富水圓礫與泥巖互層地質條件下雙模盾構施工工程實踐

王炳華，陳 凡，姚超凡，周 洋，王士民，左 龍，劉川昆

(1.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530029; 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031; 3.中鐵隧道股份有限公司,河南鄭州 450000)

雙模盾構TBM因其對復雜多變地層的適應性，已初步應用于我國隧道工程建設[1-5]。表1列舉了我國部分雙模盾構工程案例。廣東華隧建設股份有限公司研制了泥水+土壓雙模盾構機，并成功應用于廣州地鐵九號線2標段[6]。該盾構機通過配置泥漿循環系統以及雙螺旋機排泥系統，在盾構機工作時，可以根據實際盾構隧道的土層，在土壓平衡式掘進和泥水平衡式掘進中切換，以適應復雜地段盾構隧道的掘進，提高對復雜地形的適應性。中國中鐵工程裝備集團為青島地鐵硬巖地層研制了土壓平衡與敞開式雙模盾構及土壓-TBM雙模盾構并進行了轉換，但相關技術及研究成果尚未公開。鐵建重工為珠三角城際廣佛環鐵路研制了國內首臺EPB+TBM雙模大盾構，開挖直徑9.15 m，2018年12月12日組裝始發[7]。城通公司在南京地鐵機場線為適應軟土地層和微風化、中風化硬巖地層，采用了TBM和EPB雙模盾構，并研究了EPB模式轉換為TBM模式的操作步驟[8-9]。除地鐵隧道外，雙模盾構也開始應用于鐵路隧道和煤礦斜井中。佛莞城際鐵路獅子洋隧道穿過第四系沉積層、軟硬不均和全斷面巖層，局部為破碎帶[10]。為適應復雜的工程地質，采用了泥水-土壓平衡雙模盾構。神華新街臺格廟礦區1號斜井主井穿越不同軟硬程度的地層，采用具有土壓平衡及單護盾構TBM兩種掘進模式的雙模式盾構掘進施工[11]。針對煤礦“深埋超長、連續下坡、高水高壓、地層多變”等技術難題，鐵建重工在神華神東補連塔2號副井研發和應用了雙模盾構TBM機，提出了掘進機刀具地質適應性選配和優化布置方法，滿足了洞內原位拆解和快速模式轉換的刀盤。

綜上，國內對雙模盾構TBM開展初步的應用，但仍處在初步探索性階段，缺乏系統的研究和公開的資料。為此，本文以南寧軌道交通5號線一期工程五—新區間為背景，探討富水圓礫與泥巖互層地質條件下雙模盾構施工的重難點及其解決方案，對比分析泥水-土壓雙模盾構與單一泥水盾構在掘進效率和能耗方面的特性，分析雙模盾構在南寧地區的適應性，為國內外類似工程提供參考(表1)。

1 工程概況

南寧市軌道交通5號線一期工程五—新區間(五一立交站至新秀公園站)，位于南寧市江南區，穿越邕江(圖1)，區間隧道起止里程為CK18+254.848～CK20+352.934，左線長2 091.9 m，右線長2 098.1 m，全長共4 190 m。根據區間地勘報告，區間隧道主要穿越地層為：③1粉土、④1-1粉細砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3粉砂質泥巖及⑦2-3泥質粉砂巖，其中江南段施工地層多為粉土-粉細砂、粉細砂-圓礫、粉土-圓礫、圓礫-泥巖等復合地層，邕江段施工地層為全斷面泥巖地層，江北段施工地層為全斷面圓礫、圓礫-泥巖、粉土-圓礫復合地層。本區間穿越復雜多變的復合地層，左線采用1臺泥水盾構機掘進，右線隧道采用1臺泥水-土壓雙模盾構機施工(圖2)。盾構機參數如表2所示。

