1. 工程概况
南涌站～陈村新城站盾构区间线路最小曲线半径为500m，区间线路纵断面呈“V”字型节能坡形式，线路出南涌站后，右线以 -2‰、-20‰、7.58‰、24‰、2‰的坡度到达陈村新城站，线路轨面埋深 17.7m ～ 31.3m，隧道覆土12.88m～26.48m，地层上往下依次为（1-1）人工填土层、（2-2）淤泥质粉细砂层、（2-1B）淤泥质土层、（3-2）中粗砂层、（4-2）粉质粘土层、（6）全风化泥质粉砂岩、（7-3）强风化泥质粉砂岩、（8-3）中风化泥质粉砂岩。
本区间在侧穿建筑物时，隧道洞身穿越地层主要为（2-2）淤泥质粉细砂层、（3-2）中粗砂层、（6）全风化泥质粉砂岩、（7-3）强风化泥质粉砂岩、（8-3）中风化泥质粉砂岩，线路位于24‰的上坡段，埋深约 25m。
2. 施工风险
2.1 上软下硬地层强度不均，出现盾构机抬头、偏离隧道中线的风险
隧道上部砂层标贯系数为 6 ～ 11 锤，属于软弱土地层，下部为强、中风化泥质粉砂岩天然单轴抗压强度值平均为10 ～ 15MPa。盾构穿越该地层时，因隧道上部底层软弱而下部岩层的特质，导致盾构机容易抬头，偏离隧道中心线，影响成型隧道的线性质量。
2.2 盾构出土超方、掌子面失稳，引起地面坍塌的风险
本区间盾构区段主要穿越地层为深厚的（2-2）淤泥质粉细砂层、（3-2）中粗砂层、（6）全风化泥质粉砂岩、（7-3）强风化泥质粉砂岩、（8-3）中风化泥质粉砂岩，上部砂层具有分选性较差，级配不良，松散性大，自身稳定性差，且透水性较强等特点，盾构掘进时因拱顶砂层无法保证气密性，必须采用满仓掘进的模式，刀盘转动切削下部岩层时，对上部砂层造成较大扰动，加上砂层基本无自稳性、且富含地下水，容易导致掘进出土超方，从而引起掌子面失稳、地面沉降超限，甚至地面塌孔等严重的风险。
2.3 盾构机刀盘结泥饼的风险
本区间采用海瑞克盾构机，配备的是复合刀盘，刀盘开口率为 34%。本区间隧道拱顶的砂层过厚、无法开启气压辅助模式，必须采用全土压掘进模式施工。同时，因砂层自稳性差、掘进时容易垮塌，造成掘进推力和扭矩增大，长时间满仓掘进的情况下，盾构机在粘土颗粒含量大的全、强风化泥质粉砂岩中掘进时，发生刀盘及土仓内结泥饼的风险，泥饼敷住刀盘开口，进而降低掘进和排土效率，进一步导致掌子面的被扰动增大，拱顶砂层垮塌更严重，掘进速度降低，形成恶性循环。
2.4 盾构穿越后发生工后沉降的风险
盾构通过后，隧道拱顶及周边的砂层土体受到盾构施工的扰动后，水压力复原，发生排水固结变形，引起地面沉降，导致隧道拱顶上方发生二次沉降，沉降过大后，容易引起地面坍塌的风险。
3. 关键控制措施
3.1 严格控制隧道中线、提前压低盾构机姿态
掘进时，一般采用自动导向系统 VMT 和人工测量复核的方式对盾构姿态进行监测，确保盾构掘进的水平和垂直姿态严格按照隧道中线匹合。同时，对盾构机垂直姿态进行微调，压低盾构机垂直姿态 20~30mm，根据隧道坡度选定盾构机抬头还是低头掘进的趋势，确保盾构机始终匹配隧道中线进行掘进，避免因上部土体软弱而发生盾构机抬头、严重偏离隧道中线的现象。
3.2 洞内超前预注浆处理拱顶砂层
在洞内超前预注浆处理拱顶砂层，确保气压辅助模式进行掘进，降低土仓渣土位，减小盾构推力和扭矩，减少对拱顶砂层的扰动。
解决深厚砂层条件下上软下硬地层中盾构施工的难题，最主要的是掘进隧道拱顶砂层的垮塌问题，同时要避免盾构机结泥饼的现象，根据以往经验，必须采用气压辅助模式掘进 + 良好的渣土改良措施。为解决砂层漏气的问题，可采用洞内注浆加固拱顶砂层的方法，即通过盾构机盾体 3、9 点位以上的 4 个超前注浆孔，采用 wss 后退式注浆的工艺，进行刀盘前拱顶砂层注浆加固，每次注浆长度为刀盘前10 ～ 12m。
超前注浆在盾构机前方及刀盘拱顶形成水泥土后，开始试验土体的气密性，同时选取气压辅助的掘进模式，将土仓内渣土降至 3、9 点位处，降低土仓负重，减少盾构掘进对拱顶砂层的扰动。
3.3 增加盾体径向注入厚浆、填充盾体外刀盘开挖产生的空隙
增加盾体径向注入厚浆、填充盾体外刀盘开挖产生的空隙，避免出现气体逃窜，保证气压辅助模式。
