时弹性密封垫必须精确的粘贴在凹槽的正中位置，以保证管片拼装时弹性密封垫能够大接触面积，管片接缝处密封垫构造见下图4弹性橡胶密封垫断面图。
图4 弹性橡胶密封垫断面图
③在存放管片进行密封垫粘贴的场地配备防雨、防潮设备，避免密封垫或软木传力衬垫淋雨、受潮而损坏；
④在管片拼装前，若因故导致弹性密封损坏或水膨胀条发生了预膨胀，则必须重新更换弹性密封垫。
⑷纵、环向螺栓连接
管片连接是保证管片拼装质量的重要环节，在施工过程中加强施工控制，做到以下几点：
①为防止管片拼装时产生“踏步”，紧固螺栓前必须认真的进行对位；
②管片连接螺栓必须拧紧，螺栓紧固采取多次紧固的方式。管片拼装过程中安装一块初紧一块螺栓，拼装结束后及时对环纵向螺栓进行二次紧固，盾构掘进下一环时，借助推进油缸推力的作用，再一次紧固所有螺栓尤其纵向螺栓。
⑸环面超前量的控制
定期检查管片环面超前量，当超前值过大时应用软性楔块给予纠正，保证管片整环环面与隧道轴线的垂直度。
3.3.3 同步注浆及二次注浆
⑴同步注浆
盾构掘进过程中及时进行同步注浆，同步注浆必须遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则。理论上每环推进1.5m，盾尾后部建筑空隙体积为4m3，同步注浆填充系数取1.5～1.8倍，即6～7m3/环。严格遵守“不注浆，不推进”的原则。
⑵二次注浆
盾构景观湖掘进位于下坡段，受地下水的影响，水流极易流窜至刀盘前方在出土时发生喷涌，据此及时二次注浆。二次注浆要求及时跟进到当前环后5环以外，以防浆液包裹盾尾。二次注浆按以下三种情况实施：
一是对个别渗漏点进行注浆止水。由于同步注浆填充不充分，管片背后存在空洞，地下水随着空隙流动，使得管片表面出现渗漏水现象，先解决管片渗漏水进行的注浆，采取单液浆，单液浆初凝时间较长，能够使浆液在地层中更好的扩散，充分填充管片背后空隙，且后期强度高，耐久性好，具体配比为水泥浆：水=1：1，注浆压力为0.5～0.7bar，终止注浆压力为1MPa。
二是对管片某个部位进行注浆控制管片位移时，采取向管片背后注入双液浆。双液浆采取水泥浆+水玻璃注入，由于双液浆凝结时间短，易在注浆部位形成压力，迫使管片向指定方向产生位移，从而达到预期目的。
三是管片拖出盾尾后发生上浮现象及时注浆。原则上每5环进行一次双液浆全环封箍。
3.3.4 渣土改良
根据地质揭示，盾构下穿景观湖段范围存在<3-2>中粗砂、<5H-2>砂质黏性土，根据前期掘进经验总结，砂层掘进极易导致螺旋机喷涌，出渣困难。由于砂层含水量丰富，渗透性好，且受扰动后易液化，土压平衡盾构在砂层中掘进很容易出现喷涌现象，严重影响盾构施工进度及安全。需要对土舱内渣土进行改良。渣土改良前出土情况详见图5渣土改良前螺旋机出土及渣土图。
渣土改良要点是在刀盘前部和土仓中注入水、膨润土、泡沫剂等混合添加材料，经强力搅拌，改善开挖的土砂塑性、流动性，降低渣土的透水性。
图5 渣土改良前螺旋机出土及渣土图
砂层掘进螺旋机喷涌主要原因：
⑴渣土本身不具有止水性，即渗透性好，造成在螺旋机内无法形成土塞效应，导致高压力的水体穿越土仓和螺旋机形成集中渗流，并带动渣土颗粒一起运动。
⑵渗流水在输送至螺旋机最终出口的一瞬间，由于其压力水头还没有递减到零，且前方是临空的隧道内部处于无压状态，带压的渗流水便携带砂土喷涌而出。
为了防止螺旋机发生喷涌和改善粘性土的出渣效率，采取渣土改良措施，渣土改良旨在改善砂层的和易性，更利于渣土外出，以及改善粘性土的流动性，防止渣土附着在土仓和螺旋机内壁，避免出渣困难。处理方法是添加适量的添加剂，向刀盘前方注入泡沫、膨润土溶液等方法。
据实验对改良浆液进行试验，本区段以1：6膨润土溶液+掺量20%的5%泡沫溶液改良渣土效果较好，经过改良前后渣土和易性大大提高，减少了砂层掘进喷涌，改善了黏土层掘进渣土粘性较大等问题，渣土改良效果明显。详见图6渣土改良后出渣效果图
图6 渣土改良后出渣效果图
4 特殊地段施工的处理措施
4.1 穿越遇水易软化崩解的全风化花岗岩段
区段穿越全风化和强风化花岗岩以及砾质粘性土层，局部穿越粉质粘土。全风化和强风化花岗岩，均具有遇水软化崩解的特性，如何处理全风化花岗岩遇水软化是本工程的技术难点之一，针对该问题所采取的对策：
⑴采取土压平衡工况掘进，调整盾构姿态，使姿态控制在±30mm内，及时调整土仓压力，使土仓压力与理论土压偏差在±0.1Bar内，确保土压平衡。盾构穿越裂隙发育的强风化岩层及富水区段时，容易产生涌水、突水现象，掘进过程中向土仓内注入膨润土（聚合物）或泡沫，防止螺旋输送机堵塞和水涌入土仓。
⑵在拼装管片时，根据拼装点位，局部收缩油缸，切勿全部收回，防止盾构后退，影响工作面的土体稳定。
⑶连续掘进，加强对掘进过程施工监测，及时注浆充填管片与地层之间的环形间隙，防止土体塑性区的扩大，控制地表沉陷。
