周沈華 田涌泉 陳鶴瑛 劉大維

（1.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，陜西西安 710018；2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，重慶 401320）

隨著城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，周邊環(huán)境復(fù)雜是限制地鐵建設(shè)的發(fā)展的重要因素。盾構(gòu)法作為解決復(fù)雜環(huán)境地鐵建設(shè)的重要方法之一，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，下穿水體仍面臨較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

西安地鐵14號(hào)線辛王路站-體育中心站區(qū)間，左線起訖里程ZDK5+588.469～ZDK7+908.090，長(zhǎng)鏈為2.725 m，總長(zhǎng)為2 319.621 m。右線起訖里程YDK5+588.469～YDK7+908.090，總長(zhǎng)為2 319.621 m。

區(qū)間設(shè)置一座盾構(gòu)始發(fā)井。區(qū)間下穿530 m灞河河床及河漫灘，考慮盾構(gòu)機(jī)施工對(duì)河堤的影響，下穿段長(zhǎng)約660 m。下穿河床段平曲線半徑為650 m，左線曲線段605.586 m，右線曲線段610.225 m，線間距為6.0～11.2 m，隧頂覆土深度為16.2～18.8 m，隧頂與灞河百年最低沖刷線距離為9.3～6.4 m，豎曲線半徑為5 000 m，下穿段呈5.191‰單向上坡。

區(qū)間線路如圖1所示。

圖1 辛體區(qū)間線路走向示意圖

區(qū)間下穿灞河段洞身范圍地層：3-4-1粉質(zhì)黏土、3-7-3中砂、3-6-1-3粉砂；上覆地層：2-1-2黃土狀土、2-8-3圓礫、2-5-3中砂、2-7-3礫砂、3-4-1粉質(zhì)黏土、1-2雜填土、2-2粉質(zhì)黏土；下伏地層：3-4-1粉質(zhì)黏土、2-5-3中砂、3-4-2粉質(zhì)黏土、3-7-3中砂。

地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 下穿段地質(zhì)斷面圖

地表水為灞河，河斷面呈U形，灞河兩岸河堤采用毛石砌筑，有防滲處理，灞河水面寬400 m，水深2.0～3.1 m。

地下水屬第四系松散層孔隙性潛水，穩(wěn)定水位埋深約5.7～15.6 m，與灞河河水存在水力聯(lián)系。地下水流速平均值為0.394 m/d。

3 盾構(gòu)機(jī)配置

本工程所用的盾構(gòu)機(jī)開挖直徑Ф6 280 mm，總推進(jìn)力為39 910 kN@35 MPa，刀盤轉(zhuǎn)速0～3.35 r/min，主驅(qū)額定扭矩為6 650 kN·m，主驅(qū)動(dòng)功率945 kW，總功率1 661.45 kW，被動(dòng)鉸接形式。本工程區(qū)間長(zhǎng)距離穿越富水砂層，新制了50%開口率的刀盤，提高刀盤切削渣土流動(dòng)性，減少渣土滯留刀盤增加的磨損。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)前，對(duì)主驅(qū)動(dòng)、泵站、拼裝機(jī)、螺機(jī)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了檢測(cè)維保，刀盤設(shè)計(jì)形式如圖3所示。

圖3 刀盤設(shè)計(jì)圖

4 風(fēng)險(xiǎn)分析

區(qū)間下穿灞河段河床底部距盾構(gòu)隧道頂部18.8～16.2 m，位于地下水位之下，地下水與灞河河水存在較強(qiáng)水力聯(lián)系，地層以粉砂和中砂為主，穿越距離長(zhǎng)達(dá)660 m，存在如下風(fēng)險(xiǎn)：

（1）螺機(jī)噴涌：掘進(jìn)過程中，由于地下水壓較大，土倉壓力和螺機(jī)后部壓力偏高，螺機(jī)難以形成“土塞”效應(yīng)，造成噴涌。

（2）河面冒漿：掘進(jìn)過程中，由于地下水壓力較大，土倉壓力偏高，在砂層中易擊穿地層造成冒漿現(xiàn)象。

（3）密封滲漏：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)三大密封有主驅(qū)動(dòng)密封、鉸接密封和盾尾密封，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)密封的保護(hù)較為重要，密封損壞，將造成滲漏，導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。