2 工程重難點分析及處置對策

根據區間周邊環境及地質條件情況，本章對施工中的重難點進行分析并制定出相應的對策。

表1 國內雙模盾構工程案例

圖1 五—新區間平面和剖面

圖2 泥水-土壓雙模盾構機主機布置

2.1 區間隧道盾構始發

區間始發端頭隧道埋深8.7 m，洞身為粉土層及粉細砂地層，其中粉土層占比80 %，始發采用密閉鋼套筒始發，但因洞身底部為粉細砂地層或礫石層，地層自穩性差，透水性較好，造成始發困難。

應對措施：

(1)施工前編制盾構始發安全專項施工方案及專項應急預案，并組織專家評審，施工中嚴格按照施工方案實施。

(2)鋼套筒定位前必須對洞門、預埋鋼環車站底板標高等進行復核，并上報第三方測量單位、監理單位審核。

表2 盾構機參數

(3)盾構始發姿態需根據洞門復測成果、設計坐標等綜合評定，并將刀盤位置抬高20 mm，確保盾構進洞后不立即出現“載頭”現象。

(4)鋼套筒施工前車站底板必須鋪設米石進行找平，鋪設高度抬高50～100 mm，避免盾構機下井將鋼套筒下壓。

(5)鋼套筒連接及鋼套筒及洞門連接位置密封需牢固，并對鋼套筒和洞門連接位置進行探傷檢測，避免后續盾構進洞后因推力或壓力過大造成洞門密封失效。

(6)始發前必須在鋼套筒、反力架設置7個位移百分表，適時監測鋼套筒位移情況，并嚴格按照方案要求進行鋼套筒預加應力，觀察鋼套筒和反力架有無位移，如有位移，必須加固后再次進行預加應力，直至鋼套筒位移滿足設計要求，并在始發段持續觀察位移情況。

(7)在盾構機穿越地下連續墻施工前，泥水倉壓力控制在60～80 kPa，可滿足正常掘進需求即可，在盾構穿越地下連續墻前200 mm將泥水倉壓力控制為110～130 kPa，并根據實際監測的地表沉降、出渣量等及時調整、優化參數及倉壓，并在始發段施工期間，密切關注鋼套筒及車站結構有無滲漏等情況，確保滿足始發段保壓要求。

(8)嚴格控制盾構機的掘進參數，盾構在穿越地下連續墻時，掘進速度不大于3 mm/min，推力不大于800 t，并在磨穿地下連續墻前300 mm進倉檢查刀具情況；前20環施工中，盾構掘進推力不大于1 000 t，避免造成鋼套筒、反力架移動，出現密封失效。

(9)在盾尾拖出洞門后，立即對洞門進行二次補注漿進行封堵，確保洞門密封效果。

2.2 復雜多變復合地層掘進

區間隧道所處地層多為粉土-粉細砂、圓礫-粉土、圓礫-泥巖等復合地層，根據南寧地區類似地層施工情況，復合地層中易出現刀具偏磨、姿態控制困難、管片上浮量大等問題，且圓礫-泥巖復合地層施工中，極易出現刀盤結餅、渣土滯排等現象，圓礫地層可能存在大塊礫石，堵塞出路等情況。

應對措施：

(1)盾構機進場前針對刀盤、刀具進行耐磨性處理，以緩解復合地層刀具磨損情況。

(2)復合地層施工中，刀盤滾動角控制在±20 °，當滾動角超限后，立即切換刀盤轉向，減少刀具的偏磨現象。

(3)復合地層施工中水平姿態控制在±20 mm，垂直姿態根據管片上浮情況進行判斷，暫定為-40～-20 mm，當姿態超過控制范圍后，需及時進行姿態回糾，水平姿態回糾每環不大于6 mm，垂直姿態回糾每環不大于4 mm。

