复杂地质条件下的市政地铁隧道盾构施工技术研究

袁伟嘉

摘要：叙述了广佛环线GFHD-2标三工区施工段的工程概况和工程地质勘察情况，从盾构机选择、双模式盾构机性能、地铁隧道盾构掘进、隧道初期支护与二次衬砌等方面详细阐述了在复杂地质条件下采用的地铁隧道盾构施工技术，通过测量和对比隧道工程土体位移量验证了该文所述地铁隧道盾构施工技术的良好质量效果和可行性。

关键词：复杂地质；市政地铁；盾构施工；技术研究

0   引言

随着城市化发展的迅速推进，市政地铁成为现代城市交通网络的重要组成部分。然而市政地铁隧道在软弱地层、岩溶地区、断层带等复杂地质条件下施工，会增加盾构施工的难度和风险，需要针对不同地层特点采取相应的施工参数和支护措施[1]。盾构施工在复杂地质条件下通过改进施工技术，可以减少地质灾害风险、降低工程成本。研究复杂地质条件下的市政地铁隧道盾构施工技术具有重要意义[2]。

当前我国在市政地铁隧道盾构施工技术研究方面已经取得了显著的进展。通过地质调查与预警技术、盾构机的改进与智能化应用、施工参数合理优化等方面，已有效应对复杂地质条件下的施工难题。例如陈强研究小半径曲线地铁隧道盾构施工技术[3]，谢鸿辉研究岩溶和土洞复合地层地铁隧道盾构施工技术[4]。基于上述研究成果，本文进一步研究复杂地质条件下市政地铁隧道盾构施工技术的可行性和质量效果。

1   工程概况

地铁广佛环线GFHD-2标三工区的大源站至太和站区间DSK35+771～DSK42+167段工程，全长为6396m。其中DSK35+771～DSK41+915段为盾构隧道，长度为6144m；DSK41+915～DSK42+167段为明挖段，包括盾构始发24#井，长度为252m；大太区间的横通道、无砟道床等。该工程的工期为50个月，其中：土建总工期为50个月，铺轨为2个月，四电工程为4个月。

设计方案为盾构机从大源站端头井开始盾构掘进施工，到太和站前部的24#工作井结束。其中上行线盾构隧道掘进里程为6144m、下行线盾构隧道掘进里程为6148m。

2   工程地质勘查情况

在施工前进行的地质勘察表明，矿山法（用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法）接应段（DSK35+771～DSK36+151）的洞身开挖地层主要为W2中风化片麻岩、花岗岩，区间下穿航油管线段主要为W2中风化片麻岩、花岗岩。矿山法接应段地质如图1所示。

地质勘查结果表明，该工程在地质条件复杂，其具体地质特征及分布如下：人工堆积层（Q4ml），主要为杂填土和素填土。残坡积土层（Q4el+dl），土层的厚度在0.60～17.50m之间变化，平均厚度约为5.25m。全风化片麻岩带，岩石层厚度在2.00～39.00m之间变化，平均厚度约为13.80m。强风化片麻岩带，其岩石芯部分表现出坚硬的土柱形态，还包含有土夹碎块或者碎块。中风化片麻岩带，岩质坚硬不易碎裂，其饱和抗压强度在23.1～155.6MPa之间变化。全风化花岗岩，其岩石的芯部形态近似土柱状。当遇到水时，这种岩石会变得较为软化，容易发生崩解；中风化花岗岩，其岩石的核心部位则呈现短柱状和柱状形态。

3   复杂地质地铁隧道盾构施工技术

3.1   盾构机选择

盾构机是用于隧道开挖和支护的关键设备，要根据隧道设计要求和地质条件选择适当类型的盾构机[5]。现对常用的3种盾构机进行技术性能和工程费用对比，如表1所示。

根据该工程的复杂地质条件和表1所示3种盾构机的对比，结合此前盾构隧道工程的实践经验，为保证顺利完成该合同段的盾构工程施工，决定采用2台双模式土压平衡盾构机进行地铁隧道盾构施工。

3.2   双模式盾构机性能分析

双模式盾构机（TBM模式和EPB模式）配置了可转换刀箱，可根据不同岩石的强度来选择不同的刀具和设备、采用不同的盾构模式，以适应复杂的硬岩与软岩结合的地层。

3.2.1   TBM模式

在遇到坚硬的岩石地段时，选用TBM（Traditional Mechanical Excavation Boring，即传统的机械挖掘钻孔）模式进行盾构施工。利用盾构机的刀盘前部的重型滚刀以及刮刀，并将其旋转起来[6]。通过滚刀的挤压力和剪切力破碎岩石并将其分解成碎片，然后將这些碎片引导进入土仓内部。利用刀盘上的刮板，将岩石碎片刮送到刀盘中央内侧的土料收集槽，并使用传送机将其输送出来。TBM模式盾构结构如图2a所示。

3.2.2   EPB模式

在掘进软岩和复合地层时，选用EPB（Earth Pressure Balance，即土压平衡）模式进行盾构施工。利用刀盘前部安装的部分滚刀、撕裂刀或先行刀等刀具进行旋转推进。这些刀具能够剥离岩土物质，并将其顺着刀盘开口送入土仓。与此同时，土体的自然堆积和压缩会产生一定的土压力，用于平衡刀盘前部受到的土压力，以确保刀盘前部土体的稳定性、控制地表沉降在安全范围之内。EPB模式盾构结构如图2b所示。

