复杂地质条件下地铁盾构施工技术分析实践探究

摘要：由于盾构技术能够有效提高隧道工程的施工质量和效率，因此在地铁盾构施工中得到了广泛的应用。但是当工程区域的地质条件较为复杂时给加大施工技术难度，给盾构施工带来一些问题。因此施工单位应对复压地质条件下盾构施工中存在的主要问题进行客观的分析，并在此基础上探讨相关施工技术要点，不断提高技术水平和施工能力，以更好的适应地铁施工的实际需要，从而为现代城市轨道交通体系的建设提供重要的技术支持。

关键词：复杂地质条件；地铁工程；盾构施工；技术要点

为满足城市居民的出行需要，很多大中型城市均将地铁作为了轨道交通体系的重要发展方向。由于在地铁工程通常需要穿越城市交通繁忙地区，因此在施工过程中广泛采用了盾构技术，以尽量少对地面交通的影响，缩短工期。但地铁工程沿线区域在地质特征方面往往存在较大的差异，复杂的地质条件在客观上加大了盾构施工难度。施工单位应组织专业技术人员全面分析盾构施工所面临的各种问题，并制定科学的施工技术方案，提高盾构设备选型的合理性，优化各项技术参数，从而为保证地铁施工的顺利进行奠定良好的基础。

一、复杂地质条件下地铁盾构施工主要问题分析

（一）设备磨损问题

当施工段地质条件较为复杂，遇到泥沙层、岩石破碎带、坚硬岩体或者大型孤石时，盾构机的刀具设备会产生较为严重的磨损，需要频繁更换刀具，这不仅会影响掘进效率，而且会增加施工成本。

（二）设备密封问题

在复杂地质条件下开展盾构施工对盾构管片提出了较高的要求，一旦出现盾尾结构管片的尺寸规格、几何形状不合理，或者管片结构稳定性较差，在盾构掘进过程中发生变形现象时，均会导致盾尾荷载压力加大，并引发盾构尾端密封失效等问题【１】。

（三）地面沉降问题

在盾构施工中遇到软硬不均匀的复杂地质层时，往往会导致掘进施工无法连续进行，并造成出渣量明显增加，这会使地面出现不均匀沉降，给施工安全带来较大的风险隐患。

（四）易发生水害事故

盾构施工如遇到富水地层时，比较容易引发水害问题，导致盾构施工无法正常进行，且会严重威胁施工人员的安全。

二、复杂地质条件下盾构施工技术分析

（一）合理选择盾构设备

在复杂地质条件下开展地铁盾构施工时，对盾构设备的性能有较高的要求。例如当地层中存在广泛分部的孤石时，一旦盾构机选型不当，就有可能发生卡机问题；而当施工区域存在全风化花岗岩、沉积砂质黏土层或者围岩处于地下水位下方时，均要求盾构机必须相应的功能，才能保证施工的顺利进行。施工单位在选择盾构机设备类型及型号时，应充分了解施工场地的地质水文条件、地铁隧道施工要求、围岩结构特点以及盾构设备对周边环境的影响等因素，且应注意查明工程区域是否存在地下管线设施及其与盾构区间的位置管线等，为盾构机选型提供可靠的参考依据。目前在地铁工程施工实践中较为常用的盾构机主要包括土压平衡盾构机、泥水加压盾构机以及复合式盾构机等。其中泥水加压盾构机一般可用于淤泥、砂层以及流塑性地层的掘进施工，其所需占地面积通常在1wm2左右，具有洞内作业环境好以及地表沉降小等优势，但其在作业过程中需要使用泥浆，对环境会造成一定的污染，且施工成本较高【２】。而土压平衡盾构机则可满足土层、砂层以及互层条件下的盾构施工要求，其占比面积相对较小，仅需4000m2-5000m2左右，虽然其在施工过程中也会对环境产生轻微的污染，但是其施工成本较低。与之相比，复合式盾构机可用于岩石以及土层的盾构施工，其占地面积以及对环境的污染程度均与土压盾构机相当，但其施工成本相对较高。施工单位应综合分析盾构机自身性能特点、施工操作的安全性、地铁隧道直径以及工程造价控制要求等，选择相应类型型号的盾构设备。此外，施工单位还应根据围岩硬度以及性质特征选择相应的刀具设备，以确保刀具的结构强度、耐磨性以及使用寿命等能够满足施工需要，以尽量降低刀具更换频率，从而提高施工效率，加快施工进度。

