地质状况对地铁隧道盾构法施工工艺的影响及风险控制

李春胜（中咨工程管理咨询有限公司， 北京 100048）

1 工程概况

某市地铁 1 号线三区间全长 3 044 m，采用 2 台土压平衡式盾构机施工。区间结构采用预制管片拼装而成，预制管片内径 5.4 m、外径 6.0 m、壁厚 0.3 m、环宽 1.5 m。

区间主要穿越第 ⑯ 层强风化安山岩，第 ⑰ 层中等风化安山岩，第 ⑱ 层微风化安山岩，第 ⑦ 层细砂～中砂，第 ⑨、第 ⑩ 层粗砂～砾砂，第 ⑲ 层粉质黏土，第 ⑫ 层粗砂～砾砂，第 ⑫ 层粉质黏土。隧道整体通过的地层以饱水砂层为主，自稳能力差，易坍塌，易突发涌水涌砂。

本场地沿线所属地貌均为冲洪积平原地貌，地下水主要赋存在第四系松散砂土层及基岩的裂隙中。场区地下水主要类型为第四系孔隙水和基岩裂隙水。地下水稳定水位埋深 0.20 m～6.50 m，绝对标高 3.28 m～6.97 m。

2 盾构机选型

地铁隧道盾构法施工具有以下特点：安全开挖，掘进速度快；盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低；不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；穿越河道时不影响河道使用功能；施工中不受季节、风雨等气候条件的影响，施工中噪声小，扰动小或基本不扰动；在富水松软地层、上软下硬地层中修建埋深较大的长隧道具有显著的技术和经济方面的优越性。基于上述特点，地铁隧道盾构法施工具有广泛的适用性和推广价值。

本工程采用 2 台盾构机施工，开挖直径为 6 280 mm，专为复合地层设计生产。鉴于中粗砂层和硬岩地层的地质情况，确定设计两种刀盘。本标段为复合地层，岩石强度普遍在 30 MPa 以上，有的甚至达到 150 MPa，破岩能力是首要考虑的问题。

3 不同地质状况施工工艺应对措施

3.1 中粗砂地层盾构掘进应对措施

盾构穿越中粗砂层时，由于地质条件较差，且地下水位较高，砂层具有内黏聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等特点，施工中极易发生突然涌水、大幅度地面沉陷现象，并且刀盘磨损严重，压气换刀安全风险大，因而中粗砂地层盾构掘进、掘进参数控制、防止地面沉陷是本工程施工的重难点之一。针对中粗砂地层，项目监理机构要求施工单位采取以下施工技术措施。

（1）做好渣土改良，施工中对渣土采取流塑化改良。

（2）做好盾构掘进参数控制。在砂层掘进过程中，严格控制土仓压力，采取满仓或 2/3 仓掘进的模式；在螺旋转速、掘进速度和刀盘扭矩相匹配的前提下，刀盘扭矩不大于 80%，保持上部土压在 0.06 MPa～0.1 MPa 之间、下部土压在 0.14 MPa～0.18 MPa 之间、左右土压在 0.1 MPa以上，在总推力和扭矩等参数允许的情况下，尽量提高土仓压力。同时要随时注意刀盘扭矩的变化，不能满载或超载运行。

（3）严格控制沉降。主要分为两个方面：一是建立良好的土仓压力，二是填补地层空隙。在参数控制上，满足2/3 仓或满仓掘进，在建立好土仓压力的基础上，调节各项参数。填补地层空隙主要通过同步注浆和二次注浆，砂层中考虑其渗透系数，同步注浆量应控制在理论空隙值的150%～200%，通过地面监测，及时进行二次注浆；或者在盾构掘进时同步，在盾尾 5 环以后进行二次注浆，注浆量由压力控制，一般注浆压力达到 0.6 MPa 即可。

3.2 上软下硬地层盾构掘进应对措施

盾构穿越粉质黏土、粗砂～砾砂和强风化安山岩、中等风化安山岩、微风化安山岩，隧道纵断面方向表现为基岩风化程度起伏面较大，软硬不均。上软下硬地层易发生喷涌、地面沉降、刀具磨损严重、换刀频繁以及换到作业难度大等施工困难，因而上软下硬地层施工也是本工程施工的重难点之一。针对上软下硬地层，项目监理机构要求施工单位采取以下施工技术措施。