(4)測量組根據規范要求及時對成型隧道管片進行復測，當發現上浮量超過40 mm時，及時對盾尾后4～6環管片進行二次補注漿作業，以控制管片上浮。

(5)針對復合地層中管片上浮，可通過調整砂漿配合比、減少砂漿膠凝時間，優化同步砂漿的注入方式等措施，以控制管片上浮。

(6)針對圓礫/泥巖復合地層施工中刀盤結餅、渣土滯排等現象，在盾構機選型及針對性改造時制定相關措施，如盾構機采用直控式、減少渣土在泥水倉內滯留時間，增加刀盤中心沖刷系統及牛腿沖刷等措施。

(7)泥漿性能指標管理。施工中加強對泥漿性能指標日常監測，當發現泥漿性能超過設定指標后，需立即進行廢漿處理，確保泥漿性能滿足復合地層施工需求。

(8)結合南寧3號線青市區間采石箱改造情況，區間兩臺盾構機采石箱均增加攪拌葉片，避免大塊礫石堵塞出漿管路，并對存在的大塊礫石及時進行人工清理。

2.3 軟弱地層盾構連續下穿建筑物

區間隧道下穿建筑物較多，建筑年代久遠，基礎為條形基礎，且隧道處于透水地層，自穩性能差。區間沿線下穿建(構)筑物共計23棟，房屋建筑年代為二十世紀八九十年代，基礎為磚混結構，基礎埋深1～2 m，隧道穿越地層多為粉細砂、圓礫等強透水地層，地層自穩能力差，對地層敏感性較強；區間沿線側穿建(構)筑物共計45棟，其中磚混結構為34棟，鋼筋混凝土基礎10棟，鋼結構基礎1座，距離隧道最小距離為1.6 m，距離隧道最遠距離42.6 m。

應對措施：

(1)施工前編制盾構下穿建筑物安全專項施工方案，經專家審批后實施。

(2)按照設計文件，根據建筑物的預處理方式的不同制定不同建筑物的控制措施。

(3)根據公司類似地層及南寧類似地層施工經驗，合理制定施工中參數控制，并根據根據泥水倉壓力波動情況、出渣情況、管片變化情況、地表及建筑物監測情況等參數適時調整，并及時對脫出盾尾后管片進行二次補注漿作業，控制地表及建筑物沉降。

(4)盾構穿越建筑物時加強對建筑物監測頻率，并及時將監測成果反饋至現場值班人員，值班人員根據監測成果適時調整施工參數，指導現場施工。

(5)下穿建筑物施工中優化同步注入砂漿配合比，縮短砂漿的膠凝時間，并將同步注漿的注漿量由原理論注漿量的1.2～1.4倍增大至1.6～1.8倍，以有效的填充開挖孔隙，更好的控制地面沉降。

(6)施工中泥水倉控制壓力設置高于地層壓力10～15 kPa，確保盾構掘進時地表處于隆起狀態，以抵消后續地表沉降。

2.4 淺埋高水壓水下段盾構掘進

區間隧道下穿江南岸防護堤和江北岸防護堤，防護堤均采用C10毛石混凝土結構，并采用粘土填筑，隧道埋深32～36 m，地層為泥質粉砂巖及粉砂質泥巖地層，具有一定的透水性。區間邕江段施工長度約400 m，隧道埋深最淺為9 m，水位最高為13 m，隧道所處地層為全斷面泥巖，易出現刀盤結餅、渣土滯排的現象，導致泥水倉頂部壓力波動較大，增大覆土被擊穿、盾尾漏漿等風險。

應對措施：

(1)施工前提前對邕江段進行補勘及地形掃描作業，詳細了解邕江段施工地層情況。

(2)通過查閱檔案館、河堤管理處及相關產權單位調查防護堤結構情況，及周邊是否存在抗滑樁等不明結構。

(3)詳細了解詳勘及補勘孔位封孔效果，避免施工中因勘察孔位封孔效果不良好造成壓力外泄等情況。

(4)施工前編制下穿防護堤及邕江段施工安全專項施工方案，經專家論證后實施。

(5)施工前嚴格按照公司或地方相關規定或管理辦法進行施工前條件驗收工作。

(6)施工前制定不同掘進段參數控制，如推力不大于2 800 t、扭矩不大于3 200 kN·m、泥水倉倉壓波動不大于0.2 kPa等，實際施工中根據參數、出渣及洞內監測情況等優化參數，并根據監測成果及成型隧道數據適時進行二次補注漿加固。