（二）制定科学的施工技术方案

为有效应对复杂地质条件，保证盾构施工的顺利进行，施工单位应制定科学的施工技术方案，并可利用BIM等专业软件模拟施工过程，以便优化施工流程，合理确定盾构机推进速度、注浆量及注浆压力、土压力等各项关键性技术参数。以避免地面发生沉降变形等问题。同时，施工单位还应准确把握盾构作业的重难点环节，对可能发生的地层突变以及地下水渗透等风险应采用设置防水帷幕或者超前注浆等技术方法作为应急处置措施，为盾构施工的质量安全提供可靠的保证。

（三）管片制作拼装施工技术要点

盾构机性能与管片质量密切相关，因此管片的加工制作也成为了盾构施工中的关键性技术环节之一。在制作管片时，应严格控制砂石料、水泥以及搅拌用水等各项原材料的各项指标参数，并要对混凝土混合物配比进行严重优化，为提高管片质量奠定良好的基础。同时应注意检查模板的尺寸规格，并在模具内壁均匀涂抹脱模剂，以避免在拆模时影响管片的完整性。浇筑施工时应确保混凝土饱满均匀。且应制作试件以检测其抗压性以及抗渗性等技术参数，以确保其质量达到施工要求。在拼装管片时，对管片盾构进出洞连接位置应在浇捣施工前或者未达到强度设计标准前设置拉紧装置，且可用型钢沿地铁隧道方向对管片进行纵向拉紧处理，以避免管片存在环缝松弛以及漏水等问题。在盾构施工过程中还应注意检查管片是否存在上浮现象。如发生上浮问题，可利用千斤顶等设备进行处理，并合理调整盾构掘进速度，以避免发生坍塌等施工事故。

（四）掘进施工技术要点

在正式掘进前，为检验盾构机是否能够正常运行，可先进行试推。一般试推长度应控制在100m左右，且应通过对所有掘进工序的执行情况注意检测其运行参数是否与预设参数相一致，以判断施工技术方案的可行性以及合理性。如在试推中发现异常，则应及时调整相关技术工艺。为保证盾构机能够在复杂地质条件下顺利进行施工作业，应准确掌握从始发到出洞的各项技术要点。在始发段，施工单位应将始发架固定在基坑竖井内，且应确保其定位精确，固定牢固，定位误差必须控制在允许范围内，并要采取必要的防护措施，避免设备滚动。同时应将导轨安装在洞门和始发架之间。之后施工人员应将盾构机调整至抬头状态下，且其刀盘中心应与地铁隧道的设计轴线相匹配，刀头中心则应比设计轴线位置略高，以便于掘进施工。当盾构机始发后，操作人员应实时监测其各项运行参数，且应及时调整盾构机姿态。

１、孤岩基石盾构掘进施工技术

当地铁盾构施工中遇到有基石或者孤岩存在的复杂地质条件时，施工单位应客观分析其地质特征，并采用相应的施工基石方法。如通过勘察发现基石或者孤岩地面处理条件较好时，可采用钻爆技术，通过钻设炮眼及爆破方式破碎基石或孤岩，以改善盾构施工条件。但如经勘察发现并不具备此处理条件时，应对基石或孤岩采取必要的固定措施，并更换盾构机刀具，以便通过切削方式进行处理。

２、全断面软土掘进技术要点

在地铁盾构施工中如遇到全断面软土时，一般应采用保实土压闭胸施工技术。技术人员应根据施工现场的实际地质特征对软土层掘进所需要的土压力进行准确的计算。同时在掘进过程中应将压力控制在比计算值略高水平，以提高土体结构的稳定性【３】。

３、全断面硬岩掘进技术要点

地铁盾构施工过程中常遇到全断面硬岩结构层。为解决断面围岩硬度较高的问题，施工单位可先采用土体改良技术或者泡沫进行预处理，且应做好刀具的保护措施。在掘进过程中则应实时监测关键技术参数的变化情况，以便为刀具磨损程度的判断以及盾构机姿态的调整提供可靠的依据。同时，在均价过程中还应采用二次注浆技术对盾构掘进的后方来水进行封堵，以避免出现喷涌的等问题。TBM是硬岩段掘进施工中的一项重要技术方法，也就是在盾构机刀盘前设置重型刮刀和滚刀，利用其旋转产生的剪切力以及挤压力对岩石进行破碎分解，同时岩石碎片则被送至土仓内。在刀盘上还需设置刮板，以便向土料收集槽刮送岩石碎片。在对岩石进行破碎钻爆的同时，应采取喷水方式降尘并冷却设备。此外还应通过螺旋输送装置将岩屑输送至传送带上，并转运到隧道外。

４、复合地层掘进技术要点

在地铁盾构施工中如遇到软硬眼复合地层时可在采用EPB土压平衡技术，将撕裂刀、先行刀以及滚刀等刀具安装于刀盘前部，以便通过其旋转将岩土物质剥离。被剥离的渣土则可通过刀盘开口进入土仓内。随着土体的堆积以及压缩，土压力不断加大，其可以与刀盘前所承受的土压力形成平衡，使刀盘前土体结构保持较好的稳定性，从而达到控制地表沉降的目的，土压平衡EPB模式结构可参见图１所示。