（1）合理选择刀具刀盘，采用六主梁刀盘，以提高施工功效。

（2）对软硬不均地层区段进行详细补勘，探明硬岩在隧道断面内的分布情况及其抗压强度。

（3）根据地层具体情况分析压气换刀的可实施性。在地面等其他条件允许的情况下，对预定换刀地点进行地面加固处理，必要时以降水配合施工。

（4）盾构掘进控制土仓压力、出土量、推力、扭矩和推进速度等参数，采取加注膨润土泥浆、优质泡沫和分散剂等措施以改良渣土、控制喷涌。

（5）做好同步注浆和二次注浆

4 不同地层施工工艺参数控制与风险控制

4.1 强风化＋中风化及全断面中风化掘进

该地层组合，掘进速度为 30 mm/min～50 mm/min，推力为 800 kN～1 200 kN，扭矩为 1 900～2 700 kN·m，泡沫用量为 50 L/环（4 路泡沫、膨胀率设置在 12%～15%，流量为 300 L/min～350 L/min），刀盘喷水 6 m3～8 m3，仓压为 0.08 MPa～0.12 MPa，80 环～100 环边缘刀磨损在5 mm～8 mm，因而设置每掘进 50 环～80 环检查一次刀具。当最外边缘刮刀磨损大于 8 mm 时，必须更换刀具，其余边缘刀磨损大于 15 mm 时更换，正面刀磨损大于 20 mm时更换。

该区段施工期间，出土正常 4.5 斗（76.5 m3），地面沉降稳定，但经常出现螺旋喷涌情况，分析地下水为基岩裂隙水为主，施工过程中将土仓内渣面高度控制在 2/3 位置，同时掘进过程中将空气流量调节到 300 L/min～350 L/min，同时泡沫膨胀率设置在 15%～18%，喷涌问题消除。

4.2 中分化＋微风化掘进

微风化岩面突起位置掘进，该区段掘进工效底，掘进速度为 5 mm/min～10 mm/min，推力 10 000 kN～13 000 kN，扭矩2 200～2 500 kN·m，泡沫消耗量为 80 L/环～100 L/环，每日掘进 2 环～3 环。掘进 20 环～30环，边缘刀磨损 5 mm～8 mm，因而在通过微风化突起前和通过后都要检查和更换刀具。由于项目监理机构要求施工单位及时检查和更换刀具，顺利通过中下部微风化自抗压为 89 MPa 的安山岩，未发生卡机事件。

4.3 拱部为富水砂层或富水砂层＋强风化＋中风化掘进

该区段施工为整个区间施工的控制难点，地面容易沉降。由于出土量控制容易出现压仓现象，掘进参数跳动变化大，螺旋喷涌频繁，刀具容易偏磨，更换刀具须带压换刀，区段位于始发区段和接收区段。某区间左线某环在掘进过程中出土量增大（5.5 斗，约 93.5 m3），地面沉降速率超限。掘进推力达到 18 000 kN，速度为 3 mm/min～5 mm/min，扭矩为 2 800 kN·m～3 400 kN·m。随后采用洞壳径向孔注入膨润土，施以大推力、大扭矩，保证掘进速度 30 mm/min～40 mm/min。

某区间左线盾构拼装完某环后，推进下一环过程中推力增大，扭矩跳增过大，掘进速度 9 mm/min～15 mm/min，其中扭矩最大为 5 400 kN·m，最大推力达到 19 000 kN。考虑渣土改良效果较差，对土仓内注入膨润土浆液进行仓内渣土改良置换，但改良效果不明显，推力在 15 000 kN时几乎无掘进速度。究其原因，在于刀具偏磨（边缘刀磨损达到 12 mm）、 渣土改良效果差、存在压仓的可能。换完刀后选用优质泡沫进行渣土改良、刀盘喷水 10 m3/环～12m3/环、掘进过程中盾壳注入膨润土，推力 14 000 kN～16 000 kN，速度 40 mm/min～60 mm/min，泡沫消耗量60 L/环～80 L/环。地面沉降在规范允许范围内。

一旦开仓换刀，必须评估后续掘进的磨损情况，能够更换的刀具必须更换，边缘刀磨损超过 5 mm，必须研究后续磨损余量，必要时应进行更换。渣土改良地层变换后必须经试验确定，依据坍落度确定泡沫、喷水和外加剂的注入量，外加剂（分散剂、高分子聚合物）的使用必须先试验后应用。掘进刀盘切削量必须与螺旋出土量相匹配。

5 异常风险情况处理

5.1 区间盾构停机处理

5.1.1 概 况

某站施工期间受到管迁调流等外界因素的制约，导致区间段的施工进度无法满足盾构的接收条件，左右线盾构机需在地质条件较好处停机，停机时间 2 个月。为确保盾构停机安全，需要在盾构停机位置进行地层加固。

5.1.2 停机位置选择

综合考虑隧道洞身地质条件、地面周边环境等因素，左线隧道停机位置处于隧道埋深约 14.5 m，洞身上部为中风化安山岩，下部为微风化安山岩；右线隧道停机位置处于隧道埋深约 15.6 m，洞身上部为中风化安山岩，下部为微风化安山岩。

5.1.3 地层加固措施

采用袖筏管地面加固方式，加固范围纵向为停机位置前后各 6 m，加固横断面为隧道上侧 4 m、左右侧各 3 m、下侧 2 m 的范围内。注浆孔开孔时，应详细记录孔位、孔深和每个钻孔内的地下障碍物、洞穴、涌水处、漏水处，以及与岩土工程勘察报告不符的情况等。

