[分享]复合地层盾构掘进控制要点

  两者组成的复合地层，极易出现地表塌陷，刀盘结饼、施工进度慢等问题，对盾构掘进控制要求相较于单一地层更高。文章以成都地铁某复合地层盾构区间为例，对复合地层盾构施工的控制要点进行阐述。

1 工程概况

  此盾构区间在到达段需穿越 250m 的上部砂卵石 <3-8-3> 下部中风化泥岩 <5-2-3> 的复合地层，且该地段地表情况为成都的主要干道，地下埋有高压电缆、中压燃气管、污水管、给水管、通信光纤、国防光缆等管线及过街通道。本区间盾构机开挖直径较大（8.63m），隧道埋深较浅（拱顶 8 ～ 9m），穿越复合地层时，可能会出现地表沉降、路面坍塌、管线断裂、刀盘结饼等问题（见图 1）。

2 施工准备

2.1 重难点分析

 （1）盾构穿越复合地层如何控制地表沉降是最大的难点和重点。
 （2）盾构机在复合地层中施工时，上部岩土较松散，下部岩土自稳性较好，盾构机有向软岩方向偏移的倾向，如何控制好盾构姿态是施工重点。
 （3）穿越段管线保护是该段的难点和重点。

2.2 前期准备工作

 （1）技术准备。编制安全专项方案，邀请业内专家、经验丰富的施工单位、业主对专项方案进行评审。
 （2）加固处理。对卵石层进行预加固，管线进行保护。
 （3）监测巡视。针对道路、过街通道和管线布置地表监测点和深层监测点，并采取初始值；专人负责对地表、过街通道及管线进行巡视。

 （4）应急准备。编制应急预案，针对地表坍塌、管线断裂等紧急情况制定应急措施，并组织人员进行针对性的应急演练。
 （5）物资机具准备。盾构机穿越复合地层前对盾构机及配套设备进行一次全面的检查，保证设备完好；对掘进耗材备足用量，保证盾构机连续掘进。
 （6）组织准备。制定领导小组，明确分工和职责；制定领导带班，保证各项措施和控制点落实到位、监控到位。
 （7）思想准备。对全员进行动员，明确重难点、技术措施、风险及影响，对方案和各项措施进行全员教育和交底。

3 掘进过程管控

3.1 盾构掘进参数控制

 （1）掘进模式的选定。开挖面上部为砂卵石层，地质较松散、自稳性差，在该段复合地层掘进时，选取保压模式掘进，在土仓内保留 2/3 仓位左右的渣土，泥岩经刀盘破碎后，粘性较大，在土压作用下结饼可能性较大，需向土舱内注入压缩空气、泡沫和水进行渣土改良。

 （2）土仓压力值的选定。严格以土压平衡状态下的土压力计算值为盾构掘进施工的土压设定值，施工中仅可以在项目工程师认可的前提下，进行微调，同时通过掘进速度和螺旋转速来控制土仓压力。过程中根据地表沉降监测情况，对设定的土仓压力进行修正。

 （3）出渣量的控制。盾构机在进入复合地层段后，由于随着隧道坡度变化以及中风化泥岩层顶标高的变化，盾构掘进过程中理论出渣方量也会有所不同，因此出渣量的控制采取重量与方量双控的原则进行控制。根据实际出土重量、方量与理论出土重量、方量之间对比，可判断当环掘进是否存在超方现象，若存在，则需在地面进行排查，处理后方可继续掘进。将复合地层段管片分成 1 环 1 个区域段，根据每个区域段卵石与泥岩层的含量计算该区域段 1.8m 掘进行程理论出土量（实际推进过程中根据实际行程计算理论出土量）。

 （4）推进力、扭矩和推进速度。在复合不均地层中掘进，刀盘所受到土体的应力不均匀，软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层。掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，根据重叠段确定盾构掘进速度为 35 ～ 45mm/min；掘进过程中，总推力拟控制在1000 ～ 2800t，刀盘转速拟控制在 1.5 ～ 1.8r/min，根据实际情况，及时、合理调整掘进速度及推力尽量保持速度均匀掘进，通过适当减小推力及刀盘转速，减小对地层的扰动。