(7)泥巖地層中控制刀片結餅措施同復合地層施工措施。

(8)邕江段施工期間密切關注邕江水位變化情況，并安排專人24 h巡守邕江江面，及時優化泥水倉壓力，避免造成覆土擊穿，增大邕江段施工風險。

(9)邕江段施工期間，加強盾尾油脂注入管理，如控制盾尾油脂注入方式、注入壓力、注入量等，避免出現盾尾漏漿等現象。

(10)日常施工中加強對管片拼裝區域清理、管片拼裝質量檢查及盾構姿態等控制，避免異物拖入盾尾造成鋼絲刷損壞，增大盾尾漏漿等風險。

2.5 帶/常壓開倉

因區間隧道地質復雜，地層變化快，全斷面泥巖地層及泥巖/圓礫復合地層較多，易出現刀盤結餅、渣土滯排等現象，導致區間存在多次開倉換刀作業。

控制措施:

(1)盾構開倉施工前需根據地勘資料、地表環境等綜合制定開倉位置，詳細的換刀位置見帶/常壓開倉施工方案。

(2)在盾構到達停機位置前，通過增大同步注漿量、二次補注漿等措施，減少地下水對開倉影響。

(3)在盾尾封水環施工完成后，通過盾構機同步注漿泵向泥水倉內壓注高粘度泥漿制作泥膜，高粘度泥漿粘度控制在60～80 s，壓注壓力為開倉壓力的1.2～1.4倍，以確保掌子面的整體密封效果。

(4)泥膜制作完成后，利用保壓系統和出漿管路將泥水倉內泥漿置換完成。

(5)開倉作業施工前需根據公司或地方相關文件及管理辦法要求組織條件驗收。

(6)開倉前需先向泥水倉內氣體進行置換，以確保泥水作業倉氣體質量滿足規范要求。

(7)作業人員進入泥水倉作業前，需將作業活體(如小鳥)放入作業倉觀察30 min，在確保作業活體無呆滯、死亡現象后，方可進入作業倉作業。

(8)泥水倉內作業人員嚴禁超過3人，泥水倉倉門留1人作為聯絡人員，當發現倉內存在異常時，立即通知操倉人員準備減壓出倉。

(9)泥水倉所有施工作業完成后，關閉泥水倉倉門，恢復至泥水保壓。

2.6 盾構接收

區間接收端頭隧道埋深淺，地層透水性較強，自穩性差，且地下水和邕江連通。區間盾構接收端頭位于圓礫及粉土地層，隧道埋深10.3 m，隧底為圓礫層，因地下水和邕江聯通，接收方案計劃采用鋼套筒施工。

應對措施:

(1)接收施工前編制盾構接收安全專項施工方案，并經專家論證后實施。

(2)接收架及鋼套筒定位均需根據實測洞門坐標及高程比對，確保接收架和鋼套筒定位和實際洞門一致。

(3)鋼套筒安裝完成后，需將鋼套筒內回填細砂和黏土拌合物，并在回填過程中加水確保整體的填充效果。

(4)接收施工時安排人員觀察刀盤前方變化情況，如果發現有密封失效時，立即停止接收作業，及時進行封堵等作業，在確認密封滿足施工需求后，再次進行盾構接收作業。

(5)接收端掘進：①碰壁前推進：到達前1環時掘進速度不大于10 mm/min，推力不大于1 200 t；到達前50 cm時，速度不大于5 mm/min，推力不大于1 000 t，刀盤轉速1 r/min；②地下連續墻施工：速度不大于5 mm/min，推力不大于1 000 t，刀盤轉速1 r；水平姿態偏差±10 mm，垂直姿態0～20 mm；③鋼套筒內掘進：速度不大于5 mm/min，推力不大于8 MN。

