盾构施工技术经验交流之在特殊地质情况下的盾构掘进技术

盾构施工技术经验交流一、盾构工程现状盾构法以其具有较高的可靠性及对周边环境适应性强的特点而在国内外地铁建设中得到了广泛应用，盾构法涉及多门学科，专业性强，尤其是其施工过程完全是工厂化的流水作业，机械化、自动化程度高，其施工效率较其他方法非常明显的优势。在国内地铁工程中，我国上海市六十年代开始盾构法的试验研究工作，并随着城市建设的发展，特别是近几年来科学技术的进步，新技术、新工艺、新材料、新设备的发展广泛应用，盾构法施工技术也取得较大的发展，广州与80年代引进盾构技术应用于地铁建设中，在吸取教训的同时，取得了丰富的经验。随后，深圳、天津、北京、南京、成都、杭州、沈阳等城市也开始推广应用盾构技术于城市地铁施工中，取得了相当的成果和经验。随着我国经济建设的大规模展开，城市地铁工程和市政工程、穿江、过河、横穿山岭的盾构隧道工程会越来越多，应用盾构工法施工的长大隧道月来越多，下面是正在建设或即将开工的长大隧道工程：1、上海崇明岛过江隧道直径：15.44m长度：2*7140m2、南京过江隧道直径：14.93m长度：2*2933m3、武汉过江隧道直径：14.3m4、北京直径线隧道直径：11.90m长度：5000m5、铁路广深港项目直径：11.12m长度：2*10km6、穿黄隧道工程直径：8.5m长度：2*4380m盾构施工将会在今后相当长的一段时间内得到广泛应用和发展我们初次涉足盾构施工领域，特别是广州水文地质相当复杂性，地层不均软硬复合，地下水丰富，地表高楼大厦及建筑物密集，大小河流纵横分布，致使城市地铁建设具有较大的难度和风险，在类似的地层条件下，国内盾构法施工的经验不多，施工中的很多问题都有待我们解决。二、盾构工程涉及的主要工法1、明挖深基坑施工：深度一般15-40m，在郊区场地条件允许的情况下一般采用土钉墙支护形式，放坡开挖的施工方法，在市内场地狭小的情况下，一般采用密排钻孔桩+桩间旋喷止水的围护结构形式，利用钢支撑或钢筋混凝土支撑分层向下开挖的施工方法。2、暗挖施工：盾构隧道两线之间的联络通道和中间风井处一般采用矿山法隧道进行连通，根据掌子面围岩状况采用全段面法或上下台阶进行开挖。3、桩基托换施工：在盾构隧道经过的断面位置，如果有建筑物或高架桥的桩基侵入隧道，必须采用托换。施工时，先在被托换桩外侧施工两根托换桩，然后以托换桩为支点施工托换梁将被托换桩的承载力传递到托换桩上，最后在被托换桩旁边施工小竖井将侵入隧道部分的桩基凿除，即完成托换施工。三、盾构工法施工原理1、盾构机介绍盾构是一个具备多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能。盾构施工的过程也就是这些功能合理运用的过程。复合型盾构在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、导向系统及通风、供水、供电系统等。应用于本工程的盾构机是由WIRTH-NFM集团生产的。盾构机全长77.8m，总重485吨。，刀盘设计为平面直角刀盘，刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型为单刃滚刀、中心滚刀、齿刀、刮刀和扩挖刀，其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在硬岩中掘进时刀盘需安装单刃滚刀、中心滚刀，在软岩中掘进时可以根据需要把单刃滚刀、中心滚刀更换为对应形式的齿刀。2、盾构施工工序盾构施工主要包括以下工序：场地准备，始发托架及反力架的安装，盾构机的运输、组装及调试，前100m试掘进，拆除负环，正常掘进。①场地准备场地准备工作主要包括：路面硬化、端头加固、龙门吊轨道梁施工、渣土池施工。②盾构机的运输、组装及调试1）组装前先安放始发托架及反力架的下部。组装采用150t吊机配合300t吊机。先下后配套台车，台车下井后使用卷扬机拉至指定位置。然后下连接桥。最后下盾体（先下中体，后下前体、刀盘、盾尾）。2）完成管路、线路及液压系统的安装后，进行调试。③前100m试掘进

在完成的盾构机调试后，即开始盾构机的试运转。前10环掘进时，掘进速度不能太快，控制在10mm/m以内。掘进过程中主要控制盾构机的轴线偏差、出土量、泡沫注入量注浆量及刀盘转速、扭矩等掘进参数。试掘进的数据必须仔细整理，这对后期的施工会起到参考作用。

