复合地层盾构掘进的指导原则

钟长平 竺维彬 鞠世健

(1.广州轨道交通建设监理有限公司 广州 510010;2.广州市地下铁道总公司 广州 510030)

在国外，盾构法用于隧道掘进施工已有180多年的历史，在国内则始于20世纪60年代的上海。经过多年的发展，盾构法已成为国内外在比较均质的地层和软土地层进行隧道施工的一种成熟的施工方法。进入20世纪90年代后，广州地铁人大胆引进国外盾构技术，广泛用于复合地层的隧道施工，取得了巨大的成就。迄今已用于广州地铁1～6号线、8号线、9号线、广佛线、珠江新城集运系统区间隧道施工，完成隧道掘进任务超过200 km!如今，在广州学习地铁盾构技术，并茁壮成长起来的建设、设计、监理、施工人才，正活跃在全国各大城市地铁建设的主战场上。某种程度上说，正是广州地铁引领了地铁盾构技术的新潮流，开创了全国盾构施工的新局面。

为攻克复合地层盾构施工的难关，广州地铁人解放思想、与时俱进，本着攻坚啃硬、艰苦奋斗、永不言退的“盾构机精神”，经过消化、吸收、调整、改造，因地制宜、推陈出新，摸索出一整套盾构在复合地层中施工的技术，创立了复合地层盾构施工理论体系。在实践中，提炼出复合地层中盾构掘进的指导原则，那就是“思想重视、预先控制、动态平衡、精细管理”。

1 盾构掘进的指导原则

1.1 思想重视

思想是行动的先导，思想重视是抓好各项工作的前提。盾构施工也一样，只有各级人员上下一致，统一思想，高度重视，盾构施工才能搞好。很多施工单位以为花了大价钱买了好盾构机就万事大吉了，于是思想麻痹，不好好地进行各项准备工作，结果施工过程中问题层出不穷，弄得焦头烂额，吃尽了苦头。

思想重视要落实到“三个到位”上。一是领导到位，各级负责人要加强领导、靠前指挥、率先垂范、以身作则，发挥好表率带头作用;二是责任到位，进一步强化组织，明确分工，落实责任，强化制度保证，加强督促检查，确保安全、质量、进度处于有效控制;三是工作到位，紧密结合工程实际，细化施工方案，严格按规范、设计图纸进行施工，满足合同规定的各项要求。

1.2 预先控制

预先控制为前馈控制和主动控制，它是在施工前准备阶段制订计划时的控制，通过制订计划、编制施工组织设计和专项施工方案、召开专家论证会、进行技术和安全教育与培训、准备应急预案和应急演练等组成的持续性计划，建立预期或预先控制。重点是预防系统偏离预先制定的标准，使系统维持在指定的限度之内，防止不符合期望的事情发生。

预先控制在盾构施工安全管理中占有重要的地位，它使管理者及早采取预防措施，防止问题的发生，免受损失。

1.3 动态平衡

土压平衡式盾构的原理是通过调整推进速度和螺旋式排土器的转速，使土舱压力与开挖面水土压力相对应，使之达到动态平衡的状态。即:通过控制土舱压力可达到控制开挖面前部下沉(或隆起)目的，最好是控制开挖面前部不产生下沉或略有隆起(≯5 mm);土仓压力的设定应略高于开挖面水土压力，一般为0.2～0.4 bar;掘进时避免土仓压力出现过大的波动，最好不要大于0.2 bar;在拼装管片过程中，应保持千斤顶推力，防止盾构机后退，以稳定土仓压力;盾构停机时要适当加大土仓压力进行保压;及时、均匀、足量地进行同步注浆;必要时可二次补浆;尽量对围岩少扰动、微扰动;充分发挥围岩的时空效应和自承能力;尽可能连续、均衡、快速施工;严密监测，及时反馈，优化参数。

2 精细管理

细节决定成败!盾构施工是个系统活，也是个细活，成功的关键在于精细管理，其核心是科学务实的精神和认真细致的态度，要求对每一个工序和每一个步骤都要认真对待，预先制订对策，过程中把每一个细节都要做好，按方案不折不扣地执行到位。倘若思想麻痹、不认真准备、马马虎虎，盾构施工肯定要出问题甚或引发事故。笔者基于复合地层土压平衡式盾构隧道掘进实践，提炼出精细管理体现在以下方面:

