全断面富水砂层盾构施工风险控制措施研究

张涛

（西安市轨道交通集团有限公司，西安710018）

1 工程概况

西安地铁14号线工程（北客站—贺韶村）依次沿开发大道—学府中路向东路敷设，线路全长13.76 km。尚贤路站—学府路站区间为本线第2个区间，区间隧道采用盾构法施工，盾构由尚贤路站始发后向东掘进，先后下穿徐兰大西疏解线特大桥、大西高铁跨西铜公路特大桥及徐兰高铁跨灞河特大桥、侧穿龙记国会山酒店公寓后在学府路站吊出。

区间隧道主要位于粉砂地层、中砂地层中，地下水位位于隧道拱腰位置。沿线隧道掌子面分布有大量的砂土（2-5-3中砂、局部为2-4-1-3粉砂）。2-5-3中砂，标准贯入试验的标准贯入击数N=52.8击，呈密实状态，石英含量为75.0%，砂层呈浅黄色、黄灰色、浅灰色，密实、潮湿饱和，属Ⅰ级松土。

区间隧道地下水位埋深为10.50～13.70 m，地下水位高程在359.73～361.11 m，埋深水位均位于区间隧道拱顶以上。区间隧道洞身均处于全断面富水砂层。盾构机在砂层掘进时刀盘扭矩大、推力大，刀盘易磨损；地面沉降大，对地下管线和高速铁路有重大影响。

2 盾构施工过程中的风险

2.1 特殊地层中盾构施工风险

盾构机在富水砂层地质中掘进，由于地层中含水量太高、盾构机盾体重量大或土舱压力不足，造成盾构机栽头和盾尾刷密封失效，地下水携裹泥砂进入盾尾导致隧道变形损坏。砂层中石英含量高、刀盘磨损严重、扭矩大、掘进速度慢。螺旋输送机旋片磨损导致出渣效率低下，筒体摩擦破损造成漏水、漏砂淹没盾构机和水土流失造成地面塌陷。

2.2 盾构机始发和接收进出洞风险

盾构在始发井进洞时，需要凿除洞门处钢筋混凝土挡土墙，然后盾构机在始发托架上空推进入洞圈密封装置后刀盘开始转动掘进。在盾构机向前空推的过程中，洞口土体加固效果不理想，并且在空气中暴露时间较长而发生突泥涌水现象。

盾构机出洞时，地下水量较大，洞门止水帘幕止水效果不好，地下水和泥砂从盾体与洞门密封间隙涌入接收站，严重时导致水土流失、后部管片变形和坍塌，造成质量事故。

盾构在进出洞时风险较高，发生事故较多，因此，必须对施工中的每个细节进行控制，加强盾构机进出洞管理。

2.3 盾构穿越运营高铁的风险

运营高速铁路的变形要求严格，在盾构的穿越施工过程中应对措施不当，对地层产生较大的扰动，从而引起地层土体损失，导致被穿越的铁路桥桩产生不均匀变形，威胁高速铁路的运营安全。

2.4 盾构穿越重要管道的风险

给水、燃气、热力、电力、雨水、污水等城市管道纵横交错、年代久远，且与人们的生产生活密切相关，盾构机在穿越这些重要的地下管道时，地层原受力平衡被破坏，地下管道可能发生弯曲、破损引起泄漏、燃烧、爆炸，对管线的正常使用造成影响。

2.5 极端天气的风险

龙卷风、台风、雷暴、暴雪等极端天气对盾构施工产生的影响主要有：雨水倒灌、雷击、临时设施倒塌、材料运输中断、渣土外运中断、高大设备倾覆、供电中断等。

3 风险控制措施

3.1 盾构掘进中的风险控制措施

盾构掘进过程中，可以采取以下风险控制措施：

1）制订盾构掘进风险预控措施。盾构施工前研读设计图和地勘资料，并进行线路沿线的现场调查，确定工程地质、水文条件、地下管线、地面建（构）筑物。根据盾构施工特点和施工环境等进行风险辨识，确定风险源，并制定风险控制措施。针对富水砂层地质，优化盾构掘进参数，进行渣土改良，增加预设刀具检查和换刀点。

2）盾构施工风险预控方案编制。对于风险较高的施工过程，如盾构机进出洞、穿越地下管线、穿越建（构）筑物等，应编制专项施工方案并做好施工过程管理。

3）安装盾构施工监控系统。在地面施工区域和盾构机上安装监控系统，实时反馈监测数据和视频画面。根据监控系统反馈控制盾构施工参数，如掘进速度、推力、土舱压力、渣样变化、刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度、油缸行程、螺旋机转速、管片拼装、盾尾注浆、二次注浆、导向系统参数等，确保地面沉降在允许范围内，盾构施工安全可控。

4）盾构施工设备故障风险管理。盾构机及辅助设备故障是盾构施工的主要风险，必须加强设备的管理：（1）在盾构机安装和通电调试后按照制造厂的标准逐项进行检查，不得将带故障进行始发；（2）每日对设备进行检查、保养、维修将盾构设备故障视为灾害性事故的主要风险源之一，进洞前对盾构进行全面检查、维修和保养，在盾构掘进中进行每日、每月、每季度的检查、保养。进行检查保养，主要检查几个方面：（1）电瓶机车的刹车系统磨损和松紧度；（2）盾尾密封系统、铰接密封系统抵抗施工区段最大水土压力和注浆压力的密封性能；（3）盾构机导向系统、推进系统、注浆系统、电气系统显示准确、工作正常。