④正式掘进

在完成100m的试掘进后，拆除负环，重新布置道岔，开始正式掘进。以下为盾构施工的部分照片：3、盾构掘进模式及施工原理3.1敞开模式敞开式掘进就是在土仓内不需要保持任何压力的一种盾构掘进模式。当盾构通过的地层自稳性好，含水量较少时，盾构机可以采用敞开模式进行掘进。盾构的敞开式掘进一般应用于硬岩地层。当盾构在敞开进模式下掘进式时，由于地层不需要压力保护，土仓内不需要堆积过多的碴土，所以盾构机可以获得最好的掘进效率。3.2土压平衡模式土压平衡式就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。如图所示，在盾构开挖时土仓内的压力和掌子面上的水土压力相平衡，这种掘进模式即为土压平衡模式。碴土改良是土压平衡掘进原理的重要组成部分。碴土改良的目的是：降低碴土的内摩擦角而降低刀盘的扭矩，增加碴土的流动性，降低碴土的渗透性，从而达到堵水、减磨、降扭及保压的效果。土压平衡式掘进主要用于开挖面不能自稳、或地下水较多以及流塑性的软粘土地层和砂土层的盾构施工。土压平衡掘进可以有效地防止过大的地面沉降。盾构在土压平衡模式下工作时，盾构必须具备以下功能特点：（1）盾构必须具有土仓土压监测功能，以便对土仓内的土压进行监控和调节；（2）刀盘一定要适应软土开挖的需要，特别是刀盘开口率及刀盘开口的布置对软土开挖时的影响非常大，配置的刀具也必须适应于软土开挖；（3）盾构必须具有泡沫、膨润土和压缩空气注入系统。通过注入这些不同的附加材料，可以在不同的地层中根据需要进行土仓加压、改良碴土和堵水；（4）盾体本身必须具有一定的密封防水性能，具体就是指铰接密封和盾尾密封必须具有一定的防水性能；（5）刀盘的主轴承密封必须能承受一定的土压力；（6）人舱是用于在压力模式下人员进出土仓的通道，也是土压平衡盾构必不可少的重要部件之一；（7）螺旋输送机的出碴量及出碴速度可以控制，螺旋输送机必须可以随时关闭，并具有防喷涌的功能，螺旋输送机必须能建立土塞效应；在土仓内提供平衡压力的方式主要有以下两种方式：一是在土仓内充满碴土以产生压力；二是向土仓内加注辅助材料如泡沫、膨润土或空气来产生一定的压力。土仓内的压力值应根据不同的地质情况来设定，辅助材料是通过自动控制系统来控制注入的速度和注入量的。盾构施工动画演示盾构掘进：盾构机以后面成型隧道提供的反力提供向前的推进力，同时刀盘以设定的转速进行旋转，切削隧道掌子面上的岩土，为了提高掘进效率根据不同的地层注入相应的添加剂对渣土进行改良，以降低刀盘扭矩并提高渣土的和易性。切削下来的渣土被刮刀收入土仓，在土仓内经过搅拌棒的搅拌，渣土与添加剂进一步混合，当土仓内的土压达到预定值时，螺旋输送机开始旋转排渣。通过调节螺旋机的转速，控制螺旋机出土的速度将渣土输送到皮带输送机上，皮带机继续将渣土向后输送到后面的出土口将渣土排入服务列车，完成一个循环的掘进后，渣土被运至洞口，采用门式起重机吊出洞口。同步注浆：随着盾构机的向前推进，管片逐步从盾尾脱离出来，这样在管片和刀盘开挖的外轮廓之间就有了14cm的间隙，为了保持管片外侧围岩的稳定，就必须在推进过程中及时地注入水泥砂浆以防止地面沉降过大。管片安装：隧道开挖一个循环后，需要用钢筋混凝土管片进行衬砌，以最后成洞。每一衬砌环由6块管片组成，其中包括一块楔形块，两个邻接块和三个标准块。管片安装器将管片抓取起来，旋转到预定角度，然后沿径向推顶到位。盾尾的三排钢丝刷和管片形成了两个环形空间，中间一直充满密封油脂，每个环形空间由设在尾裙里的管路根据设定的压力及时的补充油脂，使三道钢丝刷和管片外径组成严密的封闭泥水屏障。四、工程地质与盾构机选型盾构机是一个非标准设备，它要根据施工对象来量身定做。制造盾构机所依据的对象称之为施工环境，它是基础地质、工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等特征的总和。如果不详细研究施工环境，也就造不出适应性强的盾构机，也就无法保证盾构工程的顺利实施。在施工环境的诸多因素中，基础地质和工程地质特征最为重要，它们是盾构机选型及采用盾构施工工艺的先决条件。因此要做好以下方面的调查：1、地质方面：包括：岩土层次分布规律、不同岩土的物理、力学性质、岩土切削搅拌后的流动性、粘性、埋深、不良地质情况等

