中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南省长沙市 410004
摘要：在城市隧道施工中，由于周边环境的限制、环保要求高、甲方工期要求紧或地质条件差，通过隧道盾构设备选型确定采用泥水平衡盾构。泥水平衡盾构的始发和接受、掘进操作是保证整个施工过程安全、进度的重中之重，本文结合工程实例，通过实际操作和实地培训、盾构姿态监控、洞内外监控量测分析，确保了顺利贯通，对类似工程具有一定的借鉴意义。
关键词：泥水平衡盾构；下穿；压力；刀盘；接受与始发；姿态监控
1盾构选型
盾构机，由盾体及辅助设备组成，在金属外壳的保护下进行土层开挖、渣土运输、整体推进、管片安装、同步注浆等作业，而使隧道一次成型的机械。
TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力；TBM采用皮带机出渣，环保条件较差，而盾构采用螺旋机出渣或采用泥浆泵通过管路出渣。
根据地质情况分析，隧道洞身范围内地层主要有黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂及细圆砾土，地层差异较大，局部地层呈胶结现象，致使地层软硬不均，确定采用泥水平衡盾构。
2泥水平衡盾构机工作原理
泥水盾构利用循环的悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水的加压作用和压力保持机构，能够维持开挖工作面的稳定。
刀盘位于盾构机的最前端，布置的有各类刀具。通过刀盘的旋转和盾构机的缓慢前进，刀盘上的刀具贯入前方土体。将切削的渣土通过刀盘开口进入泥水仓内从排泥管路排出。
盾体是盾构机的核心部位，主要承受周围土层的土压，地下水的水压。盾构机的掘进，同步注浆，衬砌等作业都在盾体的掩护下进行。
泥水平衡盾构机工作机理详见示意图（图1）。
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图1
3盾构机始发和接收技术
3.1盾构始发技术
详见盾构始发工艺流程图（图2）。
3.1.1端头加固的方式
本工程隧道盾构始发井端头加固采用高压旋喷桩进行加固，加固范围为沿线路方向长度18m，平面上为隧道外轮廓周边4.5m，竖向上至隧道外轮廓顶以上6m，底以下6m。旋喷桩桩径800mm，中心距550mm。
3.1.2始发基座
始发基座的作用：为盾构机组装、调试、始发提供支撑，固定盾构机防止发生偏转、滑动，通过控制始发基座的位置、高程、坡度等参数，使盾构始发能准确定位设计轴线位置（图3）。
3.1.3洞门密封的方式
本工程隧道洞门密封装置采用2道帘布橡胶板，分别位于钢环外侧及钢环中心。详见图4。
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图2
3.2盾构接受技术
盾构接受是指盾构沿设计线路掘进至隧道贯通后，从预先施工完毕的洞口处进入接收竖井的整个施工过程。详见盾构接受流程图。盾构到达前端头加固、洞门凿除、洞门密封安装、水平探孔打设、接收基座的安装、管片拉紧等步骤均与盾构始发类似。
3.2.1洞门复测
在盾构到达接收井之前，对到达处洞门中心标高、平面位置及洞门直径进行复测，以便调整盾构到达的推进轴线。
3.2.2盾构姿态调整
隧道贯通前应加强盾构姿态的控制，以使盾构机拥有良好的姿态到达，准确就位在盾构接收基座上。盾构机到达前100环进行导线测量，确保盾构的推进方向并利用全站仪定向，在最后50环推进的时侯，增加人工测量的次数，及时修正盾构机掘进方向，使盾构机保持准确无误的进洞姿态。
3.3盾构机在超浅埋段的始发接收
本隧道工程位于市区，全长1885m，设计时速160～200km/h，单洞双线，是高铁进出入车站的“咽喉”工程，线路纵坡达到高铁极限3%。其中盾构段1467m，进口明挖段235.1m，出口明挖段186.5m。盾构段采用直径13.23m的大直径泥水平衡盾构机掘进，沿线周边环境复杂，隧道穿越既有轻轨、高速公路、匝道桥梁、居民区等敏感建筑，施工变形控制风险高。
盾构机超浅埋段始发接收是本工程的重难点，盾构始发、接收端埋深约为6～7米，小于1倍盾构机直径，属于超浅埋段，主要采取解决措施如下。
3.3.1对端头地层采用高压旋喷加固，并检查加固效果，确保端头加固后无侧限抗压强度和渗透系数达到设计要求。
3.3.2加强盾构在到达段的掘进控制。
3.3.3在出口端头施工反压平台，以满足盾构机掘进时泥水保压和管片脱出盾尾时的抗浮要求。
4盾构掘进技术
4.1泥水平衡盾构掘进工艺流程（图5）
4.2掘进参数和控制重点
4.2.1掘进参数管理
根据工程特点，采用连续生产的施工组织原则，每周七个工作日。盾构作业循环均采用2+1班制，即每天2个班掘进，1个班维修保养。掘进班每天工作10h，保养班每天强制保养4h，其余时间为跟机保养。
盾构机在完成前200m的试掘进后，根据试掘进段的施工参数分析总结，确定正常掘进施工参数。
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图3
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图4
4.2.1.1根据地质条件、覆土厚度和试掘进过程中的经验进一步优化掘进参数。
4.2.1.2严格控制好推进方向，将测量结果与计算的三维坐标相校核，及时调整。
4.2.1.3根据当班工程师指令设定的参数推进，与管片背后注浆同步进行。不断完善施工工艺，控制施工后地表最大变形量在+10～-30mm之内。
4.2.1.4盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。
