中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 266000
摘要：首先分析盾构机穿越砂层可能存在的问题，结合某工程，探讨了盾构在穿越砂层的技术控制及注意事项
关键词：地铁施工；盾构施工；穿越砂层技术措施
1、工程概况
1.1设计概况
某环城路站～某大街站区间出某环城路（地下明挖二层岛式车站）后，为给远期规划快速路预留路由条件，出站后进入道路南侧绿化带下，然后沿道路南侧绿化带向东敷设，临近某大街站后线路偏向东南方向，最终到达某大街。区间采用盾构法施工，起讫点里程范围为：K37+760.131～K38+867.862，区间左右线长度分别为1107.73米和1107.731m，区间附属结构包括一座联络通道、泵站。区间左线平面由直线段和一处R=1500m、一处R=2000m、一处R=800m和一处R=1200m的曲线构成，区间右线平面由直线段和一处R=2000m、一处R=2500m、一处R=800m和一处R=1200m的曲线构成。区间纵向基本成V形坡，区间左右线路坡度自西向东分别为-2‰、-4‰、+8‰、+26‰、（-为下坡，+为上坡），左右线设计轨面高程为177.886～183.826,隧道结构埋覆土为11.564m～18.755m。
1.2设备概况
区间工筹安排如下：采用北方重工直径6280mm土压平衡盾构机，受车站距离影响左右线采取“无连接桥分体始发”，始发难度系数较高，经两次转接整体始发后掘进至某环路车站接收，在某环路站实现快速平移过站。过站平移到达某环路站东端头始发井后，恢复连接调试整体始发，掘进至某大街站后接收并吊出。
1.3风险源概况
某环城路站～某大街站区间，K38+632至38+867.862（自某大街站车站西端向西235m），左右线各196环的盾构机穿越砂层及风险源的安全措施。
（塌陷风险源第一地点位于吉林大路南侧市政绿化地内，区间左线盾构隧道808环上方，塌陷风险源第一地点盾构刀盘位于830环（刀盘里程K38+755）上方。盾构机掌子面自隧道拱顶向下1.8米、向上1.2米范围为砂层且上方有一座砖砌DN1200污水管线转角井。
塌陷风险源第二地点位于区间左线盾构隧道821环上方，盾构刀盘位于835环（刀盘里程K38+761）上方。塌陷风险源第二地点盾构机掌子面自隧道拱顶向下1.6米、向上1.1米范围为砂层且有一根东西向（平行于隧道方向）DN1200混凝土污水管线，一根南北向DN150塑料燃气管线，一根南北向DN600铸铁让燃气管线。
1.4地址、水文概况
1.4.1地址情况
勘察结果表明区间地质一致（某环城路站-某大街站区间西端210m、东段110m范围隧道上部存在中粗砂，其余范围均为泥岩）。场地地层沉积具有一定的规律性，场地地层主要有四部分组成：
道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系全新统冲洪积粘性土和砂土、第四系中更新统冲洪积粘性土和砂土、白垩纪泥岩组成。
1.4.2水文情况
沿线场地地下水赋存于第四系粘性土和砂土层中，含水层的厚度在3.0～6.5m。其中粉质粘土2A①、2A②层透水性弱，中粗砂2A④层透水性良好，并具有一定的微承压性。其下部的泥岩可视为不透水层。
沿线场地地下水类型属第四系孔隙潜水，由于含水岩组透水性及富水性的差异，在一定条件下砂土层中的孔隙水可表现出一定的微承压性。
2、 盾构穿越砂层区段施工准备
（1）加强砂层段地表附近测量桩点的监测，缩短监测周期，增加测量次数，将测量结果及时上报。
（2）组织盾构司机和现场技术人员熟悉地表概况，认真阅读通过砂层施工有关技术资料，详细参阅地质勘探图纸。
（3）掌握砂层区间周边的地面、地下、高空的环境情况。
（4）过砂层前仔细踏勘沿线情况，对风险筑物进行布点监测。
（5）严格控制掘进参数减小和避免地面扰动。
（6）必要时采取加添加剂措施对渣土进一步改良。
