摘要：盾构施工掘进出土、管片拼装等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低，安全性高，在兰州红砂岩地层城市轨道交通隧道施工中具有技术和经济方面的优越性[1]。本文通过介绍定五区间盾构始发、掘进、接收工艺技术，阐述盾构穿越砂卵石、红砂岩地层施工控制要点，分析施工过程中存在的刀盘卡停、地表塌陷、出土量超方、刀盘中心结泥饼等问题产生的原因和风险，研究对策措施。
关键词：盾构；红砂岩；
1、工程概况
1.1工程概述
兰州轨道交通2号线一期工程定西路站～五里铺站盾构区间(以下简称定五区间)，左线长661.143m，右线长661.365m，区间最大坡度为27‰，最小平曲线半径1000m，隧道埋深9.8m～15.3m，地下水位埋深为8.3～9.1m，主要穿越卵石层、强风化砂岩。隧道内径为φ5500mm，管片厚度为350mm，隧道外径为φ6200mm。管片环宽为1.2m，管片采用通用楔形衬砌环，楔形量为37.2mm。每环衬砌分六块，由封顶块(F)、邻接块(L1)、邻接块(L2)、标准块(B1)、(B2)、(B3)各一块构成。
1.2工程地质
根据岩土的时代成因、地层岩性和工程性能，隧道穿越区域地层自上而下依次由第四系全新统人工填土、冲积黄土状粉土、粉细砂、卵石及下第三系砂岩等构成。
1.3水文情况
区间地下水位埋深8.30m～9.10m，地下水位受季节影响变化较大，水位年变化幅度约2.00m。含水层为层黄土状土(粉土)、粉细砂、卵石、强风化砂岩和中风化砂岩。其中卵石层厚度大、透水性好、赋水性强，为场地主要含水层；第三系砂岩透水性较小，赋水性弱，可视为相对隔水层。
1.4盾构机选型
区间左线选用铁建重工DZ110盾构机(开口率35%)，右线选用铁建重工DZ045盾构机(开口率38%)。盾构机总体布局充分考虑人机工程学和模块化设计，满足盾构始发、快速过站改造维修的便利性要求。液压驱动，最大扭矩7345KN•m。螺旋输送机最大设计排土能力429m3/h。盾构最小转弯半径250m，爬坡能力≯35‰。采用泡沫、膨润土或水等添加剂改良碴土的流动性。
2、施工计划及工艺技术
2.1 施工计划
两台盾构机分别从五里铺站南端头始发井吊装下井，组装调试完成后，进行定五区间左右线掘进施工，完成区间隧道施工任务后，在定西路站北端头分别接收。
2.2盾构始发
定五区间盾构始发端处于卵石层和强风化砂岩中，采用地面降水、洞内管棚、超前小导管地层加固方式，加固范围沿线路长9m，拱部150度。
盾构始发托架采用型钢焊接，主要承受盾构机的重力荷载和推进时的摩擦力，所以始发托架必须具有足够的刚度、强度和稳定性。始发基座设计全长9.0m，宽3.756m。反力架是提供盾构机掘进初始的推力，斜撑采用φ530螺旋管撑于车站侧墙、车站底板，上横梁采用30mm钢板焊接加高后四肢20a工字钢撑于车站中板。
盾构机始发掘进前，重点对泡沫系统、土压传感器、主轴承密封、铰接密封、盾尾密封、刀盘与切口环的耐磨层施焊情况、盾尾真圆度等进行检查，确保盾构机机况良好。始发掘进前，人工对洞门进行凿除。洞口密封采用帘布橡胶、双头螺柱、折叶式压板密封。负环管片采用1.2m通用环管片，共计有9环。
2.3盾构掘进
为了保证盾构机对地层的适应性，选择掘进前100m为试验段，通过分析掘进状态，确定盾构机掘进参数及各类油脂消耗。盾构机掘进参数确定主要有推进速度、总推力、排土量、刀盘转速和扭矩、注浆压力和注浆量。油脂消耗主要包括盾构机油脂及渣土改良剂的消耗量。