⑷隧道穿越强风化岩层，岩体破碎或半岩半土状，易形成洞顶坍塌。施工过程中保持土压平衡，减慢刀盘转速，以减小对土体的扰动，同时保证同步注浆，注浆量为理论值的1.5～2.0倍，平稳连续通过。
4.2 孤石未处理或处理不彻底
区段盾构掘进孤石是一大重难点，若湖底存在孤石，给盾构掘进安全造成严重影响，虽然在盾构掘进前对孤石进行了预处理，可能仍存在孤石处理不彻底或存在其他未探测到的孤石。由于土体中孤石的存在，且孤石强度较高，使得在掘进时存在以下风险：刀盘切削孤石，造成刀具大幅度磨损，严重时将损坏刀盘面板；盾构掘进孤石时，部分为软土地质，正面阻力分布不均，导致盾构机整体受力不均，姿态发生变化，使得盾构机发生轴线偏离；孤石处理不彻底导致掘进时刀盘扭矩过大，盾构机刀盘驱动系统跳闸，或孤石直接卡住刀盘，无法转动；孤石被软土包裹，盾构掘进时孤石无法完全切削，也无法通过刀盘进入土仓，将随着盾构机向前翻滚，造成地层损失，出现沉降、塌陷。针对该问题所采取的对策是：
⑴在掘进孤石前尽量调整好盾构姿态，掘进孤石时尽量平稳推进，避免因为调整姿态时正面阻力不均，导致刀具发生偏磨。
⑵如必须调整姿态时，不宜操之过急，每环垂直、水平纠偏量必须小于5mm。
⑶泡沫注入量设定为500L/min，原液比例5%，发泡倍率15倍，提高渣土的稠度和流动性。
⑷操作时及时关注扭矩、推力、速度、铰接行程等掘进参数的变化，倾听盾体是否存在异常响声等现象，出现异常后及时检查刀具，测量盾尾间隙、土仓切口环间隙，调节铰接与推进分区压力，使盾构机达到放松状态往前推进。
⑸当孤石卡住刀盘，导致刀盘无法转动时，采用开仓处理法，既打开仓门，进入土仓采用风镐进行人工劈裂，劈裂后，再缓慢转动刀盘进行切削。
4.3 穿越上软下硬地层段
上软下硬地层掘进过程中，最大危害是下面硬地层造成掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降。
盾构在上软下硬掘进可能出现的问题主要为：出土量过多，容易引起地面较大的沉降；盾构机姿态较难控制，容易造成隧道轴线偏移；容易产生管片的开裂、崩角、渗漏水等质量问题；刀具磨损严重，往往需要带压换刀。为保证掘进顺利推进，采取的主要措施如下：
⑴用土压平衡模式掘进，控制上部软覆土层的沉降，必要时注泡沫或膨润土对碴土改良。
掘进过程中要严格控制每环的出土量，同时必须保证砂浆的注入量。在出土量正常的情况下，如果出现同步注浆的砂浆进入土仓中而不能保证注浆量的情况时，就及时通过脱出盾尾的管片的吊装孔进行补充注浆，保证注浆量，确保开挖面与管片之间的间隙能及时得到填充，避免地面沉降及管片产生开裂、崩角、渗漏水等质量问题。
⑵加强盾构机推进线路和姿态控制
施工过程中密切注意测量数据，根据测量数据所反映的情况及时调整各组千斤顶的推力及刀盘转速等掘进参数，确保盾构机姿态在事前制定的控制范围内变化。同时，施工中可采取正反向转动刀盘等措施对盾体的滚转进行控制。
⑶盾构在软硬不均匀地层中掘进时，容易对刀具造成较大的磨损，应采用重型合金刀具和刀盘加设耐磨焊条以加长换刀距离，同时必须做好刀具的检查和更换工作，确保盾构机的掘进效率，控制地层沉降。根据实际调节推力，减小刀具在岩层交界面碰撞强度，降低刀盘转速，防止软硬界面处刀具的崩裂。
⑷加强施工监测，实施信息化施工。监测成果是确定盾构机掘进参数的重要依据，为保证盾构机正常掘进和地面的安全，信息化施工是重要手段，加强施工监测，及时反馈，为掘进参数的设定及辅助措施的实行提供重要的依据。
4.4 在曲线地段的推进
区段位于曲线范围，在该段施工时，盾构机推进操作控制方式是把液压推进油缸进行分区操作，分别控制和调整推进油缸的油压，使盾构机按预期的方向进行渐进调向运动。
除通过调整推进油缸推力调整盾构机掘进方向外，同时采取安装转弯环（平曲线）的方法，使推进轨迹符合设计线路的弯道要求，注意以下几点：
⑴进入曲线施工前，调整好盾构的姿态。尽量减小盾构机中心轴线与隧道中心轴线的夹角和偏移量，避免产生较大的超挖量。
⑵精确计算每一环推进循环的偏离量与偏转角的大小，合理调整推进油缸的推力、分区与组合方法。
⑶根据盾构自动测量系统的测量结果，确定下次推进的纠偏量与推进油缸的组合运用方式。经常对盾构机的姿态进行测量，校核导向系统的测量结果并进行调整；
⑷为防止管片移动错位，要求油缸推力差尽量减小，并尽量缩短同步注浆浆液的凝胶时间，减少管片的损坏和变形，也可使千斤顶的偏心推力有效地起作用，确保曲线推进效果。
⑸在曲线推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切，纠偏幅度每次不超过4mm。
论文作者:李仲峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/13
标签：盾构论文; 管片论文; 渣土论文; 景观论文; 隧道论文; 注浆论文; 压力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第12期论文;