浅谈盾构法隧道过历史塌陷区施工工艺

陈雷

摘要：地铁目前已经成为一个城市重要的公共交通组成，也是一个城市现代化发展的必须品。修建地铁过程中，盾构法具有不影响地面交通、对周围建(构)筑物影响小、适应复杂地质条件、施工速度快等众多优点而在轨道交通工程建设中广泛应用。但不同的区域地质情况不同，地层情况复杂，盾构施工作业中可能存在较多已知或未知的风险，对施工造成较大影响，甚至造成安全事故发生。本文根据广州地铁某一溶土洞发育区域施工标段为背景，简单叙述下泥水盾构通过历史塌陷区施工的技术指导、心得体会。

关键词：盾构；隧道；塌陷区

1施工作业背景

1.1地面塌陷情况说明

在本项目筹备施工中，盾构通过段发生了大面积的地面塌陷事件，造成交通中断3个月，直接经济损失上千万。在盾构机通过历史塌陷区时，可能存在不明空洞造成盾构泥水仓失压，再次造成路面坍塌，导致出现交通中断、车辆和行人掩埋等事故，对社会影响巨大。

塌陷区地面上方道路护栏、路灯柱、环卫工具房、树木等杂物掉入坑内，可能在隧道断面内遗留。在抢险时采用C25混凝土回填，上铺石粉，然后采用压密注浆的方式进行补充注浆。

1.2塌陷区域地层情况

根据地质详勘资料显示，塌陷区附近地层由上往下分别为杂填土、砂层、部分粘土层及灰岩微风化带。该地区地质条件差、地下水丰富，上部砂层较厚，最大厚度约10m，周边可能存在未探明的溶土洞、断裂带等。

第一个塌陷区附近详勘孔揭示该溶洞高度达6.7m，少量充填，呈串珠状，漏水，溶洞的连通性较强，溶洞顶仅有0.1m厚灰岩，灰岩上方为7.9m厚饱和粗砂层和2.8m厚饱和砂砾层。

第二个塌陷区附近详勘孔揭示溶洞呈串珠状，夹薄层灰岩，粘粒、砂砾填充，洞顶有1m灰岩，岩层上方为7.6m砂层。

2施工准备

2.1存在的风险及对策

风险：在盾构机穿越历史塌陷区时，可能存在局部未探明的空洞，导致开挖仓泥浆漏失而失压，若泥浆不能及时补充，可能会发生掌子面塌陷，最终形成再次的路面塌陷风险。此外，塌陷区可能有异物侵入到隧道洞身范围，影响盾构掘进，损坏刀盘刀具，使得被迫在塌陷区停机的风险。

对策：（1）做好区间建筑物和管线调查，特别是建筑物基础、管线与盾构隧道的位置关系，做好沿线房屋鉴定和保护工作，落实各重点建构筑物与地下管线管理单位联系方式；

（2）制定相应的应急方案，备足应急材料。工程应急车随时待命，在地面与盾构掘进同步行进围蔽；

（3）盾构在掘进过程中，必须做好施工监测，及时地反馈给现场指挥，在掘进中能及时掌握地面沉降情况，做到心中有数；

（4）根据相关要求，按设计图纸对塌陷区溶洞进行扩大范围处理，采用灌注砂浆、WSS双液注浆、单液浆注浆等工艺对塌陷区及溶洞进行填充处理。该区域的扩大处理已完成，并经第三方机构检测合格；

（5）针对可能存在局部未探明的空洞，导致开挖仓泥浆漏失而失压的风险。增设备用泥浆池，增加备用泥浆的储备量，不少于1000m³。同时在膨化池制备高粘度浓泥浆以备不时之需；

（6）盾构拟定掘进参数，开挖仓拱顶压力1.7~1.8bar，推力8000KN~12000KN，刀盘转速0.8~1.0rpm，刀盘扭矩小于2.0MN.m，掘进速度10~15mm/min。根据地质变换设定泥浆参数，泥浆粘度24~30s，比重1.1~1.2，每环掘进开始和结束均需实测泥浆指标；