2.1 建筑物调查

盾构到达建筑物前要做好各项准备工作，特别要做好建筑物的调查和鉴定，对重要和敏感建筑物要求编制专项施工方案，必要时召开专家讨论会，如需要应对建筑物进行预先加固。

2.2 补充地质钻探

在地质详勘的基础上，一般应对沿线地质水文情况进行补勘，尤其在始发和到达端头、联络通道、敏感建(构)筑物、重要管线等地段要加密地质补勘钻孔，以便更准确地摸清上述重点区段的地质水文情况，据此制订切合实际的施工组织设计并确定适应地层的盾构机掘进参数。

2.3 重大风险关键工序节点验收

为加强地铁盾构工程施工的安全和质量风险管理，应根据有关法规和文件精神，制定重大风险的关键节点验收制度，如盾构始发/到达前、联络通道切割管片前、过江过河前、穿越重要建(构)筑物前等节点进行验收。

2.4 重大风险施工方案专家审查制度

为加强地铁工程施工的安全和质量风险管理，应根据有关法规和政策，制订盾构工程重大方案专家审查制度，如盾构始发/到达端头加固方案、联络通道加固及施工方案、过江过河方案、穿越重要建(构)筑物方案、盾构新机选型和旧机改造方案等，实施专家审查。

2.5 盾构机检查、维修

盾构过建(构)筑物前，应对盾构机做全面的检查、维修，合理考虑刀具配置，进行刀具更换，并充分做好所用相关材料、构配件、人力等的准备，确保连续掘进施工，尽量避免通过建筑物期间停机。盾构机过江前，重点对刀盘、盾尾密封和铰接密封进行检查与维护，同时要对盾构机的液压、电气、水循环、润滑、注脂、注浆、泡沫、铰接等系统进行检修，重点内容包括:空压机的检测与维修、螺旋输送机闸门检测与维修、注脂系统的检测与维修、管片拼装机的检测与维修、泡沫系统的检测与维修、对液压系统进行状态监测。

2.6 添加剂的加入

土压平衡的核心是使开挖下来的泥土呈塑性流动状态，且具有一定的止水性，充满土仓以控制开挖面;同时，用螺旋出土器来调整排土，使排土量和切削量保持平衡，并使土仓内的泥土有一定的压力，以抵抗开挖面的土压力和水压力。为了满足土压平衡式盾构的顺利施工，必须使用外加剂对开挖土体进行改良使之接近理想状态，即应该满足不易固结排水、土体处于流塑状态、土体具有不透水性。

常用的外加剂包括水、膨润土、泡沫、高分子化合物和分散剂等，其用量和比例应根据地层的含砂率和含水量等确定。以广州地区某地铁工程砂层与残积土、风化岩层不同组合的典型复合地层的掘进为例，外加剂的使用情况如表1所示。

表1 广州地区某地铁工程复合地层外加剂的使用情况

2.7 同步注浆

及时进行均匀足量的同步注浆，确保注浆时机和注浆点位，采取注浆量和注浆压力两个指标双控，同步注浆中最担心注浆管堵塞，防止注浆管堵塞有以下措施:

1)浆液运输管路的铺设。要避免管路弯曲造成浆液流速缓慢而沉淀。地面储料罐至井下浆液车中途下料要采用大口径输送管放浆，要缩短放浆时间，同时将浆管口尽可能靠近浆液车底部，打开闸门即可依靠浆液自重放浆。

2)紧凑安排工序。要缩短浆液在隧道内的运输时间，并在洞口和砂浆车位置设置电源插座，专供砂浆车搅拌电机用，保证砂浆车搅拌器正常连续工作，避免因施工停顿时间过长而引起浆液离析。

3)砂浆车向盾构机储浆罐泵浆时，要降低出浆管高度，同时开启搅拌机搅拌浆液。

4)在不影响其他管路及运作空间的前提下，适当改善同步注浆管路，减少弯头，增大管径，避免浆液在管路中沉积、堵塞。

5)保证盾构机及后配套设备的正常连续运行。坚决避免盾构机在推进过程中，因人为停机造成同步注浆工序中断而使浆液凝固堵塞管路。

6)在拼装管片时的停止掘进期间，应间隔缓慢注浆几次，一方面可保持管路畅通，另一方面为同步注浆保压，阻止水进入管背。

7)禁止采用压缩空气来清洗注浆管道。

2.8 二次注浆

根据盾构机掘进地层的情况，必要时进行二次注浆，即在脱出盾尾4～5环的管片上，及时通过吊装孔在1、11点位对每环管片进行二次补注双液浆回填，现场注浆时以注浆压力来控制，超过控制压力即停止注浆。注浆压力控制在4～5 bar，最大不超过5 bar，以免造成管片外周围压力过大，对管片造成破坏。二次注浆必须保证管片背后的空隙充填密实，防止地面建筑物产生过大沉降。