（7）以压力和方量双重控制同步注浆。
（8）根据掘进实际情况及时跟进壁后强补浆。
3、盾构穿越砂层区段施工措施
通过砂层要结合砂层地层从以下几个方面采取措施，保证过砂层安全。
（1）盾构掘进方面：
a、把每环1.2m分成4段，严格控制每段30cm的出土量。
b、降低刀盘转速，控制在1.0-1.4rpa/min
c、提高渣土改良效果，有必要时采取添加化学药剂以改变渣土的和易性和流塑性降低刀盘扭矩。尽量小扭矩小推力掘进，尽量减少对地层的扰动。
d、安排好施工工序，做好充分的准备，保证快速均匀的通过。
e、提高同步注浆量，严格把控同步注浆方量，加强对同步注浆质量的控制。
f、优化人员配置，降低设备故障率，尽量避免停机，保证连续施工。
g、及时跟进壁后强补浆作业，在距离拼装环15环左右的位置及时跟进，根据实际情况适当缩减注浆跟进距离（10-15环）。
（2）加强对地面的监控，增加每天地面监测的频率，监测信息及时反馈，并及时与相关管理人员与盾构司机沟通。
3.1掘进参数控制
盾构机通过砂层时因尽量避免停机，保证匀速推进，刀盘转速和掘进速度不宜过大，尽量减小地面扰动具体掘进参数控制如下：
1、基本参数
（1）推进平均速度25—40mm/min，峰值不宜超过50 mm/min。
（2）刀盘扭矩控制在3500N.m以内。
（3）总推力控制在14000KN以内。
（4）在注浆量或土压力不能保证的情况下，适当降低推进速度。
2、土仓压力
（1）不纠偏情况下，上部土压宜控制在0.08～0.12Mpa之间，纠偏情况下根据当时情况而定。注意观察上土压与左右土压的差，如果差异较大，考虑土体的和易性，检查渣土改良的效果。
（2）在过砂层阶段，中左和中右差异大时，按最小值不能低于0.10MPa，上左和上右差异小时，按最小值不能低于0.08MPa（可根据实际情况作适当的调整）。
（3）在过建（构）筑物时，如果推力和扭矩在可控范围内，可适当提高土仓压力。最高不超过0.15MPa。
（4）盾构机短时间停机时，上土压不宜低于0.08Mpa；盾构机长时间停机时，上土压不宜低于0.1Mpa，同时往土仓和同步注浆管路注入膨润土。
3、千斤顶行程
每环的长度必须出够，可使得管片自由放入，不可以用强行挤压的方法放入壳体，以防止管片被碰坏。
4、千斤顶压力
注意各区的千斤顶压力，根据推进实际情况尽量合理分布各区域压力，否则对管片和盾构姿态的控制不利。
5、推力
严格注意推力的变化，如果由于推力过大，管片有开裂情况，立即停止推进，并上报，然后安排人员对其进行检查。
6、铰接
直线段掘进铰接油缸行程一般在40—80mm以内，各组铰接油缸的差值控制在20mm以内。曲线段掘进根据转弯半径作出适当的调整。
7、侧滚角
推进时注意盾体的侧滚角，最大±1度时，立即调整刀盘的左右转，防止盾构机的扭转较大，导致盾体发生侧滚。
8、螺旋输送机扭矩
注意扭矩的变化，防止大的颗粒卡住螺旋输送机。宜控制在150bar左右，根据实际情况调节泡沫参数和水，调整渣土的和易性，必要时可以添加膨润土和化学剂进一步对渣土进行改良，可以适应螺旋机出土。
9、排土门开度
开到40～70％可满足推进，有黏土时应注意开度。
10、刀盘旋转速度
根据地层的自稳性及地层强度进行调整，在砂层中掘进刀盘转速宜控制在1.0-1.4rpm。
11、土体改良
（1）每次推进过程要严格控制泡沫和水注入量。每环推进前要提前注入泡沫，转动刀盘，保证盾构机推进过程要保证注入口的通顺。
（2）采用专门针对富水砂层配置的泡沫对渣土进行改良。
（3）特殊情况采取添加膨润土或化学剂对渣土进行改良。
12、同步注浆
（1）每环推进50mm时开始同步注浆，在剩50mm时停止同步注浆。
（2）注浆方式
随着盾构的前进，浆液泵送系统通过泵送装置将浆液注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中，注浆泵尽量采用手动加自动模式控制。
（3）注浆类型及配比
