略论土压平衡盾构施工技术——以合肥市轨道交通3号线土建TJ06标盾构掘进工程为例

何江清（江苏建科工程咨询有限公司， 江苏 南京 210008）

1 工程概况

合肥市轨道交通 3 号线土建 TJ06 标位于合肥市潜山路、天鹅湖路段，全长 3 447.742 m，包括明挖车站 2 座、盾构区间 3 段，单线盾构区间掘进总长 6 210 m。线路出祁门路站后沿翡翠路向北前行，进入望江西路站。区间最小曲线半径 350 m，最大坡度为 27.1‰，隧道覆土厚度 6.1 m～26 m。每个区间线路纵坡呈“V”字坡，隧道主要穿越②2黏土层，部分穿越⑥1全风化泥质砂岩、⑥2强风化泥质砂岩。

2 盾构机选型

合肥市轨道交通 3 号线土建 06 标盾构隧道主要穿越②2黏土层。第四系孔隙水主要赋存于人工填土中，以上层滞水为主，水量微弱。黏土层分布广泛，埋深浅，成层性较好，含水量较小。黏性土透水性和富水性均较弱。

合肥的地质特性是吸水膨胀，失水收缩，天然稳定，遇水减弱。针对合肥地质条件，如果选择泥水平衡盾构，因其在掘进过程中存在大量的泥水输入和排出，对膨胀性黏土的掌子面的稳定不利。同时，泥水盾构需要的泥水分离站，不仅设备费用高于土压平衡盾构，而且存在着膨胀性、黏土颗粒分离不易的难题。由于不同形式的盾构所适应的地质条件不同，盾构选型应综合考虑安全性、适应性、技术先进性、经济性，结合合肥地区地质、水文、环境等因素，经过专家对 06 标盾构适应性方案的评审，在膨胀性黏土地层中采用盾构法施工，首选土压平衡盾构。

3 土压平衡盾构法地铁隧道施工

3.1 盾构始发施工技术

本标段 3 个盾构区间有 3 次盾构始发，分别是在望江西路站、高河东路站和大剧院站，在每个车站两端分别预留 9.9 m×11.0 m 的盾构吊装孔。盾构始发就是在盾构吊装孔底板上安装钢结构的基座上开始掘进，到完成初始掘进 100 m 为止的一系列作业。其主要内容包括：高压旋喷桩端头土层加固、始发基座安装、洞门密封安装、盾构机及后配套的组装和调试、－7 环～0 环管片拼装、洞门凿除、试掘进等工作内容。

3.1.1 施工准备

高压旋喷桩端头井土体加固完成，经检测合格；盾构施工专项方案编制完毕并经专家评审，经总监和建设单位项目负责人审核批准；施工项目部技术负责人对盾构技术人员、操作人员进行安全及技术交底；作业人员提前深入现场，熟悉施工环境；施工人员明确施工危险点及控制方法；完成区间监测点布置及初始值采集工作；测量点位放样并复核完成；施工前由建设单位组织有资质的单位，完成对周边建筑物进行的风险评估及公证。

3.1.2 始发基座安装

始发基座是盾构机在始发井底板上的支撑和定位托架，采用型钢加工制作而成。始发基座安装的具体工艺流程为：测量放线→托架下井→托架安装→位置粗调→复核测量→托架位置细调→测量再次复核→托架固定焊接。

3.1.3 洞门凿除

洞门凿除的主要目的是：割掉盾构机通过范围内始发井端头的围护结构，使盾构机顺利进入端头土体。洞门凿除的工作在盾构机调试完毕前 3 d 开始进行；洞门凿除完成后盾构机立刻前移，顶上土体。

