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摘要：盾构技术由于自身的技术特点已经逐渐成为地铁建设中不可或缺的技术方法。本文以广州市城市轨道交通十四号线【街口站~江浦站】盾构区间施工实例为背景，试述了泥水盾构掘进的参数及应用。
关键词：泥水盾构；十四号线；掘进参数；气仓压力；
1、引言
目前，城市化进程日益发展、城市交通需求不断增长，地下交通工程的建设进度以及密度都在呈几何级数增长。盾构施工是通过钢构件承受周围土层压力，前进开挖土壤、拼装管片形成隧道衬砌，由不受季节、地面建筑物影响、安全高等特点。在中国，盾构法相较于德国、日本起步晚，但近几年发展快速，是一种有广阔市场的施工方法。盾构法施工隧道适用于不稳定地层和含地下水的地下结构下施工，能够有效的控制地表沉降和隧道沉降，不影响地面交通。它可以应用于很松散的土质或高压强的地层中，如砂层、岩层等。本文以广州市城市轨道交通十四号线【街口站~江浦站】盾构区间施工实例为背景，通过盾构始发、掘进、接收三个阶段简述盾构掘进参数技术选择及应用。
2、工程概况
广州市城市轨道交通十四号线【街口站~江浦站】盾构区间包括双线1.5公里盾构隧道施工，由街口中间风井里程端始发至江埔车站，隧顶覆土厚度7.3m～16.0m。隧道穿越地层主要为<3-1>粉细砂层、<3-2>中粗砂层、<3-3>砾砂层、<4N-2>可塑粉质粘土以及<6H>全风化花岗岩。区间由于毗邻流溪河，地下水较为丰富，以第四系松散孔隙性潜水为主，水位较浅，埋深为0.40m～11.30m，平均埋深为2.44m，标高为-2.30m～35.98m，平均标高为31.26m。 该工程施工采用两台全新的德国海瑞克泥水盾构机施工，刀盘开挖掌子面直径为6.28m，衬
砌采用外径为6m的高强度钢筋混凝土管片，由刀盘、前盾、中盾、盾尾、拼装机、连接桥架、一号~五号后配套台车组成。
图1 广州市地铁十四号线【街口站~江浦站】盾构区间 图2 泥水盾构工作原理
3、泥水盾构工作原理及主要参数
泥水盾构机原理机制是通过气体加压泥浆来稳定开挖面，开挖渣土与泥浆混合由泥浆泵输送至泥水分离设备，经处理后循环使用。泥水盾构机操作分为泥浆循环操作系统和掘进操作系统，主要涉及气泡压力、注浆压力、液压千斤顶推力、刀盘扭矩（刀盘切削土体时需要刀盘驱动系统提供的作用力）、掘进速度（单位时间内推进的长度）、铰接行程差（决定盾构机转弯半径）、推进油缸行程差、滚动角（盾体相对于预先设定水平线的转动夹角）、掘进姿态（盾构机掘进轴线与隧道设计轴线的相对位置和变化趋势）等参数。
4、盾构在不同阶段掘进参数选择
盾构法施工大多分为始发、掘进、接收三个阶段。
（1）盾构始发阶段主要指的是盾构下井组装调试后，通过拼装负环管片施加反力在反力架上完成始发掘进，其中涉及拼装负环管片、封堵洞门等施工工序。盾构始发是作为盾构工程的里程碑，是“万里长征”的第一步，至关重要，处理不当易导致基坑大量涌砂涌水，甚至导致基坑坍塌等危险性事故。盾构始发时，反力架承受作用反力有限，初始掘进应严格控制盾构机推力，一般控制在8000KN以内；刀盘抵达掌子面应缓慢旋转刀盘，转速不宜超过0.8rpm，扭矩控制在1Mn.m以下，气泡仓压力控制在0.5bar~0.8bar，严格控制掘进速度，不宜过快。掘进中，应勤观测洞门环板和始发托架的情况并根据情况调整参数，如此能有效的控制盾构安全始发。
（2）盾构掘进阶段，以广州市城市轨道交通十四号线【街口站~江浦站】盾构区间为背景，针对盾构机穿越长距离含水砂砾层、粘土层、上软下硬地层以及下穿房屋群，简述总结的工作心得。