盾构区间穿越卵石地层和红砂地岩，两种地层掘进参数分别设置。其中卵石层推力9500～13500KN、扭矩3000～4200KN•m、刀盘转速1.0～1.5rpm；红砂岩推力12000～18000KN、扭矩3500～4200KN•m、刀盘转速1.0～1.5rpm。土压力控制分阶段设置，其中始发掘进段0.5～0.8bar，正常掘进阶段0.7～1.7bar，接收阶段0.8～1.1bar。正常推进时速度在35～55mm/min之间，单环掘进时间25～45min之间。
每环理论出土量39.26m3，卵石层地层松散系数在1.1～1.2之间，红砂岩松散系数在1.2～1.35之间，卵石层和红砂岩复合地层松散系数在1.25～1.3之间。全断面卵石层地层每环出土量控制为47±3m3；全断面红砂岩地层每环出土量控制为51±3m3；卵石层和红砂岩复合地层每环出土量控制为49±3m3。隧道结构主要位于强风化砂岩和卵石层中，为了改良土体和止水，防止出现喷涌和掌子面发生坍塌，采用加膨润土和泡沫剂对渣土进行改良。
盾构推进中的同步注浆和衬砌壁后补压浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段[2]，每环注浆量不少于6m3。
2.4盾构接收
定五区间接收端加固方式为φ1200@800咬合桩。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆接收前要进行导线和高程测量复测，同时对接收洞门进行复测。以50m为起点，考虑设计线路和施工误差，制定严格的线路掘进线路控制方案，确保每环管片拼装位置误差可控。到达前20环管片用扁铁沿隧道纵向拉紧，防止因推力减小引起管片环间松动，影响密封防水效果。到达前6环对注浆参数和材料进行调整，防止发生涌水、涌沙现象。在盾构接收期间，安排专人对周边建(构)筑物进行定期巡查和沉降监测。
3、存在问题及对策
3.1大粒径砂卵石地层刀盘卡停
定五区间右线盾构机在掘进第137环时，刀盘无法转动。初步判定刀盘被卡死，结合掘进情况分析，隧道围岩基本为砂卵石地层，卵石含量约90%，孔隙率大，掌子面富水。
原因分析：①地层主要以大粒径砂卵石为主，级配不良，地层富水，掘进过程中容易积仓，在土仓内形成骨架效应，刀盘前方形成板结；②刀盘前方有较大粒径卵石嵌入土体，刀盘正面阻力过大。
处理措施：综合考虑水文地质情况和盾构机性能，从封堵地下水、盾构机自身减负及降低围岩对刀盘握裹力三方面进行处理。采用施做盾尾封堵环、泥膜护壁、提高土仓压力等措施，减缓地下水向土仓及掌子面补给。风镐从中隔板预留孔洞对土仓内进行物理震动，板结区域松动后，注入分散剂，对渣土改良后，置换土仓内堆积的砂卵石，减轻盾构机自身负荷。盾构机适当后移，降低围岩对刀盘的握裹力。盾构机脱困后，平稳快速掘进通过扰动区域，以保证掘进状态的持续稳定。
3.2地表塌陷
定五区间左线盾构机在掘进第143环时地面突然塌陷，塌陷位置位于左线隧道142～147环地面右侧人行道，塌坑长约4.5m、宽约3.5 m、深约3 m，对塌陷空腔进行了回填处理。
原因分析：①该区域地层上部为1.2m厚杂填土，7.2m厚的湿陷性黄土状土，由于兰州地区2018年4～10月降雨频繁，降雨量较往年同期显著增加且雨季持续时间长，导致地表水下渗，诱发黄土状土湿陷，形成陷坑，是造成塌陷的主要原因；②盾构施工前对周边环境进行调查时发现附近区域有骸骨，说明该路段存在零散的墓穴，墓穴易诱发周边土体产生空腔，是造成塌陷的重要原因；③该塌陷区域紧邻城市主干道，夜间通行的重载车辆较多，加之近年来城市建设频繁，以上因素的综合作用也是构成塌陷的诱因。
