王玄
37082819850911**** 山东慧泰市政工程集团有限公司
摘 要：本文以济南地铁R2线闫~八区间隧道盾构法施工为背景，对土压平衡盾构机穿越富水风化闪长岩地层时的主要施工参数、施工存在问题、采取的相应措施以及后续施工建议进行了说明，以期指导实践。
关键词：盾构法，穿越、富水风化闪长岩
1、工程概况：
1.1区间情况：
济南地铁R2线闫千户站~八里桥站（闫~八区间）右线隧道全长674.313m，管片外径为6.4m；区间线型较简单，无转弯半径；隧道下穿、侧穿既有和在建管线、建（构）筑物较多，这就要求在施工中要有效控制地面沉降，保证沿线建（构）筑物的安全。
1.2地质情况：
区间在里程CK10+317~CK10+565段掌子面围岩由全~强风化闪长岩组成，覆土厚度14.6～16.7m。掌子面球状风化体交错分部，软硬极不均匀，全～强风化闪长岩中，夹有中风化硬夹层，中风化闪长岩中又夹有全～强风化软弱夹层、透镜体，软硬夹层分布及厚度无规律性。隧道结构底部19-3中风化闪长岩接近隧道底板，不排除有侵入隧道洞身的可能性。
1.3水文情况：
本工程地下水位埋深2.0～2.3m，高程介于25.06～25.37m之间。根据沿线地层岩性、结构、地下水的赋存条件，主要为基岩裂隙水。
全~强风化闪长岩厚度6.50～24.00m，裂隙发育，风化程度较高，为地下水储存和渗流提供了条件，该层基岩裂隙水具有含水层厚度较大、富水性相对较强的特征。
1.4盾构机概况：
闫~八区间盾构机采用济南中铁生产的489#电驱土压平衡复合盾构机，铰接形式为被动铰接，渣土改良系统设计为6路泡沫+2路膨润土+5路中心冲刷。盾构机刀盘采用四主梁+四副梁结构形式，刀盘开挖直径为φ6680mm，开口率40%。主要刀具配置为：4把17寸中心双联滚刀、33把17寸单刃滚刀、8把边刮刀、40把刮刀、23把焊接撕裂刀、8把保径刀。
2、主要施工参数设定：
2.1盾构机土压力设定
土压力的设定是盾该盾构施工的关键参数之一，对地层沉降控制起主导作用。朗肯主动土压理论适用性较广，适合各种地层，所以根据地层基本物理力学参数表，按朗肯土主动压力公式进行计算。
朗肯主动土压力理论：
.png)
通过朗肯主动土压力理论计算主动土压力约为0.12Mpa，同时施工中通过设在土仓隔板的压力计实时监测，结合地质、埋深和地面监测数据的反馈分析，适时优化调整土压力，以确保地面沉降控制在规定的范围内，因此，该区段土仓压力设定为0.12±0.02Mpa。
2.2盾构机推力设定
盾构机总推力主要由以下五部分组成：
.png)
式中：F1为盾壳与土体的摩擦力；
F2为刀盘上正面的水平推力；
F3为切土所需要的推力；
F4为盾尾与管片间的摩阻力；
F5为后方台车的阻力。
.png)
式中：μ为土体与钢的摩擦系数，取μ=0.3，P0为地面上置荷载，P0=2 t/m2 ；P01为盾构机底部的均布压力；P1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P2为盾构机底部的侧向水土压力。
.png)
式中：λ为水平侧压力系数，λ=0.43；h为上覆土厚度；γ为容重；
.png)
通过上述计算公式及方法算出节点CK10+565的总推力参考值为1905.29t。
2.3盾构机出土量设定
出土量管理是盾构掘进的根本，是控制地层损失率的最直接、最有效的手段。在试验段的掘进中，对出土量的体积和重量的验证是检验出土量理论计算的最有效手段，出土量通过实际情况进行验证通过收集的数据对出土量的控制数据进行优化调整。出土量控制必须以渣土体积控制为主，重量复核为辅。
理论出土量：
V ＝π×(D/2)2×L＝π×(6.68/2)2×1.2＝42m3/环
根据试掘进段施工经验，土体的松散系数取1.19。
其中：V实=VS=42*1.19≈50m3
D—刀盘直径；L—管片宽度；S—松散系数（取值1.24）
实际出土量设定为50m3/环，出土量偏差不超过理论值的5%。
2.4盾构机同步注浆参数设定
2.4.1注浆压力