2.9 防结泥饼

盾构机设计上，应有防结泥饼的考虑。

1)在刀盘上设有主动搅拌棒，可以随着刀盘一起转动，同时，土仓壁上也设有固定搅拌棒。在刀盘搅拌棒和固定搅拌棒的搅拌下，泥饼被充分搅动和破碎，减小了黏结的机会。

2)刀盘的转臂采用四条呈放射状的圆柱钢管，可保证中心区土体能顺利滑到土仓下方。

3)刀盘、仓壁、搅拌棒等处设置多个添加剂喷头，可以根据需要向渣土注入一定的水、泡沫等。

4)在施工过程中，如条件允许，尽可能更换中心滚刀为中心刮刀，增大中心区的开口率，也有利于避免形成泥饼。

5)在条件允许时尽可能地加大推进力，选用自转扭矩较小的滚刀，以保证刀具的正常滚动，防止滚刀偏磨。

6)加强掘进中的土体改良管理，尽量将改良渣土的泡沫通过刀盘面板上的孔道向切割表面喷注，使渣土经过刀盘开口进入土仓的流动性好，不易产生结饼。特别需要注意的是，向刀盘面板注入泡沫的孔道与向土仓搅拌棒中注入泡沫的孔道是并联管道，而进入土仓的管路短时，则阻力小，流进的泡沫量大，势必会造成注入到刀盘面的泡沫量减少，而影响刀盘面板处的土体改良。

7)土仓渣土堆积太多，压力建立太高易结泥饼，因此在围岩稳定地层可采用半仓土掘进，如果需要进行土压平衡掘进，可往土仓里加气，达到所需压力，这样可以减少土仓渣土量，进而防止结泥饼。

8)注意渣土温度变化。如果掘进速度较慢，而渣土温度较高，则有可能导致结泥饼。应经常用激光温度仪测渣土温度，观察温度变化，如有异常则在掘进时加大泡沫剂用量，这样可大大降低结泥饼的几率。

9)一旦产生泥饼，可空转刀盘，使泥饼在离心力的作用下脱落。开挖面在确保稳定下可采用人工进仓处理的方式清除泥饼。

2.10 防喷涌

1)在掘进过程中，维护保养好机械设备，加强施工各环节的管理，防止不必要的临时停机，以保持连续掘进。

2)在掘进过程中，适当采用气压，以阻止裂隙水流入土仓。适当加入泡沫剂以改良渣土黏度和液化度，防止渣土过稀造成喷涌。

3)在掘进停止时，将渣土装满土仓，减少向土仓汇水。在螺旋机排土前，刀盘应把土仓内的水、土充分搅拌，使土仓内土体有良好的密水性，避免喷涌。

4)加强同步注浆管理，有效控制注浆压力。适当增加注浆量，使实际注浆量略大于理论注浆量，以保证管片背后尽量填充密实。

5)通过管片吊装孔补注双液浆，及时封堵管片背后的空洞及水流通道，防止管片背后汇水流入土仓。

6)在喷涌不严重时，一般采用螺旋输送机尾部的双平板闸门，交替启闭间隔排渣。在螺旋出土器出土口上安装高强橡胶挡渣带，使出来的稀渣落在皮带机上，防止四处喷洒以及仰拱积渣过多。

7)加大速凝双液浆环向封堵的频率，每隔一定距离进行一次环向封堵，形成有效隔离盾构机后方来水的“环箍”，降低土仓汇水量，避免掘进喷涌;同时，缩短同步浆液的初凝时间，以加强同步浆液的止水效果，保证同步注浆质量。

2.11 渣样分析

在掘进过程中，应安排有经验的技术人员，对每环掘出的渣土采集渣样，认真对照地质详勘报告等地质资料进行分析，以便适时调整盾构掘进参数，及时反馈指导掘进施工。

2.12 出土量控制

在掘进过程中，应安排专人如实、详细地记录每环的出渣量。如按每斗土的油缸行程，将其与理论出土量对比，及时修正掘进参数，避免过量出土引起地面沉降、塌陷、建(构)筑物破坏等严重后果。