处置措施：对管线悬吊保护后，采用卵石土与水泥掺拌后对塌坑进行回填，回填至管线上方后，使用混凝土进行硬化处理；地面硬化完成后，采用袖阀管注浆和深孔注浆对地层进行加固。后续施工从加强地表巡查、地质雷达空洞探测、人工探挖验证、优化监测措施、预铺钢板等方面，对可能发生的突发情况预判，制定应急预案及具体处置措施。
3.3出土量超方
定五区间右线掘进494～502环时，出现超方情况，累计超方34m3，盾构机在热力泵房站下方停机。盾构机掘进参数异常，推力较大24000～24500KN、扭矩较大4350 KN•M、掘进速度低20～30mm/min、铰接压力较大250～300bar、出渣量不可控。
原因分析：地层突变，地勘报告揭示地层主要以卵石和强风化砂岩为主，实际掘进渣样主要以砂岩为主未见卵石，含泥量较大，胶结较好，渣土较干，掘进过程中渣土改良效果难以达到。
处置措施：①491环～502环地面位置开孔探查，间距1.2m，深度10～11.5m，未发现空洞，对探孔注浆7m³；②隧道内491环位置深孔注浆，孔深3.3m，未发现空洞，注浆2m3；③隧道内对491～498环进行二次补注浆，累计注浆量16m³；④布设深孔监测点，热力泵站站墙体布设建筑物沉降监测点。热力泵站负责兰州市800万㎡的居民供热，泵房内热力管道使用年限超过20年、锈蚀严重，且发生过热力管道渗漏现象。综合考虑热力管道现状、施工期间热力管线正处于运营阶段等因素，经研究分析暂停盾构掘进，供暖期结束后,恢复盾构施工，停机过程中做好保压和监测工作。
3.4刀盘中心结泥饼
定五区间左线397～434环掘进参数异常，掘进速度低约15mm/min、刀盘扭矩大4200～4800KN•M、推力大26000KN、渣温偏高31℃，出土量难控制。掘进过程中向土仓内加大水和泡沫剂的注入量、加大推力和螺旋机转速，掘进状态未见明显改善，最后采取向土仓内和刀盘前方注入分散剂的方式进行泡仓处理，仍未见明显效果。
原因分析：定五区间盾构穿越地层强风化砂岩比例大且红砂岩含泥量较高、含水率小、胶结较好，盾构掘进过程中容易堵塞泡沫管路，刀盘面板和土仓中心容易结泥饼。
处置措施：进仓作业清理泥饼和检查更换刀具。停机位置不具备地面加固条件，不满足常压开仓条件，开仓方式选定为泥膜护壁带压进仓，泥膜护壁采用衡盾泥泥膜护壁工法。后续施工发现区间左右线均有明显的结泥饼现象，为解决此类问题，在土仓隔板中心预留孔接入高压清洗管路通到刀盘前方，对高压清洗机喷头做特殊改造，掘进时打开高压清洗机，不仅可以对刀盘前方渣土进行改良，还可以对已形成的泥饼进行切割清理。
结语
总之，文章通过对定五区间盾构穿越砂卵石、红砂岩地层工程施工技术介绍，对盾构掘进过程遇到刀盘卡停、地表塌陷、出土量超方、刀盘中心结泥饼等重难点问题进行原因分析及对策研究。希望从设备和技术方面着手，有效提高盾构正常掘进状态。在今后的地铁建设当中，需要针对不同的地质情况，采取相应技术手段和措施，保证盾构掘进状态正常。
参考文献
[1]吕善.论盾构法在城市地铁特殊地段的施工对策研究[J].城市建设理论研究(电子版),2015(20):7559-7560.
[2]杨琳.城市轨道交通盾构工程施工工艺及造价浅析[J].城市建设理论研究(电子版),2013(10):2095-2104.
论文作者:段生福
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：盾构论文; 地层论文; 卵石论文; 砂岩论文; 管片论文; 隧道论文; 渣土论文; 《基层建设》2019年第12期论文;