5）盾构注浆控制。（1）在盾构机掘进过程中控制同步注浆的参数，如注浆量、压力、注浆速度、注浆点位等，并如实记录。根据地面沉降监测数据检查同步注浆效果。（2）盾构推进300 m后及时对注浆施工质量进行抽检。（3）在同步注浆薄弱、地面沉降量大和管片渗漏水部位进行二次注浆确定加固范围及强度指标。二次注浆中应按注浆技术方案进行，有防止管片偏压损坏的技术措施。（4）定期对注浆系统进行清理、检查和维修，确保其正常工作。盾尾油脂泵工作正常，盾尾油脂性能和注入量满足密封要求，确保盾尾不漏浆、漏水。

6）盾构正面压力的控制。盾构正面压力及其固有波动大小是盾构掘进的关键参数，应注意以下几点：（1）盾构始发前，对土压计重新进行标定，确保其数值准确、可靠；（2）盾构施工前根据地质情况及隧道埋深正确估算土压，在掘进过程中根据施工进度、地面沉降情况、地表建（构）筑物、地质变化、隧道埋深变化对土压及时进行调整。

7）盾构姿态的控制。盾构机姿态控制应注意3个方面：（1）依靠土舱压力、盾构机分区油缸推力和铰接系统配合进行盾构机纠偏，每次的纠偏量最大应不超过5 mm；（2）根据分区油缸行程、隧道曲线、管片与盾尾的间隙进行管片选型；（3）在小转弯半径的曲线段掘进时，加强盾构机自动导向系统测量校核和人工复测，确保测量数据的准确性，促使盾构机形成良好的姿态。

8）制订应急预案与应急准备。针对盾构施工风险制定应急预案，尤其注意极端天气下的风险，配备应急设备和物资，经常性地开展应急演练。

3.2 盾构机始发和接收进出洞风险控制

盾构机始发和接收进出洞时风险控制措施包括：

1）洞口地基加固风险控制。常用的端头加固的方法有高压旋喷桩法、水泥搅拌桩法、SMW桩法、冷冻法、注浆法和降水法等。在盾构进出洞口前针对富水砂层地质采用旋喷桩的方式加固地基。地基加固按照加固方案进行，注意加固的顺序和压力，原则上加固长度比盾构机盾体长2～3 m，宽度比隧道宽3 m，深度为比隧道深3 m。

在洞门破除前对加固体进行垂直和水平钻芯取样检测，确保其加固性能满足要求。

2）洞口土体流失风险控制。（1）始发准备完成后方可进行洞门最后支撑破除，以减少土体暴露时间；（2）洞门止水帘幕安装正确；（3）防止刀盘转动时损伤密封橡胶带和折页板；（4）盾构进洞时折页板不得外翻，盾构出洞时折页板和橡胶条要紧箍盾体；（5）在加固土体中掘进时减小土舱压力，防止土体坍塌流入井内；（6）洞门圈中应预留注浆管。

3）盾构机始发和接收基座变形风险控制。（1）使用计算机软件理论演算基座的强度和刚度，在盾构机安装完成后测量基座变形量，防止因变形而导致在盾构机进洞时盾构姿态偏差而影响止水帘幕的防水效果，在盾构机出洞时拉坏盾尾内的管片而发生漏水；（2）盾构基座安装牢固能抵抗向前推进时盾构机与基座的摩擦力；（3）盾构基座的底面与始发井或接收井底板之间垫平垫实并焊接牢固，基座放置平稳牢固。

4）盾构反力架变形风险控制。对反力架强度进行核算，效验盾构反力架、支撑及预埋件的强度、刚度和现场焊接的稳定性，防止因反力架支撑体系失稳而引起盾构推进姿态的偏差，损坏管片及洞门止水帘幕。

5）盾构姿态突变风险控制。（1）盾构机始发前检查始发基座及反力架支撑，确保其牢固可靠；出洞时核算基座标高及水平尺寸；（2）盾构进出洞时，盾构机沿基座轴线推进，不得强行在基座上扭动盾体；（3）盾构出洞前按照管片拼装要求分3次复紧管片螺栓，用型钢和铁楔子将管片环纵向连接起来，增加管片整体性刚度；（4）盾构出洞前调整盾构姿态，基座标高略低于刀盘底标高，洞门位置焊接型钢支撑，防止盾构机栽头、不利于盾构接收。

3.3 盾构穿越高速铁路的风险控制

盾构穿越高速铁路的风险控制包括：

1）盾构下穿既有高速铁路时，要绝对保证高铁正常安全运行。盾构施工时，应在穿越高铁前后各15 m优选最佳施工参数，加强盾构掘进管理与姿态控制，并在此范围内管片增设预留注浆孔。根据检测情况进行二次注浆加固[1]。

2）穿越过程中应及时进行同步注浆和二次注浆，填充因盾构施工产生的土体空隙，严格按注浆方案进行注浆。

3）增加监测点的布设，盾构穿越过程中加强对高铁线路的监控量测，并根据监测结果及时调整盾构掘进参数，确保高铁运行安全。

4）盾构穿越高铁之前应与铁路部门沟通相关穿越要求，进行风险专项设计，通过专家评审后方可进行盾构穿越高铁施工。

5）于盾构下穿高铁前50～150 m范围内设为盾构穿越高铁试验段，根据试验段内检测数据调整盾构掘进以及注浆参数等，保证盾构顺利穿越高铁桥桩。

4 结语

本文以西安地铁14号线SGZCB-1标尚贤路站—学府路站区间全断面富水砂层盾构隧道施工为例，通过分析盾构施工过程中的风险因素，提出详细的风险控制措施，保证了工程顺利进行，为同类地层的盾构隧道施工以及相关研究提供借鉴。