 （5）盾构姿态控制。隧道曲线和坡度变化以及人工操作等因素的影响，盾构推进很难完全按照设计的隧道轴线前进，会产生一定的偏差。且复合地层开挖面上部较下部软，盾构机容易出现上漂情况。当偏差超过设计要求时就会使管片侵限，盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。
  此区间复合地层段为直线隧道，掘进时值班工程师根据盾构机姿态、盾尾间隙、油缸行程等做好管片选型工作（盾尾间隙＜ 50mm，油缸行程差＞ 50mm 必须进行调整），掘进时控制好盾构姿态，保证平稳推进，减少纠偏。如果存在姿态纠偏的情况时，每环的姿态纠偏量 ≤5mm。

  根据已成型的管片姿态分析发现，管片在脱出盾尾后垂直姿态有 50mm 左右的上浮量。盾构穿越复合地层时，该段地下水相对其他地段较丰富。由此可见，将盾构机垂直姿态控制盾尾在 -40mm 左右，刀盘控制在 -30mm 左右。

3.2 渣土改良控制

  在该地层施工进行土体改良时，会注入一定量的泡沫剂。可以借用部分泡沫产生的气压来提高土仓压力，对保压有辅助作用。盾构在砂卵石地层中施工时，土体粒径大，加入一定量的膨润土浆液作为土体改良的主要改良剂，让膨润土与砂卵石地层进行充分的搅拌改良后，在通过土仓进入螺旋机。不仅保证了出土顺畅，也在一定程度上降低了刀盘扭矩。
  经试验段确定，穿越复合地层期间泡沫浓度设置为 2% ～ 3%，发泡率设置为 8~10，空气注入率控制在 80L/min 左右。掘进时刀盘扭矩控制在 5000kN·m 以内。

  在盾构正常掘进时，同时通过刀盘上的泡沫孔或土舱壁上的球阀向开挖面、土舱内注射水，可以提高渣土的流动性，降低刀盘和土舱的温度及土体的粘性，可有效控制泥饼。

3.3 管片拼装质量控制

 （1）针对穿越复合地层，采用特殊配筋的管片，同时管片增加注浆孔，已根据穿越长度，储备足够的加注浆孔管片。
 （2）管片选型以满足隧道线形为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一循环掘进限值，确保有合适的盾尾间隙，防止选型错误而造成的管片破损。
 （3）管片安装需遵循一定的顺序，从底部开始，依次左右对称安装，最后安装封顶块。
 （4）管片均采用错缝拼装的形式。
 （5）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，拼装结束后应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，尤其是纵向螺栓。
 （6）定期检查管片环面超前量，当超前值过大时应用转弯环给予补充，保证管片整环环面与隧道轴线的垂直度。

3.4 注浆加固控制

  盾构机通过复合地层后，对地层扰动及少量超挖，当洞内同步注浆未及时对孔洞进行填充时，空洞会向地表发展，地层易发生沉降变形，随土体松动范围扩大，会引起地面沉降。
  洞内补充注浆的作用是及时填充和固结空隙，有效地控制地面下沉。补充注浆根据使用浆液，选用双液注浆机或单液注浆机进行注浆。双液浆比单液浆可以更快地凝固土体，效果比较明显，能起到快速加固的效果。根据掘进施工记录、地面监测记录、建筑物监测记录和注浆记录，选择地层松散地带进行后期注浆补强，对可能发生沉降的地方进行加固。

  同步注浆采用注浆量和压力双控的控制标准，注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。同步注浆完成后，随着时间的推移，浆液收缩必将形成建筑空隙，从而出现地表沉降。
  为此，必须按照要求进行二次注浆。管片脱离盾尾后即对管片进行二次补浆，补浆量为同步注浆量的 10% ～ 15%，注浆利用低压、少量、多次注浆的方式及时补充因原有浆液固结收缩所产生的空隙，防止地表沉降。同时通过环箍注浆能有效封堵从管片背后流向刀盘的水，保证开挖掌子面稳定。
  两个环箍之间进行多次补浆，注浆孔位置为隧道顶部两侧。起到固定管片及进一步填充管片背后的空隙，确保管片不上浮以及控制地表沉降。

3.5 地表监测及巡视控制

  按照规范和设计要求，制定监测范围、监测频率、监测预警、消警等措施。建立巡视制度和表格，安排专职人员进行巡视。

4 结束语

  本区间在此复合地层地段，按照上述控制要点，提前准备，积极筹划，重点管控，在穿越过程中，各项参数可控，地表和管线安全，且在 20d 内完成了 250m 的复合地层掘进，创造了成都地铁复合地层掘进新的记录。管片成型质量良好，无破损，错台控制在规范以内。