（7）在通过历史塌陷区前合理位置进行刀具检查、更换，对电缆线接驳延长，以及设备的检修，保证盾构机顺利连续掘进通过。

（8）盾尾通过历史塌陷区后在合适位置增加开仓检查点，整修刀盘刀具和清理开挖仓和刀盘上的异物。通过期间若遇到障碍物，掘进参数会出现异常，如刀盘扭矩波动大、掘进速度降低、推力增大、姿态变化大等，需立即停止掘进分析原因，制定措施。若需进行进仓清障，应采用压气进仓方式。

2.2技术准备

2.2.1掘进参数控制

（1）切口水压

原则上根据公式计算的切口水压力的值进行控制，施工中按照地面沉降数据进行调整。

P=P1＋P2＋P3

=γw•h＋K0•[(γ-γw)•h+γ•(H-h)]＋20

P：切口水压力(kPa)；P1：地下水压力(kPa)；P2：静止土压力(kPa)；P3：变动土压力，一般取20kPa；γw：水的容重(kN/m3)；h：地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）(m)；K0：静止土压力系数；γ：土的容重(kN/m3)；H：隧道埋深（算至隧道中心）(m)；

根据上式可以得出：盾构施工过程中将严格控制切口水压，同时严格控制与切口压力有关的施工参数，如推进速度、总推力、排泥量等，尽量减少压力的波动。根据塌陷区的埋深及其地质复杂性，考虑保障系数，拟定通过期间的拱顶压力设定为1.7bar~1.8bar。

（2）泥水质量指标

在施工期间采用高质量的泥水输送到切口，使其能很好地支护正面土体，塌陷区掘进期间，泥水密度控制在1.1～1.2g/cm3，粘度控制在24~30s。

（3）推进速度

推进速度控制在10mm/min左右。采用低速推进，使土体将盾构推进所产生的应力充分释放，避免产生由于推进应力过大或过于集中而造成破坏。

（4）开挖土量控制

泥水式盾构开挖的泥砂随同循环泥水一起排出，不能直接测量开挖土量，所以要根据送排泥流量、送排泥密度、土工试验结果，采用计算开挖土量：在计算开挖土体的体积时，因要用土粒比重和岩土体孔隙比，故以绝对值进行控制很困难。因此用统计法相对比较开挖土水中重量，以进行判断，为此，必须使掘进速度、掘进开始时泥浆密度等掘进条件大体恒定。现场实际操作是通过测量分离站的渣土量估算每环出土量，以判断每环的出土量是否正常。

2.2.2泥浆参数控制

（1）泥浆运行简介

在泥水循环利用过程中，泥水性能的管理主要是对泥浆质量的控制，即对泥浆最大颗粒粒径、粒径分布、泥浆密度、泥水粘度的管理。泥水粘度是表示泥水的内部摩擦。粘度小，利于泥水以流体形式运出掘削面土砂及地表土、水分离。但从泥水成膜特性方面考虑，希望泥浆粘度大，泥浆粘度大有利于粘土颗粒吸附聚集在掘削地层表面，即成膜速度快，对稳定掘削面，防止逸泥有利。当泥水粘度过大时，排泥管易堵塞。

泥水的密度是一个主要控制指标，过高将影响泥水的输送，过低将破坏开挖面的稳定。一般在能满足开挖面稳定的情况下，泥水密度越小越好，这样能节省泥水制作成本，减少膨润土的消耗。当泥水密度偏低时，通过快速制浆机加入膨润土进行调整；当密度偏高时，用泥浆泵抽出泥浆池的浓泥浆并加入清水进行稀释。

现场配置有清水池、新浆池、膨化池、废浆池，每个池的容量为400立方米，以及分离站首层的运行池，容量为300立方米。膨润土从混合池进行充分混合后进入新浆池，经二次搅拌混合后进入膨化池，在膨化池膨化24小时以上形成高浓度优质泥浆，通过转运泵可随时运输至分离站首层的运行池，通过进浆泵进入环流。