2、水文方面：包括：水的腐蚀性、水的补给来源、岩土的渗透性、含水量、水位、压力的确定

3、地层中的障碍物

4、地面建筑物的类型和基础特征根据施工环境，盾构机的型可分为软土盾构机、硬岩盾构机（TBM）和混合盾构机三类。1、软土盾构机：适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩以及全风化和强风化围岩条件下的盾构机。比如：北京、天津、上海、南京、杭州等地在纯软土地层中使用的盾构机是典型的软土盾构机。一般仅安装刮刀无需滚刀。2、硬岩盾构机：即岩石掘进机，它适用于硬岩且围岩岩层较为致密完整的一类盾构机。例如：秦岭隧道、引大入秦、引黄入晋水利工程中使用的是典型的硬岩盾构机。一般使用球面刀盘，刀盘上多为滚刀，只在集料槽处设置部分刮刀。3、混合盾构：混合盾构机是指设备所具有的功能混合，这类盾构机既具有软土盾构机的功能，又具有硬岩盾构机的功能；这是一类能适应更为复杂多变的复合地层的盾构机。像广州深圳一带的地质情况较为复杂，多采用这一类的盾构机。另外，随着盾构技术的发展，许多新型、多用途的盾构机陆续开发出来。比如，多头盾构机、子母盾构机、异型盾构机等混合盾构机一般又可分为土压平衡盾构机或泥水加压式盾构机。其总的选择原则是考虑非固结土层的特点。1、根据地层的渗透系数进行选择：通常渗透系数大于10（-7）次方/秒时，选用泥水加压式盾构机；渗透系数小于10（-4）次方/秒时，选用土压平衡盾构机。根据这种关系，若地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，选择泥水加压式盾构机。2、根据岩土颗粒级配进行选择通常岩土中的粉粒和粘粒的总量达到40%以上时，通常选择土压平衡盾构机，否则选择泥水加压式。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。五、盾构工法的关键技术1、平衡稳定在软弱地层掘进过程时，通过控制推进速度、刀盘转速、螺旋机转速和添加剂的注入从而使土仓内的压力与刀盘前方水土压力保持平衡，并严格控制每一循环的出土量与设定值相符，才能保证掌子面的稳定，并使地面沉降在可控的范围内。2、盾构姿态控制和管片选型盾构姿态的控制，必须根据盾构所处的地层和线性条件来确定，当盾构位于软土地层中时，将盾构机保持在设计线路上20mm左右，同时要控制盾构机的坡度略大于线路坡度，保持抬头的趋势向前推进，因为在软土地层中盾构机容易载头，且管片在脱出盾尾后会有一定的下沉。当盾构位于岩石地层中时，要将盾构机保持在设计线路下方20mm左右，同时控制盾构机的坡度尽量与设计坡度相符，因为在岩石中，管片在脱出盾尾后容易出现上浮现象。当盾构机即将进入曲线段时，要提前一个机身长度切入曲线内侧，并根据曲线半径的大小保持在曲线内侧20-50mm左右，如果进入曲线后再开始纠偏，盾构机由于主机长度限制，往往会偏离设计轴线而造成超限。在曲线掘进过程中需要密切注意的几个参数：四组千斤顶的行程差、四组铰接的行程差、四个方向的盾尾间隙、边缘刀具的磨损量，只有这些参数在可控的范围内，才能保证盾构机按照设定的轴线前进。盾构机的姿态可以通过PPS导向系统直观地显示在电脑屏幕中，掘进过程中调整上下左右四组推进油缸的推力使盾构机向中线和高程向设定的轴线靠近，以实现纠偏，当盾构偏离设计轴线较多时，应通过若干环将其纠正至设计位置，避免纠偏过急矫妄过正。由于管片的拼装时在盾尾内进行的，因此必须根据管片与盾尾的间隙和每组千斤顶的行程差来选择管片，以保持盾尾和管片是一个同心圆，否则盾尾和管片就会靠在一起，推进过程中，容易造成管片的破损、尾刷损坏和难以进行下环拼装的现象。因此盾构机姿态的控制至关重要，只有盾构机推进的线路正确，才能保证盾尾通过的线路正确，最终确保管片的位置正确。