(6)鋼套筒拆除前必須確保泥水倉壓力卸載完成后方可進行，拆除前需將鋼套筒頂部設置3個放料孔、底部設置的泄壓孔打開，檢查無壓力后方可進行套筒拆除；拆除順序為先頂蓋、再兩側、后前端蓋。

(7)在盾構機全部進入鋼套筒后，及時對洞門進行二次補注漿封閉，確保洞門及鋼套筒整體密封效果。

3 泥水-土壓雙模盾構與單一泥水盾構施工對比分析

本章基于五—新區間現場施工數據，對比分析雙模盾構和泥水盾構的掘進效率和電能消耗，并分析雙模盾構在南寧地區的適應性。

五—新區間左線泥水盾構和右線雙模盾構在不同地層中的掘進效率對比如圖3所示。從圖3可見，左、右的掘進效率隨地層的變化呈現一致的規律，在粉土粉和細砂復合地層的掘進速率較高，在圓礫-泥巖復合地層的掘進速率顯著降低且波動劇烈。在粉土-粉細砂、粉細砂-圓礫、粉土-圓礫層等軟土復合地層中，泥水-土壓雙模盾構的掘進效率略高于單一泥水盾構。在過江段的全斷面泥巖和分布泥質粉砂巖地層中，雙模盾構掘進效率顯著高于泥水盾構，其掘進效率分別為13.15 mm·min-1和37.01 mm·min-1，雙模盾構的掘進效率提高了181 %。

圖3 雙模泥水盾構不同地層掘進效率對比

左、右線區間隧道在不同地層的電能消耗對比如圖4所示。由圖可見，右線雙規模盾構在復合地層掘進過程中的電能消耗普遍低于左線單一泥水盾構。電能消耗量隨不同地層變化的規律一致，在粉土、粉細砂復合土層中掘進效果良好，耗電量較少。在圓礫-粉細砂復合地層中，由于地層強度增大，刀盤轉速、扭矩和總推力大幅度提升等原因，導致盾構耗電量顯著升高。

圖4 雙模泥水盾構不同地層電能消耗對比

綜述可見，泥水-土壓雙模盾構可根據地層變化的情況及時轉換掘進模式，對復雜多變的復合地層具有更好的適應性，其在掘進效率和電能消耗方面比單一泥水盾構具有顯著的優勢。雙模盾構掘進施工，有助于縮短工期，減小隧道工程施工成本。南寧地區普遍分布富水圓礫和泥巖互層地質，泥水-土壓雙模盾構因其在復合地層中的適應性可在南寧地區廣泛推廣應用。

4 結論

本文基于南寧軌道交通5號線一期工程五—新區間雙模盾構施工工程實踐，分析了富水圓礫和泥巖互層地質條件下盾構始發、復雜多變復合地層掘進、淺埋高水壓水下段盾構掘進、帶-常壓開倉和盾構接收等重難點工程，并制定了對應的處置措施。根據現場施工數據，對比分析了左線泥水盾構和右線泥水-土壓雙模盾構在不同地層中的掘進效率和電能消耗。研究表明，泥水-土壓雙模盾構可根據地層變化的情況及時轉換掘進模式，對復雜多變的復合地層具有更好的適應性，其在掘進效率和電能消耗方面比單一泥水盾構具有顯著的優勢。雙模盾構掘進施工，有助于縮短工期，減小隧道工程施工成本。南寧地區普遍分布富水圓礫和泥巖互層地質，泥水-土壓雙模盾構因其在復合地層中的適應性可在南寧地區廣泛推廣應用。