4.2.1.5推进时的轴线误差≤30mm；整环拼装的允许误差：相邻环的环面间隙≤0.8mm，纵缝相邻块的间隙≤0.8mm。
4.2.1.6盾构掘进施工全过程须严格受控，值班工程师根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，并即时跟踪调整。
4.2.1.7做好施工记录：盾构推进压力、掘进速度、刀盘压力、刀盘转速、泥水仓压力、泥浆流量、注脂压力、注浆压力、盾构竖直及水平偏差及盾构机各设备运行状态等。
4.2.2盾构掘进主要控制参数
4.2.2.1切口泥水压力设定
理论计算切口水压上限值P上=P1＋P2＋P3=γwh＋K0[(γ-γw)h+γ(H-h)]＋20和
切口水压下限值P下=P1+P'2+P3=γwh+Ka[(γ-γw)h+γ(H-h)]-2Cus qrKa+20。
实际取值介于理论计算值的上下限之间，然后根据实际监测数据进行调整。
4.2.2.2掘进速度
正常掘进条件下，掘进速度应设定为3～4cm/min；如盾构正面遇到障碍物和通过软硬不均地层时，掘进速度应根据实际情况降低。
4.2.2.3掘削量的控制
盾构掘进实际掘削量VR=（Q1-Q0）*t式中：Q1——排泥流量（m3/min）；Q0——送泥流量（m3/min）；t——掘削时间（min）。
4.2.2.4泥水指标控制
比重ρ=1.15～1.18g/cm3；粘度ν=18～25sec；析水率XS<5%；PH值：8～9；API失水量<30CC/30min；
4.2.2.5同步注浆
注浆压力设定为0.1～0.3MPa。每环理论注浆量V=π/4×（13.262-12.82）×2=18.8m3。
实际注浆量根据实际情况确定，以压力控制为主，一般为理论建筑空隙的150～200％，即为28.2～37.6m3。
4.3盾构掘进姿态监测
4.3.1采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测
随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。
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图5
4.3.2采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向
4.3.2.1根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。
4.3.2.2在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。
4.3.3盾构掘进姿态调整与纠偏
因地层变化、线路变坡段或急弯段掘进时，应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。
4.3.3.1参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。
4.3.3.2在急弯和变坡段，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖来纠偏。
4.3.3.3当滚动超限时，盾构机会自动报警，采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
4.3.3.4盾构机纠偏每环不超过6mm。
4.4同步注浆控制
4.4.1浆液调制及准备
选择流动性、和易性好的浆液，增强浆液的可注性；控制好砂、粉煤灰等浆液拌制原材的质量控制。
经常对注浆管路进行清洗，保持注浆管理通畅；在清洗注浆管路的时候注意防止地层泥沙随注浆管涌入隧道。
4.4.2同步注浆控制
密切结合掘进速度控制好注浆速度，避免过快造成堵管、也应避免过慢以致地层收敛后导致浆液无法注入。
每推进一环的建筑空隙为：2.0×（13.23²－12.8²）/4＝17.6（m³）（刀盘外径：Φ13.23m；管片外径：Φ12.8m）。
每环的压浆量根据地质情况考虑为建筑空隙的135％，即每推进一环同步注浆量为23.8m³。（具体实际根据监测数据进行调整），压浆速度和推进速度保持同步，即在盾构推进同时进行注压浆。
5地表监控量测
根据盾构区间设计图纸、相关监测技术规范、业主和当地政府相关要求，本区间地表沉降、地表隆起将采用自动化监测、人工监测相结合的监测方式，其他监测项目均为人工监测。
5.1地面道路的自动化监测
采用钻孔形式埋设静力水准仪（钻孔直径150mm，深度300mm），并在高速公路路面挖槽（槽深300mm，宽度50mm）埋设通气管、通液管及电缆线，组成沉降观测水准系统。
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5.2地表构筑物的人工监测
人工监测范围主要为整个施工区间的所有地表辅助监测点、周边建（构）筑物监测点等，涵盖整个盾构区间。
自动化监测无法实施的道路路面监测，也采用钻孔形式埋设沉降观测标（钻孔直径150mm，深度50cm）采用人工监测。
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6小结
6.1本工程盾构隧道贯通误差为13mm，满足设计和规范要求，洞外的监控量测数据显示，道路沉降3mm，周边建筑物最大变形值为1.2mm，盾构掘进基本对周边无影响。
6.2现场精心组织，严格掘进参数控制，日掘进突破了300m的高产，安全优质精准顺利贯通，满足了业主的总工期要求，并被授予了高度评价。
参考资料
[1]《高速铁路隧道工程施工技术指南》TZ201-2015[S].
[2]本工程的《高速铁路盾构隧道设计文件》