盾构掘进穿过长距离含水砂砾层，应严格控制盾构姿态、匀速掘进、降低刀盘转速，维持在1.0rpm~1.3rpm左右，适当提高泥浆比重黏度，时刻专注泥水分离设备出渣情况，防止超挖。泥水盾构在砂层掘进，推进速度较快，应在保证同步注浆量的前提下掘进。
广州市交通轨道十四号线街口站~江浦站盾构施工项目，线路两侧20米范围内共有159栋民房，其中危房7栋，隧道整下穿84栋，为I级风险源。下穿房屋范围覆土浅，开挖面多为砂层、可塑性性粘土。房屋分布密集，多为浅基础直接坐落在人工素填土和砂层土上，盾构施工风险较大。除房屋提前注浆加固措施外，比较考察盾构操作手的心理素质和技术水平。掘进时，应时刻关注气泡仓压力，气泡仓和土仓的过大波动直接关系到地面房屋的稳定性、安全性，因此气泡仓压力应严格根据实际盾构覆土深度计算设定。当然，盾构掘进过程中气泡仓压力难免会有波动，操作手需反复通过泥浆循环添加或减少泥浆调整气泡仓压力，保证基本稳定。操作手应匀速通过，保持稳定的掘进速度和盾构机姿态，严禁急转弯急上下偏位，保证每一环管片同步注浆量。很多时候操作手往往会形成下穿房屋群需快速通过而忽略注浆量的观念，但实际情况易导致盾构“盾壳”通过后地面沉降，应当匀速并确保足够的注浆量，稳重求胜。该工程在下穿房屋群时，累计沉降10mm，远远低于沉降预警值，安全平稳的穿过房屋群，获得业主广州地铁的一致表彰。
图3 泥水盾构下穿房屋群 图4 泥水盾构穿越上软下硬地层
掘进粘土层是泥水盾构机的一大“短板”，管路堵管、刀盘结泥饼、气泡仓压力突变等现象常有发生。从泥水盾构机的设计原理上，在技术操作上很难解决这一重难点。盾构手在掘进粘土层时，应不断切换泥水循环冲洗系统，并关注泥水泵流量和气泡仓压力，时刻关注气泡仓压力，不得丝毫大意松懈。若实际情况允许，应降低泥浆比重和黏度，甚至采用清水循环出渣，能有效提高盾构掘进速度和刀盘“结泥饼”等情况。在掘进参数方面，应适当降低气泡仓压力防止气泡仓压力突变导致地面隆起，刀盘可视情况采用大转速搅拌出渣或者低转速通畅出渣。
在上软下硬地层掘进，主要体现在盾构姿态突变、刀具磨损、堵管等情况。盾构手在实操过程中，可通过液压油缸推力、刀盘扭矩等参数判断刀具磨损情况，满足开仓条件地层快速检查和更换刀具。
（3）盾构接收阶段指盾构机破除玻璃纤维钢洞门、掘进至接收托架上的过程，危险性较大。常规盾构机破洞门前项目部都会采取相应的防范措施，单独针对盾构操作这一项，我提出自己的见解：破洞门前，操作手应提前操作泥浆循环系统抽离泥浆管路泥浆，防止破洞门后过多泥浆外溢，增加清理量和清理成本。准备破除洞门时，操作手应当提前降低液压千斤顶总压力，防止盾构机启动时因前方无阻力导致掘进速度突变。刀盘应控制在0.6rpm~1.0rpm，掘进速度控制在8~10mm/min，其他参数试情况而定。破除洞门是较为神圣的一刻，“万里长征”的最后一步，也同样是危险性较大的风险源，只有当盾构顺利出动操作手才可卸下心中重担。
5、总结
在盾构法隧道工程施工中，掘进参数的选择及应用，对控制地表沉降、隧道沉降起到关键性作用，也是衡量一个盾构操作手的专业技术水平的标准。在盾构操作过程中，应针对不同的阶段不同的地层提前进行分析，并选用相应的盾构掘进参数，在掘进过程中根据参数反馈实时调整、总结经验，提高自身综合素质和专业技能，才能做到控制盾构克服不同地层、减少对隧道沿线环境的影响。
论文作者:郭润植
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/30
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