（4）刀盤刀具磨損：區(qū)間埋深大，砂層密實(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)大于50，對(duì)刀盤刀具磨損大，盾構(gòu)掘進(jìn)約600 m后開始下穿灞河，存在灞河下方開倉檢換刀具的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）超挖：富水砂層掌子面穩(wěn)定性差，掘進(jìn)和停機(jī)過程中，開挖面或盾構(gòu)機(jī)頂部容易發(fā)生坍塌，造成超挖。

（6）成型隧道滲漏水：區(qū)間隧道埋深大、地下水壓較大，成型隧道滲漏水風(fēng)險(xiǎn)大。

5 關(guān)鍵施工技術(shù)

5.1 土倉壓力控制

下穿段與灞河存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，在掘進(jìn)過程中保持土壓平衡至關(guān)重要。在下穿前設(shè)置的試驗(yàn)段試掘進(jìn)參數(shù)分析，下穿階段采用靜止土壓力公式計(jì)算盾構(gòu)機(jī)土倉頂部土壓力，計(jì)算如下：

式中：γi——土體容重（kg/m3）；hi——土層厚度（m）；k——土壓力修正值（MPa）；k0i——土體靜止側(cè)壓力系數(shù)；P——土倉壓力（MPa）。

下穿前，根據(jù)試驗(yàn)段沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定土壓力修正值，一般可選定為0.02 MPa。在下穿過程中，在試驗(yàn)段掘進(jìn)總結(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)頂部土壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，確保推進(jìn)時(shí)出土速率與推進(jìn)速度匹配，頂部土壓變化控制在±0.02 MPa以內(nèi)，防止土壓波動(dòng)過大引起“拉風(fēng)箱”效應(yīng)，造成超挖風(fēng)險(xiǎn)。在高水壓段，每環(huán)開始掘進(jìn)時(shí)，頂部土倉壓力控制到理論土壓力±0.02 MPa；在低水壓段，土倉靜止壓力較理論土壓力偏低，掘進(jìn)過程中可在停機(jī)頂部土壓基礎(chǔ)上±0.02 MPa保壓掘進(jìn)。

5.2 防磨損措施

5.2.1 密封保護(hù)措施

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)三大密封包括主驅(qū)動(dòng)密封、鉸接密封和盾尾密封，密封效果的優(yōu)劣直接影響下穿灞河的效果。施工采用舊土壓平衡盾構(gòu)，三大密封設(shè)計(jì)形式無法改造，區(qū)間線路長(zhǎng)、水壓高、砂含量多的特點(diǎn)，決定了三大密封需采用抗沖刷、耐磨、耐久等性能良好的密封材料。

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)前，對(duì)主驅(qū)動(dòng)密封進(jìn)行拆解檢測(cè)，維保完成后進(jìn)行打壓檢測(cè)。盾尾在以往吊裝過程中，易出現(xiàn)變形。因此，對(duì)盾尾尺寸進(jìn)行量測(cè)修復(fù)，嚴(yán)格控制鉸接密封現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量。對(duì)推進(jìn)千斤頂安裝精度進(jìn)行檢測(cè)修正，確保伸出后不影響管片姿態(tài)。盾尾密封選用質(zhì)量良好的尾刷，在工廠內(nèi)焊接一、二道尾刷，第三道尾刷在盾尾下井組裝后再焊接。

下穿段主要處在650 m的曲線段，鉸接形式為被動(dòng)鉸接，控制盾構(gòu)機(jī)和管片姿態(tài)至關(guān)重要。施工過程中，應(yīng)合理控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和管片選型，如果盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和管片姿態(tài)不適應(yīng)，將造成鉸接磨損和尾刷磨損加快，造成滲漏風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)和管片姿態(tài)設(shè)置預(yù)警值，按“勤復(fù)測(cè)、勤糾偏、緩糾偏”的原則控制姿態(tài)，管片拼裝前盾尾和管片沖洗清理干凈。