3.3   地铁隧道盾构掘进

3.3.1   掘进流程

大源站至太和站区间盾构隧道上行线与下行线段施工均采用TBM和EPB两种模式交替进行地铁隧道盾构掘进施工。大太区间隧道施工优化方案如图3所示。

TBM模式也称为“硬岩模式”。TBM模式下的地铁隧道盾构流程如下：首先，机械钻头进行岩石的钻爆和破碎，同时喷水冷却和抑制灰尘；其次，将破碎后的岩屑通过盾构机内部的螺旋输送器输送到传送带上；最后，通过输送带等运输装置将岩屑运出隧道。

EPB模式下的地铁隧道盾构流程如下：首先，盾构机在掘进过程中，掌子面和刀盘后面的土仓之间充满切削下来的土壤中形成一个压力平衡的土环；其次，在保持土压平衡的条件下，螺旋输送器将多余的土壤输送到盾构机内部的传送带上；最后，通过传送带等运输装置将土壤运出隧道。

3.3.2   掘进方法

采用矿山法进行盾构施工，从大源站端头井开始盾构掘进施工，向太和站方向施工。本区段有Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅵ级围岩，上行线从大源站端头井开始，围岩级别依次分别是Ⅵ级60m、V级围岩14m、Ⅳ级围岩40m，Ⅲ级围岩246m、Ⅳ级围岩20m；下行线从大源站端头井开始，围岩级别依次分别是Ⅵ级29m、V级围岩45m、Ⅳ级围岩30m，Ⅲ级围岩96m。

3.4   隧道初期支护与二次衬砌

3.4.1   隧道初期支护

根据围岩的不同等级、性质和稳定性要求，选择最合适的初期支护方案，可以防止围岩失稳或塌方，减小隧道结构的局部荷载，增强隧道结构的稳定性，免除隧道地质灾害风险，确保隧道的施工安全和长期、稳定运行。初期支护参数设定如表2所示。

根据表2中的初期支护参数，确定初期支护流程如下：一是清理施工区域，确保区域内没有浮石、杂物和障碍物，并在隧道围岩上做出第一次混凝土喷射厚度标记。二是根据隧道围岩级别和第一次混凝土喷射厚度标记，使用喷射机向隧道围岩进行第一次C25混凝土喷射，对围岩发挥稳定作用。三是根据隧道围岩级别、混凝土厚度和设计要求，按照隧道的环向和纵向间距设置锚杆，并在围岩上钻孔和安装锚杆，确保锚杆的支护作用有效。四是根据表2中规定的规格尺寸在围岩上安装Φ8钢筋网，其作用是提供抗裂和增强初期支护的强度，防止围岩松动和坍塌。五是根据表2中的要求在隧道全环安装钢拱架，其作用是增加隧道的整体强度与稳定性。六是再次喷射混凝土，混凝土的平均喷射厚度应≥表2规定的厚度。

3.4.2   二次襯砌

当盾构机掘进一段距离且完成初期支护后，即可进行隧道的二次衬砌施工。此时，随着盾构机的掘进，完成与初次支护、开始进行二次衬砌的隧道施工段分离。隧道的二次衬砌常用的模板有整体移动式模板台车、分体移动式模板台车和拼装式拱架模板，应结合。二次衬砌是隧道的最后一次衬砌，可抵御隧道外界的压力，保证隧道结构的安全、稳定和地铁车辆的安全运行。

4   应用效果

地铁广佛环线GFHD-2标三工区的大源站至太和站区间，按照本文所述地铁隧道盾构施工技术完成了施工任务。为了验证该技术的应用效果，选择隧道土体位移数据作为评价指标。

根据隧道施工建设有关标准规定，为了确保隧道完工后的运行安全，其土体的位移量在竖直方向和水平方向都不得超过±5mm。基于该标准，在施工前随机抽取了施工区域内的5个测量点，进行了土体位置测量和记录。在完成该隧道施工后，对这5个测量点的土体位移量再次进行了测量和记录，并将测量结果与标准规定进行了比较，其结果如表3所示。

从表3记录的结果可以看出，按照本文提出的隧道施工技术进行施工后，各个测点上的位移量均在±5mm范围之内，能够保证隧道的质量和安全，由此说明本文设计的地铁隧道盾构施工技术在市政地铁隧道盾构施工中具有可行性。

5   结束语

本文研究了复杂地质条件下市政地铁隧道盾构施工技术，并结合广佛环线GFHD-2标三工区项目为例，对其地质勘察、盾构机选择和地铁隧道盾构掘进等过程进行了设计和探讨，采用了TBM模式和EPB模式进行盾构施工，满足了不同地质条件下的施工需求，取得了在复杂地质条件下进行市政地铁施工高质量的良好效果。

参考文献

[1] 朱建辉.复杂地质条件下地铁隧道盾构施工技术方案研究

[J].市政技术，2021，39（5）：52-55.

[2] 黄超群.小净距叠线地铁隧道盾构施工技术控制要点[J].中

文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2023（4）：120-124.

[3] 陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术[J].隧道建设，2009，

29（4）：446-450+474.

[4] 谢鸿辉.岩溶、土洞复合地层地铁隧道盾构施工技术分析

[J].技术与市场，2011，18（2）：41-43.

[5] 王建亮.岩溶复合地层地铁隧道盾构施工技术[J].城市住

宅，2020，27（5）：220-221.

[6] 彭帅，宋南涛，吴道勇.填海区小曲线地铁盾构隧道设计施

工关键技术分析[J].现代城市轨道交通，2023（3）：30-36.