本区间注浆采用单液浆。
水泥(Kg)：粉煤灰(Kg)：膨润土(Kg)：砂(Kg)：水(Kg)=180：360：100：710：410；
（4）注浆量
由于压入衬砌背面的浆液会发生失水收缩固结，部分浆液会劈裂到周围地层中、曲线推进、纠偏或盾构机抬头原因，使得实际注浆量要超过理论建筑空隙体积。
每推进一环的理论建筑空隙为：
π×（De2-D2）×1/4×1.2=π×（6.282-62）×1/4×1.2=3.24m3
每一环注浆量一般为理论建筑空隙的1.5～2.0倍，即每推一环同步注浆量4.86～6.48m3。在正常推进时采用1.5倍的系数，即4.86m3/环，在穿越砂层时取最高2倍的系数，即6.48m3，同时控制注浆压力在1.6bar-2.5bar。
（5）掘进过程中，同步注浆注到设定压力后停3～4分钟，如果压力有下降，继续进行注浆，直到压力稳定。当注足6.48m3时看压力是否上涨；如果压力一点没有上涨，可以再注；如果压力上涨明显，可以停止注浆，待推进时再注浆；但在拼装时必须停止同步注浆注浆压力和注浆量发生异常时，及时上报，并查明原因。
（6）同步注浆速度根据注浆量和掘进速度确定。
（7）在每次注浆过程完成后，对注浆设备进行冲洗，避免浆液在整个注浆系统的沉淀、堵塞。
（8）在停班或有特殊时段需要较长时间的停顿时，对整个注浆管路进行冲洗、浆液储存罐的整个清理工作等，并往同步注浆管路及盾尾注入膨润土。
13、每环根据漏浆情况（尽量控制不漏浆）进行盾尾密封油脂的补注，保证盾尾内注脂压力不低于1.4MPa。
14、出土量
（1）推进过程中应严格控制出土量，同时保证推进进尺过程中出土的均匀，出土量控制在44.6～55.7m3 /环（π×R2 ×1.2=π×3.142 ×1.2=37.15m3 /环松散率按1.2～1.5倍考虑即出土量应在44.6～55.7m3 /环）
（2）推进过程严禁用多注水的方式来解决推进困难。
（3）推进过程要密切观察土的含水量和土质情况，保证所出土成粘稠状或成砂土状，严禁所出土成泥浆状或出土口流水状况，如发现所出土成泥浆状或土中含水量大应立刻减少水注入量。
（4）推进过程如发现未推到拼装位置出土量已超标，应先立刻停止出土，上报主管领导，分析原因，按新技术方案施工。
（5）严格对每环的出土量进行统计，绝对不允许出现不知道每环出土量的现象。
15、盾构机姿势控制
（1）施工中必须严格按照盾构设备操作规程、安全操作规程以及当班的掘进指令控制盾构掘进参数与盾构姿态。
（2）施工中必须设专人按规定进行监控量测，并及时反馈，指导施工。
（3）盾构施工过程中必须经常进行盾构与管片姿态人工复核测量、跟踪与信息反馈。
（4）施工过程中，盾构轴线保持在±50mm之内；尽量避免产生大的纠偏。应尽量防止横向偏差、纵向偏差和转动偏差的发生，用测量数据修正盾构姿态，尽早进行“蛇行”修正。一旦盾构轴线偏差超过±50mm，及时上报。
（5）盾构纠偏采用千斤顶编组、区域油压、管片拼装选点等方法进行。
（6）实施盾构纠偏不得损坏已安装的管片，并保证新一环管片的顺利拼装。
（7）实施盾构纠偏必须防止盾尾漏浆而增大地面沉降。
（8）直线段的管片选用直线段管片，在超前量较大或调整间隙时可选用曲线管片。
（9）盾构掘进过程中，盾构机相对于设计坡度应保持适当抬头，但抬头幅度不宜超过3‰（即30mm），测量显示的垂直方向盾构机头部或盾构机尾部数值不宜超过±35mm。
（10）直线推进时。当千斤顶上下行程差大于30mm时，要考虑选择曲线管片调整超前量，根据错缝拼装选择R（右曲）或L（左曲）。当千斤顶左右行程差大于30mm时，根据管片与盾构机机体间隙及左右超前量综合考虑，选择R（右曲）L（左曲）。错缝拼装。严禁发生千斤顶左右行程差超过50mm时仍未选用曲线管片的情况发生，如果超过50mm时，没有曲线管片时应上报领导。
3.2管片拼装控制
在通过危险源阶段时应该严格控制管片拼装质量，避免管片破损和管片渗漏水情况发生：