5.2.2 刀盤刀具保護(hù)措施

為了延長(zhǎng)刀盤掘進(jìn)距離，刀盤和刀具采用合金加強(qiáng)耐磨性，配置中心魚尾刀+雙層撕裂刀設(shè)計(jì)。

第一層刀高為165 mm，由21把焊接撕裂刀+19把可更換撕裂刀組成；

第二層刀高145 mm，由19把焊接撕裂刀組成。掘進(jìn)過程中，采用泡沫劑為主，膨潤(rùn)土泥漿為輔的措施渣土改良，控制刀盤扭矩在2 500 kN·m左右，在全斷面粉砂段，土倉壓力較高，刀盤扭矩仍可控制在3 000 kN·m以內(nèi)。盾構(gòu)機(jī)單向掘進(jìn)最長(zhǎng)距離為1.7 km，刀具磨損量最大20 mm，較預(yù)期磨損情況理想。

5.3 防噴涌措施

噴涌的形成機(jī)理，是由于水壓在切口、土倉、螺機(jī)內(nèi)部不能形成水力遞減梯度。螺機(jī)排土過程中，高壓的“水+氣+砂”從螺機(jī)口噴出，噴涌現(xiàn)象會(huì)造成土壓波動(dòng)，嚴(yán)重則會(huì)超挖，會(huì)造成盾尾清理難度增加，施工不連續(xù)，掘進(jìn)形成不斷噴涌的惡性循環(huán)。盾尾清理不徹底，會(huì)加速尾刷的磨損，極大增加了盾尾密封滲漏風(fēng)險(xiǎn)。掘進(jìn)過程中，采取以下幾個(gè)措施控制噴涌和提高清渣效率。

（1）提高土壓力，減少地下水匯入土倉。采用土壓平衡模式掘進(jìn)，在靜止土壓力基礎(chǔ)上提高0.02～0.03 MPa，作為預(yù)備壓力防止地下水補(bǔ)給進(jìn)入土倉。

（2）改良土倉內(nèi)渣土流塑性。采用泡沫為主，膨潤(rùn)土泥漿為輔的進(jìn)行渣土改良。泡沫原液比例2%～5%，膨脹率10～15倍，泡沫流量不小于100 L/min；膨潤(rùn)土泥漿配合比膨潤(rùn)土∶水=1∶10，膨化時(shí)間不小于12 h。在全斷面砂層，采用泡沫和膨潤(rùn)土泥漿改良，泡沫膨脹率和流量根據(jù)刀盤扭矩、螺機(jī)后部壓力、土倉壓力以及渣土性狀適當(dāng)調(diào)整。

（3）螺機(jī)采用主動(dòng)排土模式。通過控制螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和上下閘門開度調(diào)節(jié)出渣量，在螺機(jī)內(nèi)部形成“土塞”效應(yīng)，使螺機(jī)內(nèi)水力梯度降低?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)螺機(jī)后部壓力0.05 MPa以內(nèi)發(fā)生噴涌的概率低，0.05～0.15 MPa發(fā)生噴涌基本可控，高于0.15 MPa時(shí)噴涌控制難度大。

（4）在盾尾后方3～5環(huán)注漿作止水環(huán)，開孔位置在3點(diǎn)和9點(diǎn)交錯(cuò)布置，在噴涌嚴(yán)重的地段全環(huán)注漿。漿液類型為水泥-水玻璃雙液漿，水灰比0.6～0.8，注漿壓力0.4 MPa，穩(wěn)壓10 min，同時(shí)安排專人負(fù)責(zé)觀測(cè)管片變化情況，發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)臺(tái)、破損等變化立即停止注漿。富水砂層注漿開孔極易發(fā)生涌水涌砂，在管片拼裝完成立即安裝逆止閥和注漿球閥，避免管片脫出盾尾后再開孔注漿。