2.13 刀具检查及更换

通过对沿线地质情况的分析和刀具磨损情况的预测，充分考虑到无气压换刀和气压换刀方式的适用条件，尽量避免在围岩含水量大和需带压作业地段进行换刀作业。一般情况下，检查及换刀较适宜的地段应隧道埋深合适，且覆盖层无不良地层;并且隧道围岩较均匀，力学性质较好，自稳性强。如需在加压条件下进行刀具更换作业时，必须按照带压换刀操作规程作业。通常对正面滚刀磨损超过10 mm的刀具和边缘滚刀磨损超过5 mm的刀具应进行更换，并保证其他刮刀和小齿刀的完好。

2.14 防钻孔透水

盾构机掘进过地质钻孔时，应采用土压平衡模式掘进，并做好及时注浆，保证注浆的数量和质量。必要时可在盾构机掘进到钻孔前选择合适的位置停机，采用超前小导管注浆加固钻孔下口，防止钻孔透水，确保施工安全。

2.15 地面分段、跟踪、补偿、保护注浆加固

盾构施工中一般采取洞内措施对建(构)筑物和管线等进行保护，当这些措施还不能稳定沉降时，可通过地面分段、跟踪、补偿、保护注浆的方法对这些设施进行加固和保护。

2.16 应急预案与应急演练

盾构机掘进过建筑物前，必须有经过批准的应急预案，并应组织进行应急演练，做好各项应急准备。

3 监控量测

精细管理还包括测量和监测方面。测量工作是盾构施工的基础，非常重要，各方应高度重视，不能出现一点问题。

3.1 测量多级复核

认真执行测量多级复核制。对于地面加密控制网，始发井或吊出井(含中间风井)洞门环中心，始发前包括联系测量在内的基线及地下水准;在隧道掘进至150、300～400 m，距离贯通面150～200 m处时，包括联系测量在内的地下导线及水准;掘进至600 m后，每隔500 m须增加一次包括联系测量在内的地下导线及水准(含加测陀螺定向校核)、始发井与中间风井之间进行“两井定向”等重要节点测量，承包商的测量成果经监理复核合格后，报业主测量队检测。

3.2 测点布置和监测频率

施工前应要求编制监测方案，并督促布点和测初始值。监测点设置要规范，一定要打穿路面埋于土层中。施工中至少每天测2次，对重要和敏感建筑物以及沉降超限时，应加密监测至每2～4小时1次，特殊情况下应进行实时自动测量，施工期间应派专人在地面巡查。

3.3 盾构姿态控制

当盾构机进入到上软下硬地层，需防止盾构机抬头和走偏，其处理措施为:加强施工量测，控制好盾构机的姿态，及时有效地调整各项施工参数，特别是对前仓压力的设定和千斤顶推力的合理分配。为防止盾构机抬头，应适当加大顶部千斤顶的顶推力，平衡盾构机由于前方地层上软下硬而作用在上下千斤顶不均衡的压力，使盾构机平稳推进。在盾构掘进前，对刀具做全面的检查和更换，特别是周边滚刀的磨损，必须加以检测，必要时予以更换，以确保开挖直径，同时为防止盾构往上“跑”的趋势，盾构机姿态适当调整在往下“跑”的趋势，而且调整降低盾构机控制轴线，比设计轴线低20～30 mm。

在盾构掘进时，盾构水平姿态控制在±20 mm为最佳，考虑管片上浮对姿态的影响，垂直姿态可以控制在－30～－20 mm。自动导向系统的报警值为±50 mm，建议以±30 mm为预警值，尽量避免盾构姿态超过±50 mm。当盾构姿态偏差较大时，应采用千斤顶各区推力调整、铰接油缸的调节、使用仿形刀、盾尾壁后有针对性注浆等进行纠偏。在纠偏过程中不能过急，应根据地质条件和线路方向调整掘进参数，以调整掘进方向，盾构姿态每环的差值最好在±5 mm之内，避免成型管片产生大的错台和破损。

3.4 监控重点

盾构施工应重视监控量测，做到信息化设计、信息化施工。施工过程中应将监测到的信息及时反馈，以调整优化施工参数。监控的重点有:土仓压力是否合适，推力、扭矩是否异常，出土状况是否正常，出土温度是否异常，渣样是否异常，出土量是否正常，注浆量与注浆压力是否正常，盾构机姿态和管片姿态是否正常，是否有管片开裂、破损、错台，地表沉降是否异常，管线沉降是否异常，建筑物沉降与倾斜是否异常。

4 展望

放眼国内市场，盾构技术不仅向“长、大、深、难、快、优”方向发展，更是从交通向电力、水务、燃气等宽广领域延伸。为促进盾构产业“又好又快”发展，下一步应重视的工作有:大力培养盾构技术和管理人才，精于管理、勤于总结、勇于创新，加强安全预警与风险控制的研究。

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