盾构始发洞门采用手携式风镐人工凿除。本标段 6 个始发洞门钢环直径为 6 600 mm，将洞门沿水平直径方向划分为 3 个 2 200 mm 部分，沿上下直径方向划分为 3 个2 200 mm 部分；洞门围护桩凿除时，按先上后下、先中间后两侧顺序进行凿除。洞门凿除顺序为：凿除 ￠800 围护桩表面 100 mm 喷射混凝土→割除 150 mm×150 mm 钢筋网→清除围护桩周边土体→破除围护桩桩身混凝土、割除围护桩外侧 2/3 的钢筋→ 割除围护桩剩余 1/3 的钢筋→洞门修整→清理废料。

3.1.4 洞门密封

为防止在始发掘进时土体从空隙处流出，需设置密封装置。洞门密封是由帘布橡胶板、折叶式翻板等组成。安装顺序为：洞门圈预埋钢环（车站施工时已预埋）→安设双头螺栓→帘布橡胶板→圆环板→垫圈→螺母→翻板。

3.1.5 轨道铺设

为满足盾构机吊装下井及始发的条件，在始发井及车站主体结构底板上铺设施工轨道。轨道长度可根据盾构机长度及始发井与中间预留孔间距确定，轨距为 900 mm。

3.1.6 始发架安装

在盾构主机与后配套连接之前，进行始发架安装。盾构始发架由型钢拼装而成，是由左右 2 根竖梁、上下 2 根横梁、四角 4 根八字梁和 2 个圆柱斜撑组成。

3.1.7 盾构机吊装与调试

盾构机采用 1 台 300 t 履带吊吊装。吊装顺序：后备台车→桥架→螺旋输送机→中盾→前盾→刀盘→盾尾→反力架→调试、始发。盾构机调试包括空载调试和负载调整。

3.1.8 负环管片安装

负环管片也称临时管片。盾构始发时，盾构机的后端是一个反力架（提供反力的后背）；盾构机向前推进时，需在千斤顶与盾构机之间安装负环管片，给盾构机掘进提供向前推进的作用力，直到盾尾进入洞口。

3.1.9 盾构始发掘进

根据隧道埋深及水文地质情况，对掘进参数进行计算。盾构始发段前 100 m 掘进时，主要确定刀盘扭矩、土仓压力、千斤顶推力、刀盘转速、掘进速度、出土量、盾构推进中的渣土改良、同步注浆量及注浆压力等参数；在始发过程中，通过对地面的隆起和沉降进行监测，对管片拼装质量、管片姿态、掘进参数等数据的采集，进一步验证预设参数的合理性和可行性，并且根据监测数据对预设参数不断地进行调整和优化，以便更好地指导盾构正常段的施工。

3.2 盾构掘进施工技术

盾构完成 100 m 始发试掘进后，施工单位对 100 m始发段盾构掘进参数进行分析和总结，以确定正常掘进段的施工参数，具体为：千斤顶总推力 10 000 Kn；刀盘扭矩为 3 000 kN·m～3 800 kN·m；刀盘转速为 1.0 ram～1.4 ram；掘进速度为 20 mm/min～50 mm/min；土仓压力 0.8 bar；注浆压力 0.2 MPa～0.25 MPa；注浆量 5.0 m3～5.2 m3。同时，在推进过程中，根据盾构埋深及水文地质情况，动态调整掘进参数并保持稳定。控制管片拼装质量，对壁后同步注浆作业要严加管理，以保证成型隧道的质量。

3.2.1 开挖面土体稳定控制

盾构掘进过程中，土体开挖面稳定是盾构施工首要控制任务。要保证盾构机刀盘处土体稳定，就要保持土仓压力与土体压力相平衡，控制盾构机的推进速度和螺旋输送机的转速，分别控制进入土仓的渣土量和排出土仓的渣土量，从而控制土仓内渣土的总量，实现土仓压力与开挖面压力的动态平衡。如果因为出土、机械故障等因素而导致盾构机停歇时间过长，必须停机保压并封闭正面土体。

3.2.2 盾构姿态三维坐标控制

在掘进过程中，盾构机操作人员要根据导向系统给出的坐标值，严格控制盾构机姿态，使盾构掘进姿态不能出现突变。当盾构姿态三维坐标超 20 mm 时，就要进行盾构姿态纠偏；超过 50 mm 时，就要停止掘进，分析原因，采取有效措施，确保盾构推进方向符合设计及规范要求。