本工程选用海瑞克盾构机，刀盘设计直径为 6280mm，前盾直径为 6250mm，刀盘较盾体直径大约 30mm 左右，当盾构机下穿河涌及燃气管线时，通过盾构机盾体上的径向孔向盾体周边注入厚浆，以填充盾体周边的孔隙，减小盾体通过阶段的地面沉降值，并保证土仓内气体不能从盾体周边的孔隙逃窜，确保气压辅助掘进模式的正常开启。厚浆主要采用水泥和熟石灰进行试验配合，每环掘进时厚浆注浆控制为 0.5 ～ 1m3。注浆压力控制在 3 ～ 4bar。现场通过对 2 号台车处的设备进行加装改造的方式，设置厚浆罐及螺栓注浆泵以满足施工要求，达到控制盾构掘进时避免出现气体逃窜，保证气压辅助模式，同时可以达到减少盾体周边土体沉降的目的。
3.4 选择合理的掘进参数、匀速平稳掘进
盾构掘进的参数选择与掘进模式和地质情况以及地表沉降密切相关。因而，盾构施工前必须根据地质条件选取合理的参数指导施工，使盾构在施工过程中达到最优控制掘进状态。本区间掘进采用气压辅助的掘进模式。控制土仓气压压力为H+（0.1 ～ 0.2）bar（H 为隧道拱顶覆土的高度），保证稳定的土仓压力，减少对地层的扰动；推力控制在 1200 ～ 1700t，刀盘转速放慢，控制在 1.2 ～ 1.6r/min，刀具贯入深度控制在30mm 以内，掘进速度选定为 20 ～ 40mm/min，匀速地切削洞身土体，严格管控出土量，出土系数控制在 1.1 ～ 1.2 倍理论出土量范围；同时，加强盾尾同步注浆管控，砂浆填充系数保证为 1.2 ～ 1.6 倍、注浆压力控制在 3.0 ～ 4.0bar，采用注浆量和注浆压力双控指标，以确保到达掌子面的稳定性和防止隧道拱顶砂层坍塌现象。
3.5 合理分配油缸推力、及时开展二次注浆，控制管片上浮趋势
盾构施工在大坡度条件下，盾构机推力在轴线方向上产生一个向上的分力，加之同步注浆浆液的浮力导致管片上浮。控制管片上浮需要从盾构掘进推力分配、优化同步注浆配比和及时进行二次注浆等方面考虑控制。
（1）合理的盾构掘进推力分配。盾构掘进程中为保证盾构机垂直姿态需使上、下部分区油缸产生推力差防止盾构机掘进过程中发生栽头现象。管片上浮主要是受油缸向上部的分力后加之同步注浆浆液浮力共同作用导致的浮动。因此，在盾构推进过程中在保证盾构机不发生栽头现象的前提下，尽量降低上下部推力的差值从而降低向上的分力的作用。
（2）控制同步注浆。管片上浮时及时调整同步浆液凝结时间，缩短浆液凝结时间，及时固定管片，防止管片位移；并调整上部与下部注浆比例来控制管片上浮量。
（3）及时的二次注浆。盾构管片脱出盾尾后，从第N+3 环开始通过管片吊装孔注入双液水泥浆的方式，控制管片上浮量，注浆量和注浆压力采用现场试验的方式来确认。
（4）严格管控盾构管片螺杆复紧制度。盾构掘进时，在上一个循环管片脱出盾尾后，及时用风动扳手对所有管片环纵向螺栓进行复紧，保证管片形成一个完整的受力体系，减少管片上浮，保证管片拼装质量。
3.6 防泥饼措施
盾构机在深厚砂层的上软下硬地层掘进过程中，未能正确判断复合地层下的盾构掘进模式在土压平衡模式时土舱内土压设定值过高，导致切削下来的土砂不能顺利通过螺旋机排出，在土舱内堆积挤压，土仓负重增大，掘进速度急剧下降，排土不畅，大大降低开挖效率，甚至无法掘进。土仓内的土体密实度和密度越来越大，最终形成泥饼。施工中拟采取的主要技术措施包括以下方面。
（1）降低土体间的粘聚力、减少土舱中土体压实结密的可能性、减少掘削土体与盾构机刀盘及结构间的粘着力，应改善土体的和易性，保证土舱内土压力的稳定性和出土的顺畅。在施工过程中，应及时观察所排土体的情况，分析土体粘性和含砂粒比例的情况，及时添加适量的土体改良剂（泡沫剂）进行土体改良，以减小土体粘性度和粘着力，降低泥饼的产生机率。
（2）控制循环水温度。循环水是刀盘冷却系统的主要介质，随着单环掘进时间的增加，土舱内的温度很容易上升，因此应控制冷却水的温度，必要时需使用冰水。
(3）定期停机进行土仓泡仓处理。在盾构掘进过程中，为了避免刀盘产生泥饼，可采取定期设置停机段，并采用气体——渣土置换的模式，将土仓内渣土位降低至3、9点位处，注入分散剂进行泡仓的措施，减少刀盘结泥饼的可能性。
作者：戚仁勇（中国铁建十一局集团城市轨道工程有限公司）
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第23期
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