5.1.4 施工情况

通过采取以上停机加固措施，春沟区间左右线盾构停机长达 2 个月，地表沉降参数均在正常范围内，有效确保了盾构停机安全。

5.2 盾构接收风险处理

5.2.1 险情描述

某区间段右线盾构刀盘进入端头旋喷桩加固区内，因受外部因素影响而要求暂停施工。待 3 d 后右线盾构开始恢复推进，其间盾构推力较大、速度较小且出现螺旋喷涌现象，造成盾尾出现大量水砂，险情发生，盾构随即关闭舱门，停止掘进。

5.2.2 原因分析

通过打设地质探孔对现场地质条件进行勘察，核对地质勘察报告，调查现场管线，发现引起盾构机喷涌的主要原因如下。

（1）盾构接收端地层为富水砂层，地层含水量较大，且砂层软弱容易喷涌。

（2）盾构上方管线复杂，其中上部污水管及暗渠破损，导致污水长期流入地层，形成流水通道，进而造成盾构喷涌。

（3）前期地层加固质量未达到设计效果。

5.2.3 处理方案

根据险情产生原因，项目监理机构会同施工单位多次组织专家召开咨询会，确定以下处理方案：在地面开挖降水井 8 口，进行地面抽排水；在接收洞门开设水平泄水孔2 个，进行辅助泄水；在盾构掘进期间，向土仓内注入高黏度膨润土，进行渣土改良；在脱出盾尾管片进行二次注浆，施工止水环箍，隔断后方来水；在地面进行垂直注浆以加固地层。

5.2.4 施工情况

通过采取上述措施，某区间段右线盾构顺利接收，地表沉降变形数据均在正常可控范围内。

6 监理控制要点与体会

6.1 严把专项方案审核关

在方案审核时，项目监理机构应根据盾构掘进线路周边环境特点，要求施工单位对下穿河道、风险较大的管线、侧穿重要的建（构）物等制定有针对性的安全技术措施，如本工程盾构在正下方穿越虹子河桥。虹子河桥为 20 世纪 90 年代修建，混凝土扩大基础，距离拱顶不足 9 m，且为富水砂层，原设计无任何加固措施。为了确保施工时该桥的安全，项目监理机构多次建议建设单位采取加固处理措施，最后建设单位和施工单位提请组织专家论证，专家一致同意对桥梁基础进行高压旋喷加固，对简支梁进行满堂钢管架支撑加固。由于穿越前采取了有效的加固处理措施，在穿越该桥施工时各项监测指标得到了有效的控制，桥面最大沉降控制在13 mm，满足控制值 30 mm 的要求。

针对上软下硬地层的特点，项目监理机构在制定方案时就要求施工单位将盾构机横向、竖向偏差设定控制值为5 cm，当接近该值时，要求施工单位及时采取纠偏措施。由于控制值设置较合理，3 个盾构区间贯通测量偏差均小于规范规定的允许偏差。

6.2 严把施工组段划分及掘进参数设置关

施工前项目监理机构应要求施工单位进行施工组段划分及掘进参数设置，并报项目监理机构审查。施工中要求施工单位将组段划分及掘进参数张贴在操作控制室，以确保盾构机操作人员适时掌握、控制和调整掘进参数。

6.3 严把设备选型和出厂验收关

拟配置的盾构设备应与图纸揭示的工程水文地质相匹配，设备选型不匹配将对施工造成不可逆转的困扰。项目监理机构应根据盾构设备建造或选型方案组织建设单位、设计单位、施工单位和制造商共同对设备进行出厂前验收，对验收中发现的问题要在出厂前全部整改完成，严防设备带问题出厂。

6.4 严把施工条件核查关

项目监理机构应在施工前审查确定施工单位提报的本工程设置的关键节点，并严格按审批的关键节点组织建设、施工、勘察、设计、监测等相关单位进行施工前条件核查验收，确保施工前各项准备措施落实到位。

6.5 严把监控量测关

项目监理机构应监督施工单位监测部和受建设单位委托的第三方监测单位严格按批准的监测方案实施现场监测工作，项目监理机构应每天对监测数据进行收集、整理、分析，发现异常时应及时要求施工单位采取应对措施；达到预报警限值时，项目监理机构应马上组织相关方召开专题会，研究制定处理措施。

6.6 严把洞外施工影响范围的日常巡查关

对地面的异常下沉、开裂、隆起、冒浆、塌陷等异常现象要提前做好应急预案并进行演练。

6.7 严把始发和接收关

针对本工程地下水位较高，始发和接收阶段易发生涌水涌泥问题，除设计要求始发和接收端采用高压旋喷加固地层外，项目监理机构在方案审查时要求施工单位采用延伸钢环始发和接收。现场还要求施工单位在始发和接收端打设降水井，在洞门钢环外结构侧设置引水孔等现场施工措施，确保始发和接收安全。