（1） 采用隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。本工程是选用中铁装备 CREC102 盾构机，该盾构机配置了自动导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等系统，能够直观地在盾构机主控室显示屏上动态显示盾构机当前的实际三维坐标与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制盾构机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。为了保证盾构姿态的准确性，要求盾构测量人员每两天进行一次盾构姿态的人工复测，并将人工复测结果与盾构机显示屏上的盾构姿态进行比对，发现超出限值及时调整。

（2） 通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。本工程每个盾构区间线路的纵坡呈“V”字坡，平面左、右转弯，通过分区操作盾构的推进油缸来控制掘进方向。在上坡段掘进时适当加大盾构机下部油缸的推力，在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时适当加大右侧油缸推力，在右转弯曲线掘进时则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。

（3）盾构掘进姿态调整与纠偏。在本工程区间隧道平面图和纵断面施工设计图中，存在大坡度、小半径等因素而导致在盾构机掘进过程中，实际推进方向会偏离设计轴线并超过设计及规范要求的范围，在线路变坡段或转弯段掘进，有可能产生较大的偏差，因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。

在盾构掘进过程中，要严格控制地铁隧道中线的平面位置和高程，以避免盾构上浮、叩头和后退现象的发生。盾构在平曲线和竖曲线上掘进时，土体对盾构及隧道的约束力差，盾构轴线控制困难，需要放缓掘进速度进行小幅度纠偏，减少超挖及加大注浆量，进一步加强纠偏测量工作，以减少地层水土流失和地面隆沉量。

3.2.3 管片拼装

在掘进完成后及时进行管片拼装，根据设计管片类型、楔行量、盾尾间隙、油缸行程差、铰接油缸的长度等确定封顶块拼装位置，按照正确的拼装方式和合理的拼装顺序，确保管片拼装质量，避免管片错台、破损和渗漏水。

（1）在运输、拼装、推进过程中，应对管片采取有效的保护措施，严防管片出现缺边、掉角和顶裂。为此，在盾构管片拼装过程中，管片拼装人员要经常检查管片环面的平整度。

（2）钢筋混凝土管片拼装时先就位底部管片，然后左右交差、自下而上安装，控制环面平整度和封口尺寸，最后插入封顶块闭合成环。

（3）提高管片拼装精度。规范规定：管片拼装成环直径允许偏差＜12 mm，环缝（管片之间）张口＜2 mm，纵缝（环与环之间）＜2 mm，相邻管片允许高差＜4 mm。

（4）钢筋混凝土管片拼装时，其连接螺栓先逐片初步拧紧；当后续盾构掘进至每环管片拼装之前，应对相邻已成环的 3 环范围内的螺栓进行全面复拧。在管片脱出盾构后，拼装时的紧固螺栓会松弛。为此，待推进到千斤顶推力影响不到的范围后，用扭矩扳手再一次紧固所有螺栓。

3.2.4 壁后同步注浆与二次注浆

同步注浆是盾构施工中非常关键的施工环节。在盾构施工中，通过同步注浆使管片和土体形成稳定的整体，可以抑制地层沉降，防止管片变形和上浮，防止管片渗漏水。在盾构掘进过程中，对同步注浆作业环节要加强管理，以保证成型隧道的质量。同步注浆完成后，加强对地面沉降监测及管片收敛情况的监测。如地面沉降或管片收敛值超出控制值，说明壁后注浆量不足，此时需要检测缺陷区域；缺陷区域确定后，在其周围 4 个注浆孔进行二次注浆进行补强。

根据相关施工经验，本工程同步注浆量按理论管片壁后空隙填充量的 130% 加以控制；注浆压力控制在 0.2 MPa～0.3 MPa，避免注浆压力过大造成盾尾密封处漏浆。注浆的要点是同步、足量和及时，以便及时填充壁后间隙，减小地表沉降。