为保证对环向空隙的有效充填，确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据《盾构施工关键工序管理规定（试行）》相关内容，该工程注浆压力取值为：上部Pa+0.05~0.1Mpa，下部Pa+0.1~0.15Mpa。
2.4.2注浆量
刀盘开挖量与管片间的理论体积
.png)
，其中D为开挖直径，d为管片外径，L为管片环宽。计算得V=3.44m3。
按照《济南轨道交通工程建设安全风险技术管理体系盾构施工关键工序管理规定》的要求控制同步注浆量，结合该工程地层情况：
一级风险源注浆量不小于隙理论体积的1.8V，为6.19m3；
二级风险源注浆量不小于理论体积的1.6V，为5.5m3；
三级及以下风险源注浆量不小于隙理论体积的1.5V，为5.16m3。
注浆压力及注浆量双控制，结合沉降数据分析总结指导后续施工。
2.4.3注浆速度
同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.2m掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
3、施工遇到的问题以及相应措施
3.1螺旋机喷涌
该区段地下水丰富，且隧道处于全、强风化闪长岩层，裂隙发育，为地下水渗流提供了条件，导致该区段盾构掘进时喷涌严重，螺旋机后部土压最大为1.6bar。由于喷涌引发：出渣量难控制、皮带机携渣、盾尾清渣量大等一系列问题。
采取的方法：
方案一：外加剂渣土改良，即6.25‰比例的聚合物和水混合液，但效果不理想，且成本较高；
方案二：土仓高压“密气”，目的是利用气压阻止地下水往土仓内汇流的，效果依然不理想且喷涌加剧；
方案三：满仓推进、上部土压不低于0.12Mpa、推进时关闭螺机后闸门但转速保持1~2转、间隔排渣；同时提高同步砂浆水泥含量，每5~10环施做止水环。
通过实践验证方案三能有效控制喷涌，确保盾构机正常掘进。
3.2地层软硬不均
该区段地层为球状风化闪长岩，全、强风化岩层中夹带未风化的孤石以及中风化闪长岩，导致盾构机掘进参数波动大，主要体现为掘进速度和刀盘扭矩变化较大。而且通过了解类似地层的相邻标段曾多次发生刀具崩刃、刀具螺栓断裂、刀具掉落等现象。
为应对地层软硬不均问题采取了如下方法：
①控制盾构机推力不超过13000KN；
②控制刀盘扭矩不超过3500KN·m；
③控制刀盘转速为1~1.3r/min；
控制这些参数的主要目的是保护刀具，防止刀具异常损坏。通过控制参数，闫~八区间右线顺利贯通，出洞后检查刀具，滚刀平均磨损量为15mm，个别中心双联滚刀及中间滚刀偏磨、弦磨、多处刮刀崩刃，但无刀圈崩刃、刀具脱落等问题。
3.3盾构机油温温度过高
该区段盾构掘进，为控制喷涌及保护刀具，掘进速度降低，掘进一环用时达2个多小时，导致盾构机因液压油油温过高停机。后来排查发现，由于盾构施工用水为地下水，而济南地区水质碱性大，盾构机长时间保持掘进状态容易使外循环水结成水垢，从而导致散热效果差。
后来增配一套软化水设备，效果有明显改善。
4、后续施工建议
在闫千户站~八里桥站区间双线贯通、洞门环梁施做完成、车站降水井封井以后，已完工的区间隧道内又新出现较多的渗漏水点。分析原因可能是由于施工期间地下水有释放点，成形隧道范围内地下水水量及水压力较小，而工程完工后多处释放点均已封闭从而导致成形隧道范围内水位上涨、水压增高，使得新增多处渗漏水点，对此提出以下两点后续施工建议：
1）后续施工过程中每5环一次全断面的二次注浆，注浆材质宜为单液水泥浆；
2）后续管片生产过程中，在管片弹性密封垫外侧再增加一圈盾构管片用遇水膨胀橡胶密封垫。
5、结语
本文对济南地铁隧道在富水风化闪长岩地层中，采用土压平衡盾构法的施工情况作了较为全面的分析。从施工参数的理论分析以及设定，到施工过程中容易遇到的典型问题和相应措施，以及后续施工建议都进行了说明，对相似隧道的盾构法施工有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 张立新，邱明轩.北京地铁盾构法施工技术[J].铁道建筑，2007（6）.