当运行池的泥浆指标不再适用了，可通过转运泵把废浆转运至废浆池，重复上述步骤重新将新鲜泥浆输送至运行池，再次形成环流。过多的废浆通过压滤机挤压成泥饼外运，压滤的水可重新回到清水池存储或经三级沉淀池沉淀后排放。

（2）泥浆管理的重点

盾构机运行过程中需关注泥浆循环系统的进、排浆性能差异，需重点关注以下三点：

进、排浆流量的差值：在盾构机正常掘进过程中，因泥浆携渣作用，泥浆循环系统的排浆量会略大于进浆量。若进浆量大于排浆量，则说明在开挖面存在漏浆，盾构机刀盘附近可能存在未填充的溶土洞。此时需抓紧提高泥水循环系统进浆量，保持切口环水压稳定。避免因漏浆产生的泥水仓压力波动导致地面沉降、塌陷。

进、排浆温度的差值：在黏土地层掘进时，刀盘容易发生“结泥饼”，导致盾构机掘进困难。进、排浆温度的差值一定程度上反映了刀盘前方是否结泥饼。若排出泥浆温度高于进浆温度过多，应适当调整盾构机的掘进参数，降低刀盘扭矩，避免因为温度过高导致刀盘结泥饼。

进、排浆粘度的差值：盾构机运行过程中，泥浆循环系统中进、排浆粘度的差值，一定程度上反映了盾构机所处地层情况。在盾构机运行过程中，需根据进、排浆粘度的差值对泥浆的粘度进行调整。若进浆粘度高于排浆粘度，说明盾构机掘进断面目前所处地层可能为砂层等非粘性地层，在此种地层掘进需适当提高进浆粘度，以保证泥浆的携渣能力。若进浆粘度低于排浆粘度，说明盾构机掘进断面目前所处地层可能为泥质粉砂岩等粘性地层，在此种地层掘进时可能发生“结泥饼”，需适当调小泥浆粘度。

2.2.3应急处理

以人为本，群防群控。把保障员工生命财产安全和身体健康作为应急工作首要任务，最大限度的减少突发事件及其造成人员伤亡和危害。

预防为主，平战结合。坚持预防与应急相结合，经常性地做好应对突发事件的思想准备、预案准备、机制准备和工作准备。应急状态下实行特事特办、急事先办。

统一领导，分级负责。在项目经理部的统一领导下，建立健全“分类管理、分级负责，条块结合、属地管理为主”的应急管理体制。实行行政领导责任制，项目经理是本工程突发事件处置工作的第一责任人。

依法规范，加强管理。严格依法制订、修订应急预案，依法处置突发事件，切实维护公众的合法权益，使应对突发事件的工作规范化、制度化、法制化。

快速反应，协同应对。建立联动协调制度，整合各方面资源，形成统一指挥、反应灵敏、功能齐全、协调有序、运转高效的应急管理机制。

依靠科技，提高素质。充分发挥专家学者在应急管理中的参谋作用，采用先进的预测、预警、预防和应急处置技术及设施，提高应对突发公共事件的科技水平和指挥能力。

3小结

随着城市轨道交通建设的发展，盾构法施工越来越成熟，盾构隧道施工让人们更多意识到了此工法的长处。相对目前各种工法来说，盾构法施工有着明显的较低风险，综合成本也较低。盾构施工三大要素地质、人员、机械，地质是重中之重，虽然目前各种地质勘查技术较快，但任然不能完全把它是“看不到摸不着”的风险完全规避，这就需要我们的各项准备工作中充分考虑到全部因素。不打无准备之战，只要做好事前预防、事中管理、事后控制，基本上施工就会顺利开展，总结相关经验，为推进地铁事业的发展提供微薄之力。

参考文献：

[1]竺维彬，鞠世健.复合地层中盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社，2006

[2]张志伟，贾艳敏.地铁盾构法施工事故预防及处理措施[J]，铁道建筑，2010

[3]徐芙蓉，吕秋鸿，刘新.盾构在不良地层中穿越别墅区施工技术[J]，工业建筑，2010