当同步注浆效果不佳而出现管片漏水或地基沉降等现象时，需进行二次注浆。在盾尾后 3 环～5 环处从隧道上部注浆孔进行双液注浆，在盾尾后 10 环以后从隧道下部注浆孔进行注浆，以减少盾尾脱出后土体的沉降。

3.3 盾构到达施工技术

本标段有 3 个盾构到达预留接收井。盾构到达是指盾构沿区间隧道设计路线，在区间隧道贯通前 100 m 至车站的整个施工过程。盾构到达一般按下列顺序进行：洞门凿除→接收基座安装与固定→洞门密封安装→到达段掘进→盾构接收。

3.3.1 到达段的测量

根据盾构区间施工设计图纸要求，在盾构贯通之前100 m 处暂停盾构掘进施工，对隧道内布设的导线控制点进行复测，准确测量目前盾构机的实际位置和姿态，计算实际轴线与隧道设计中心线的偏差值；对 3 个盾构区间接收井的洞门钢环中心位置进行复核，根据复测结果制定到达掘进方案。

3.3.2 盾构到达段掘进

继续掘进时，及时测量盾构机坐标、位置、姿态，根据到达掘进方案组织施工；掘进至车站接收井加固区域前，钻芯取样检查端头土层加固效果，并在洞门水平方向打探孔以检查是否存在渗漏水，确保土层加固质量满足要求。

3.3.3 到达接收基座安装

接收基座的构造和上述始发基座构造相同。要在准确测量轨面标高、平面位置的前提下，结合盾构姿态安装接收基座。接收基座中心轴线与隧道轴线相一致，同时对接收基座进行加固。

3.3.4 洞门封堵

在盾构进洞落到接收基座上并在最后 1 环管片拼装完成后，不要立即回收千斤顶，而应及时将洞口段 10 环管片纵向临时拉紧成整体，复拧 10 环范围的所有管片连接螺栓，同时拉紧洞门临时密封装置，使止水帘布橡胶板与管片外弧紧密贴紧，通过管片注浆孔对洞门圈进行注浆填充，控制洞口周围土体沉降。

4 施工监测

按照《合肥市地铁 3 号线土建 6 标盾构区间监测方案》，布设隧道外地表隆沉、地下管线、建筑物变形、隧道沉浮等必测项目监测点，根据施工设计图纸及规范规定的监测频率及时地进行监测，形成书面报告。将监测结果及时反馈给施工技术人员，以便其掌握隧道施工实施情况，根据监测结果及时调整盾构掘进参数，以指导施工。

（1）地表隆沉点布设。根据规范及设计要求，在盾构始发、接收段 100 m 范围，每 20 m 设 1 断面；其余地段，每 30 m 设 1 断面。

（2）地下管线监测点埋设。根据现场情况，监测点间距 15 m。

（3）建筑物、构筑物变形监测点布设。在安徽报业大厦、光明世家、国资委大楼、合肥广电中心等建筑物沿外墙转角处布设沉降监测点；在潜山路铁路立交桥的每跨墩柱上布设桩体位移和下沉监测点；在南二环下穿道的悬壁式挡土墙顶部布设桩体位移和沉降监测点；在下穿铁路专用线的铁路钢轨上每 5 m 布置 1 个测点，碎石道床每 10 m布置 1 个测点。

（4）拱顶下沉、隧道底隆起、净空收敛监测点的布设。在每个监测断面的拱顶、拱底或两侧拱腰处布设监测点，每 10 环设 1 断面。

5 结 语

合肥市轨道交通 3 号线 06 标通过盾构选型，从盾构始发初始参数的设定、掘进和到达，经过全体参建人员的不懈努力，历时 16 个月，顺利完成了 3 个盾构区间 6 210 m 的掘进工作任务。在施工过程中，成型隧道工程质量平稳，安全管理工作受控，文明施工有序进行，洞通目标工期提前完成，取得了良好的社会效益。