图1：EPB模式盾构结构剖面示意图

在应用EPB模式进行盾构施工时，盾构机掘进所切削下的土壤在掌子面与刀盘后方土仓间会形成压力平衡的土环。而多余土壤则可利用螺旋输送装置送至盾构机的传送带上，并可借助传送带等专业运输设备将渣土运出。

５、下硬上软地层施工技术要点

当地铁盾构施工中遇到复杂的下硬上软地层结构时，为防止出现路面或上层土体坍塌等问题，不得采用欠土压或者敞开式掘进施工方式，而应尽量选择半仓气压技术、保实土压技术或者加泥土压等技术方法开展掘进作业。以半仓气压技术为例，在采用该技术进行掘进施工时应注意不得击穿地面，并利用自动保压系统确保掌子面气压稳定，以提高土体结构的稳定性。同时应加强对盾构机姿态控制，准确掌握同步注浆、二次注浆以及渣土置换等各项技术要点，以保证掘进效率和施工安全。而在采用加泥土压技术施工时，则应科学控制膨润土浆液的配比，并结合掘进进度确定浆液灌注量，以提高土仓内压力的稳定性以及渣土置换效率，从而达到降低刀盘扭矩以及渣温的目的。当采用保实土压技术进行盾构掘进施工时，施工技术人员应详细了解下硬上软土层结构特点，并以此被依据准确计算掘进参数，加强对掘进速度的控制，且应利用实时监测技术动态了解刀具磨损程度，以保证施工能够顺利进行。

６、碎石地层掘进施工技术

为避免在地铁工程区域遇到复杂的碎石地层结构，施工单位应在前期勘察中详细了解工程沿线地区的地质条件，并加强与设计单位之间的沟通协调，在具备条件时应尽量避免在该类型地质结构条件下进行盾构施工。如受客观因素限制，必须在此地层开展施工作业时，则应利用BIM等先进技术模拟施工过程，准确掌握盾构施工中的重难点环节，以便对施工技术方案进行有针对性的改进。在施工时则应合理选择盾构机以及刀盘类型型号，实时调整控制施工技术参数，且应在注浆时采取必要措施避免出现管片上浮等问题，以保证施工质量安全。

（四）防水施工技术要点

水事故是复杂地质条件下地铁盾构施工中需要解决的重要问题之一，因此施工单位应按照工程防水等级要求采用相应的防水技术。通常地铁隧道工程的防水等级应达到2级以上。隧道各部分均不得发生漏水情况，但局部表面允许有微量湿渍存在，但湿渍数量必须控制在3处/100m2以内，同时各处湿渍面积均应控制在0.2m2以内。因此施工单位应合理选择防水材料，并加强对其质量性能的控制。以地铁隧道盾构施工中较为常用的防水混凝土材料为例，其防水抗渗性能应达到P12级以上。在防水施工中应重点控制接缝部位的防水处理，以确保工程整体防水能力能够达到设计标准。

（五）其他施工技术要点

在城市地铁的盾构施工中，不仅存在复杂的地质条件，且往往需要穿越各类地下管线设施，进一步加大了施工技术难度。以LNG管线的下穿施工为例，在盾构施工时应加强对管线位置的勘察，明确其与盾构区间的关系，以便合理调整盾构机姿态以及掘进进度，且应在同步注浆以及二次注浆施工中适当调整注浆压力，以尽量降低对原土体结构稳定的影响，避免破坏管线。盾构掘进过程中则应保持盾构机姿态的稳定性，不得出现变坡、变向以及后退等情况，且应注意确保平稳推进。

三、总结

当地铁工程区域地质条件较为复杂时，施工单位应加强对场地具体地质特征的勘察了解，并以此为依据选择适宜的盾构设备，合理确定各项技术参数，提高施工技术方案的可行性。同时，在盾构施工过程中应根据实际地层特点采用相应的技术方法，及时调整施工方式，以有效控制盾构机姿态以及掘进轴线位置，避免管片出现上浮等问题，从而为盾构施工的安全高效推进提供可靠的技术支撑，推动地铁工程建设事业的现代化发展。

参考文献：

[1] 王伟明. 复杂地质条件下地铁盾构施工技术分析[J]. 建筑与装饰,2024(16):167-169.

[2] 徐雪平. 复杂地质条件下地铁盾构施工技术分析[J]. 房地产导刊,2019(14):83,86.

[3] 吕辉,赵康康,李雷,等. 复杂地质及环境条件下地铁区间隧道盾构施工技术[J]. 云南水力发电,2022,38(9):80-83.