（5）由于噴涌的砂土淤積在盾尾附近，清理過程中極易造成排污管路堵塞，確保排水通暢，是確保下穿灞河均衡、連續(xù)施工的重要措施。

①在螺機(jī)尾部和皮帶上坡段增加擋渣板，防止渣土噴涌時(shí)出現(xiàn)大面積噴撒；

②在最低點(diǎn)位置，將盾構(gòu)機(jī)回水管路與污水管路相連接，通過控制閘閥用外循環(huán)回水沖洗污水管路，保持其暢通；

③在隧道最低點(diǎn)采用型鋼加高電瓶車軌枕，便于積水抽排；

④及時(shí)維護(hù)盾構(gòu)機(jī)排污管路和清理盾構(gòu)機(jī)污水箱，確保盾尾清理污水抽排至污水箱順暢；

⑤下穿段基本處于曲線段，每天對(duì)皮帶跑偏進(jìn)行調(diào)整，減少皮帶跑偏造成的漏渣量。

5.4 掘進(jìn)姿態(tài)控制措施

本工程管片分為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)環(huán)和右轉(zhuǎn)環(huán)，管片楔形量38 mm，管片選型主要依據(jù)盾尾間隙和推進(jìn)油缸行程差選擇。曲線段控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在曲線內(nèi)側(cè)掘進(jìn)，根據(jù)管片姿態(tài)人工復(fù)測(cè)及時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行糾偏。盾尾間隙和推進(jìn)油缸行程差應(yīng)設(shè)置預(yù)警值，每環(huán)量測(cè)盾尾間隙不少于1次，姿態(tài)不好的情況時(shí)，增加盾尾間隙測(cè)點(diǎn)和頻率。本工程盾構(gòu)機(jī)鉸接形式為被動(dòng)鉸接，當(dāng)管片姿態(tài)和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不適應(yīng)的狀態(tài)時(shí)，鉸接壓力和鉸接行程差出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，在管片選型時(shí)應(yīng)注意調(diào)節(jié)鉸接行程差。

5.5 沉降監(jiān)測(cè)措施

本工程盾構(gòu)下穿河堤段，采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)地表沉降變化。下穿河床段，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，采用無人機(jī)巡查的方式對(duì)河面進(jìn)行巡查。

5.6 防超挖措施

防止掘進(jìn)超挖除了保持土倉壓力平衡外，需對(duì)出渣體積和重量進(jìn)行控制。出渣體積通過每個(gè)土箱容納的掘進(jìn)行程、土斗滿箱/空箱的體積差進(jìn)行分析控制。出渣重量通過門吊稱重系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，掘進(jìn)一般配置雙列電瓶車編組，稱重前后記錄電瓶車編號(hào)，確保計(jì)算準(zhǔn)確。

5.7 停機(jī)復(fù)推的措施

工序轉(zhuǎn)換包括停機(jī)-復(fù)推，停機(jī)-注漿-復(fù)推。在全斷面砂層，停機(jī)前向土倉內(nèi)注入膨潤(rùn)土泥漿，將土倉壓力設(shè)定為靜止土壓力+0.02 MPa。停機(jī)過程中，盾尾后方在二次注漿的情況，每隔一定時(shí)間盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)3～10 cm，防止盾體被漿液裹住。復(fù)推前，向盾尾密封補(bǔ)充注入盾尾油脂，密封腔壓力達(dá)到設(shè)定值后再推進(jìn)；螺機(jī)后部壓力過高時(shí)，通過螺機(jī)反轉(zhuǎn)，改善螺機(jī)內(nèi)部渣土環(huán)境。

6 結(jié)語

本工程采用的舊盾構(gòu)機(jī)，區(qū)間線路長(zhǎng)，且下穿段距離長(zhǎng)，主要位于曲線段，隧道埋深大，地層透水性強(qiáng)，砂層石英含量高，針對(duì)這些特點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)改造、維修保養(yǎng)、盾構(gòu)掘進(jìn)控制、資源保障的要求高。通過本工程長(zhǎng)距離富水砂層應(yīng)用舊土壓平衡盾構(gòu)機(jī)成功下穿灞河的案例，為類似工程的盾構(gòu)機(jī)改造、施工管理等方面提供參考。