表3.2-1 管片拼装及安全技术措施
3、特殊地段的管片安装
曲线段管片安装,平面曲线采用左转弯、右转弯衬砌环进行调整，竖曲线采用衬砌环调整。施工中注意封顶块点位的选择，注意控制转弯环对需要点位的楔形量，曲线环拼装点位选择时应优先考虑盾尾间隙结合推进油缸的行程选择。标准管片和转弯管片的衔接，拼装工艺与标准管片相同。
4、隧道管片修补
对已安装好的管片出现的破损处和超过一定宽度的裂缝及所有渗水裂缝，都将进行修补处理。具体办法为选用高标号的环氧水泥砂浆回填修补，并压实抹光，做到既能保证强度和防水效果，又能保证美观。
隧道管片的修补采用可移动的工作平台。管片修补有以下几点要求：(1)修补部分强度达到要求。(2)修补不能有太大的色差。(3)对于大块破损的管片修补应做植筋处理。
5、管片拼装质量控制
本工程根据隧道管片成型验收规范结合自身实际情况，特定出以下一组数据，作为日常管片拼装的一个技术指导要求。管片拼装允许误差见【表3.3-2 管片拼装允许偏差】
表3.3-2 管片拼装允许偏差
6、管片拼装质量控制措施
（1）管片拼装头必须拧紧到位，为避免管片旋转过程中吊装孔单独承受管片重量，应将四条支撑千斤顶接触管片，保持管片的平衡，避免管片拼装过程中螺栓头被拔出。
（2）管片拼装过程中，第一块管片的位置尤为重要，它决定了本环其他管片的位置及拼缝的宽窄。管片高于相邻块，将会导致C块的位置不够；低于相邻块，纵缝过大，防水性降低。同时，第一块应平整，防止形成喇叭口。
（3）当拼装第五块（B1或B2）时，应用尺子量K块空位的宽度，并调整第五块，保证K块可以顺利拼装，避免管片出现挤破或纵缝过大。
（4）管片拼装应满足规范规定的偏差：高程和平面互不侵限；每环相邻管片平整度5mm；纵向相邻环环面平整度5mm；衬砌环直径椭圆度5%。
（5）拧紧螺栓应确保螺栓紧固，拧紧力矩要达到设计要求300N.m。
（6）同一环内各管片的相邻位置应符合设计图纸要求，不可互换。每环管片上有管片类型标记，环类型标记，纵缝对接标记，安装管片时应认真查看这些标记，保证管片安装正确；管片迎千斤顶面和背千斤顶面不同，方向不要错装。管片操作手在安装管片时看到管片中心管片标识字符应是正对的，如果是倒置的，则管片朝向错误。
（7）管片K块安装方法为先纵向搭接1m，然后安装器径向推顶到预定位置再纵向插入。K块及B1、B2块相邻面止水条，在安装面应涂润滑剂。
（8）安装时注意小心轻放，避免损坏管片和止水条。尤其是在管片初步就位过程中，应平稳控制管片拼装机的动作，避免待拼管片与相邻管片发生摩擦、碰撞，而造成管片或橡胶密封垫的损坏。
（9）对掘进过程中出现的管片裂缝和其它破损，要及时观察记录并提醒盾构机操作手注意，并要选择合适时间对管片进行修补。
（10）拼装中应严格控制每环管片环面高差。管片初步就位后，通过塞尺与靠尺对相邻管片相邻环面高差及盾尾间隙进行量测，根据量测数值对管片进行微调，当相邻管片环面高差达到要求后，及时靠拢千斤顶，防止管片移位。
（11）注意：每次根据需要拼装管片的位置，回缩相应位置的部分千斤顶，如果过多的千斤顶回缩是十分危险的，前面土体的支撑压力会使得盾构机后移，轻则导致盾构机姿态变样，重则引起安全事故（正常情况下每拼装一块管片，油缸回缩油缸数量不得超过5组）。
参考文献:
[1]《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50466-2008）；
[2]《地下隧道工程施工与验收规范》（GB50299-1999）（2003版）；
[3]《轨道交通盾构隧道工程施工质量验收标准》（JQB-051-2005）；
论文作者:董艳峰
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/8/29
标签：管片论文; 盾构论文; 注浆论文; 千斤顶论文; 区间论文; 压力论文; 渣土论文; 《防护工程》2019年12期论文;