长沙地铁孤石群地层盾构施工技术
[ 摘 要 ]以长沙地铁盾构施工的实践为例，从工艺特点、施工原理、孤石群地层探测、盾构优化改造、孤石群地层掘进、跟踪注浆、灰岩掘进、安全控制等几个方面,详细论述了孤石群地层盾构施工技术。通过施工效果反馈该技术运用的科学性和适用性，为城市地铁盾构的安全快速施工提供借鉴和参考。
[ 关键词 ]地铁隧道；孤石群地层；盾构；施工技术
长沙地铁2号线位于长沙市芙蓉区内，临近湘江。地铁区间隧道采用盾构施工，盾构从迎宾路站始发，经过迎宾路站～芙蓉广场站区间（隧道右线长550.50m，左线长550.44m）和芙蓉广场站～五一广场站区间（隧道右线长654.85m，左线长561.35m)。2个区间位于长沙市五一大道下方，地面为城市主干道，两侧为商业楼，隧道离建筑物的距离7.8～14.1m，地下管线非常复杂、密集，施工难度较大、风险较高。
1 工艺特点及施工原理
长沙地铁穿越灰岩孤石群地层，存在孤石和卵石填充，软硬不均、水压高，此工况施工在国内外尚无先例。芙蓉广场站到五一广场站区间需要穿越330m长孤石群地层，通过综合技术攻关，破解了盾构在长距离孤石群地层中掘进的世界性难题，开创了盾构直接破除孤石的技术先河。该项施工技术的主要工艺特点如下。
1）在基岩凸凹地方钻孔后采用电极进行跨孔采集数据，然后采用2.5维反演软件自动生成电阻图来对孤石进行定位，准确率100%，为盾构制造和孤石处理提供可靠信息。
2）在刀盘开口率较大处焊接非封闭式格栅和增设撕裂刀，实现盾构直接破除孤石，解决了>25cm石块进入开挖仓堵塞螺旋机的难题。
3）在螺旋机上增加检查口，当多块石块堵塞螺旋机时打开检查口直接快速清除石块，同时在螺旋机进碴口增加2路聚合物碴土改良管路，高水压时采用高分子聚合物动态改良技术杜绝喷涌塌方，工序简单、成本低、施工安全。
4）采用欠土压掘进模式提高施工速度和减少刀具磨损，在盾尾底部增加2组油缸和动态调整参数有效控制掘进姿态，适用性强，使用效果好。
2 施工工艺流程及施工技术
2.1 工艺流程
长距离孤石群地层盾构施工工艺流程：孤石群探测→孤石群处理方案确定→盾构刀盘优化→孤石群地层掘进←→跟踪注浆→进入灰岩掘进。
2.2 施工技术
2.2.1 孤石群探测
1）探测区确定 根据地质剖面图分析，孤石群大多在孤石群基岩凸起坡面，因此先确定隧道灰岩凸起，其前后20m为探测区。
2）探孔布设 横向以3.5m线间距，沿盾构掘进方向平行布置3条探测线，孔距为9m(图1)。
3）地面钻孔 采用地质钻钻Ф 110mm的孔，孔深插入隧道底部5m，并做好每孔的地质记录。
4）安设PVC管 钻孔后直接下电极探测效果最好，但由于该地层容易塌孔，因此，钻孔后安设内径不小于70mm的PVC塑料管保护电极。为保证采集数据时的导电性，PVC塑料管上要打密集小孔，使水能贯入管内。为防止小孔进泥浆在管外部缠上纱布，并用塑料扎丝扎紧。
5）数据采集 PVC塑料管安好后在孔内灌满水确保导电性能，然后在2个孔内插入电极，并与电脑连接，实现1孔发射、1孔接收并进行数据采集。为确保数据的可靠性，进行2次数据采集，每个孔均要和相邻孔进行1次断面数据采集。
6）数据反演处理和定性 将2次测得的大量数据利用2.5维反演软件直接生成电阻率剖面图（图2)，结合钻孔地层情况，以岩体的电性差异为物理基础判断是否存在孤石。然后绘制出超高密度电阻率剖面图和解释成果图（图3）。
2.2.2 盾构停机位置选择
1）停机时机选择 盾构在进入孤石群前必须停机检修，停机位置选在稳定灰岩地层。
2）停机位置条件 对左右线地质剖面图进行分析，初步选择停机位置后通过左右线地质图绘制横断面图，选择灰岩覆盖厚度大于3m、RQD值大于85%、渗透系数小于10-6cm/s的地段停机。
2.2.3 盾构机优化改造技术
1）刀盘开口率优化 当盾构掘进到停机位置后停止掘进，开仓后由地质工程师进仓确认开挖面稳定后在刀盘上增焊非封闭式格栅（图4），降低刀盘最大开口率，使进入开挖仓内石块小于25cm，确保石块能顺利通过螺旋输送机。
2）螺旋输送机增加检查口 在切割螺旋机处增设检查口（图5）。右线盾构螺旋机上多增设3个检查口，确保能及时清除少量堵塞的石块。
3）增加撕裂刀 为了更好地破除孤石，在刀盘条幅上先用氧焊吹除耐磨焊，然后均匀分布焊接6把重型撕裂刀。
4）增设聚合物碴土改良管路 由于孤石群地层多数位于高水压砂卵石地层，原盾构刀盘上只设计有泡沫管路和膨润土管路，为确保盾构在破除孤石期间螺旋机不发生喷涌，在螺旋机进碴口处焊接1路聚合物碴土改良管路（图6)。
5）增加两组可移动式辅助油缸 由于孤石群地层多数位于高水压砂卵石地层，当隧道下半部为基岩，上半部为砂卵石，盾构离开基岩时，出现刀盘底部为砂卵石、上半部为孤石，这种情况容易出现磕头。因此，在盾尾下部增加2组辅助油缸（图7）实现纠偏。当从孤石群进入基岩，容易发生抬头，在盾构顶部增加2组辅助油缸，利用法向应力确保盾构姿态。该地层也容易出现左侧为基岩、右侧为孤石群或相反情况，此时要在孤石群一侧增加2组辅助油缸实现纠偏。
2.2.4 孤石群地层掘进技术
1）掘进参数控制 通过多次掘进总结出在孤石群中掘进时，掘进速度控制在4cm以内，推力控制在16 000kN，扭矩控制在3 000kNm以内，刀盘转速控制在1.3r，螺旋机速度控制在4.5r为宜。
2）动态碴土改良 孤石群位于孤石群基岩残积土上，被卵石覆盖。采用5%配比的HT-03A泡沫剂进行碴土改良，降低土体的内摩擦角，提高开挖土的流动性，防止“闭塞”现象发生，同时降低了刀盘和排土器的扭矩，利于稳定掘进。另外，在出土的同时要随时关注开挖仓内水压和碴土颗粒变化，一旦出碴不畅、水压变大，立即采用0.3%聚合物溶液从螺旋机进碴口进行改良，同时慢慢从开挖仓内取消泡沫剂。
3）掘进模式选择 根据开挖面砂卵石顶部粘土层厚度大小，采用欠土压掘进模式，即掘进土仓压力控制在比计算土压小0.8～1bar，每环掘进还剩10cm时不出碴，使拼装管片时土仓压力与开挖面压力相当。
4）同步注浆 由于孤石群含有大量卵石与粘土，局部为卵石。因此，同步注浆采用双控：①注浆压力必须控制在0.3MPa；②注浆量不得少于理论填充空隙的180%。
2.2.5 跟踪注浆技术
1）跟踪注浆前准备及启动条件 ①深层沉降监测——掘进前在隧道上方埋设深层沉降监测点，并在盾构掘进前后加强监测；②壁后空洞跟踪注浆——盾构通过后，采用雷达对同步注浆进行探测，发现空洞立即启动跟踪注浆；③地层沉降超限跟踪注浆——当沉降量大于20mm时，立即启动跟踪注浆，确保地面安全。
2）浆液的选择 沉降量大的地方一般是砂卵石地层，含泥量少，具有富水性。为了结构稳定、确保注浆效果，采用水泥单液浆跟踪注浆。
3）注浆参数 为了确保注浆扩散半径大于3m，注浆压力控制在0.4～0.5MPa。为了注浆效果，浆液水灰比控制在0.48～1。
4）注浆的实施 首先在管片预埋注浆管安设球阀，然后用钢筋把预埋注浆打通到管片外10cm，最后实施注浆。同时进行管片沉降监测，当注浆压力达到0.5MPa时停止注浆。
2.2.6 灰岩掘进技术
1）掘进前准备 由于孤石群地层位于灰岩，通常经过孤石群后立即进入灰岩。因此，提前了解地质剖面图，同时根据孤石探测结果提前做好盾构姿态控制和掘进模式的确定。
2）姿态控制 由灰岩向孤石群地层过渡时，为防止盾构磕头，下部油缸压力应大于上部油缸压力，如果已经发生磕头，底部油缸压力必须大于上部油缸压力约80bar。由孤石群地段掘进向灰岩过渡时，采取上部油缸压力大于下部油缸压力来控制姿态，利用法向挤压效应防止盾构抬头，其压力差控制在10～15bar。
3）掘进参数控制 由孤石群进入灰岩位于复合地层，因此，掘进速度控制在3cm/min以内，推力控制在12 000kN以内，扭矩控制在1 800kNm。
4）掘进模式的转换 孤石群采用欠土压掘进模式，通过掘进观察参数变化，当盾构进入全断面灰岩后停止掘进，刀盘不断搅拌和螺旋机继续出土，当土仓碴土控制在1/3时，采用半敞开掘进模式继续掘进。
5）碴土改良 在孤石群地层采用泡沫剂进行碴土改良，进入灰岩后降低泡沫浓度，采用1%泡沫液进行碴土改良，并通过出碴观察，当碴含泥量变大时，适当添加分散剂，防止刀盘结泥饼。
2.3 安全控制技术
1）严格执行国家《安全法》和地方安全管理条例，并加强沉降监测，实施信息化施工。
2）周边建筑进行安全风险评估，掘进时实施沉降监控与三级报警机制。一旦沉降超限，立即进行地面应急注浆加固，确保周边建筑物安全。
3）防喷涌措施，在施工现场备用聚合物，并根据地层提前对可能发生喷涌的地段采用聚合物进行碴土改良，防止掘进喷涌导致地面塌陷。
4）安全应急措施，在盾构掘进时，碴土量控制在开挖理论量的1.2倍，如果超出1.3倍，在加强同步注浆数量的同时，必须在管片上施工径向注浆管进行深层注浆加固，防止地层扰动。
3 总 结
长沙地铁芙蓉广场站到五一广场站区间，左线通过改造刀盘，顺利破除孤石，螺旋输送机未发生堵管现象；采用欠土压掘进，运用泡沫进行碴土改良，采用监测与跟踪注浆使地面沉降控制在允许范围之内，使每天能安全掘进15环。右线在此基础上创造了最高日进度18环的好成绩，创造了通过孤石群地层掘进600m不换刀的新纪录，而且刀盘完好无损，刀具磨损最大只有5mm。同时，刀盘的改造，减少注浆加固水泥的使用，节约成本400万元。泡沫碴土的改良节约成本25万元，不仅施工安全可控，而且取得了良好的经济效益和社会效益。
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