3、渣土改良在盾构施工中尤其在复杂地层盾构施工中，进行碴土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速的一项不可缺少的重要技术手段，碴土改良就是通过盾构机配置在刀盘面、土仓内的添加剂注入口添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂主要有泡沫、聚合物和膨润土，其配比和注入量根据地质条件及施工情况确定。4、同步注浆和二次注浆注浆材料和配比、注浆压力、注浆量和注浆时间是同步注浆施工的四个要素，是防止隧道坍塌、控制地表沉降、减少盾构隧道漏水的重要措施。①注浆材料和配比：根据不同的地质情况选择不同的配比，在岩层中一般采用添加水泥的活性浆液，配合比中包括水泥、粉煤灰、砂、膨润土、水和减水剂，初凝时间约8-10小时，因为在岩层中开挖面较稳定，注浆后管片飘动的空间较大，必须及时凝固固定管片。在土层中，一般采用不添加水泥的惰性浆液，将水泥采用适量的生石灰代替，这种浆液的凝结时间约15-20小时，在土层中管片脱出盾尾后，土压很快将管片和浆液包裹，管片飘动的空间不大。这种浆液由于不含水泥，因此降低了堵管的风险，也便于管道的疏通。②注浆压力：同步注浆时要求压入口处注浆压力大于该点的静止水压和土压力之和，做到尽量填充而不发生辟裂。注浆压力过大，土层将会被扰动过大并易造成跑浆；压力过小填充速度过慢、填充不充分，会使地表沉降过大。施工时注浆压力一般取静止土压力的1.1～1.2倍并小于0.3Mpa，以防止击穿盾尾，损坏盾尾刷。③注浆量：每推进一环的理论间隙为4.05m3，考虑盾构纠偏超挖、跑浆、浆液收缩等因素，实际注浆量一般为上述计算量的120%～150%，并通过地面变形监测数据适时调整。④注浆时间：注浆随着盾构的推进同步进行，并根据推进速度及时调整注浆量和注浆压力，控制浆液在在推进1.3m后，将浆液全部注完，剩余0.2m，注入浓度约1.1的膨润土，以清洗管路防止堵管。另外，随着盾构隧道的延长，由于同步注浆的收缩或注浆的不充分，在隧道顶部有可能形成输水通道，水量达到一定的程度就会给掘进带来困难，另外，在重要的建筑物、地层水量较大或有空洞的位置也要进行二次注浆，以补充由于同步注浆不足而造成的空隙，二次注浆一般在管片脱出盾尾后6-10环后，由固定在盾构机上的二次注浆泵同步进行，注浆时须打开管片上预留的注浆孔，安装逆止阀进行双液注浆。5、设备维护保养盾构施工主要依靠机械设备，因此盾构机及其附属设备的完好率和利用率是保证施工进度最重要的指标。为了降低盾构设备的故障率，提高施工进度和施工质量，规定每天4小时作为盾构设备保养保洁时间，专门设立维修、保洁班。制定设备保养制度，定期保养并填写保养记录。设备保养的内容根据盾构的具体情况设置日检、周检和月检的内容，主要项目包括各啮合部位和摩擦部位的润滑、清洁，各重要连接处的螺栓紧固、各密封处、油接头的渗漏检查，液压油油位、油质的检查，滤油器的检查等内容。在设备维修方面，建立设备维修档案，由设备维修人员将每次发生故障的情况记录、原因分析及维修方法和维修结果根据所设计的表格认真填写，记录在案，并分析故障发生的原因，进一步采取预防措施，降低事故的发生频率，保证施工的正常进行。六、盾构常见问题的处理，经验及教训①管片上浮上浮的原因：由于盾构机的开挖直径为6.28m，而管片的外径为6m,当盾构机掘进的岩层硬，自稳性能好，同时地下水丰富时，容易出现管片上浮的现象。这时，同步注浆凝固时间过长，加之地下水的稀释，盾构掘进施工产生的振动，造成砂浆发生离析，降低了砂浆的固结效果，管片未能收到有效的约束，从而导致管片上浮。防止措施：改变砂浆的配比，提高水泥用量，降低浆液的初凝时间，及时、足量的注浆，提高固结效果。2、加强管片姿态测量，一旦有上浮异常现象，立即进行二次注浆（双液浆），有效地控制管片的进一步上浮。3、在变坡段一定要注意做要管片的选型及正确安装。4、要做好管片螺栓的复紧工作5、控制盾构机的姿态略低于设计中心线下约30mm，避免蛇形和超挖，尽量使各组油缸推力平衡。6、适当放慢推进速度，使浆液有足够的凝固时间。②管片开裂的防治措施Ⅰ因地制宜调整配合比。要通过系列试验确定适应本地的混凝土配合比，特别是要根据气候条件（如季节性温度变化和粉煤灰的掺量）及时调整配合比。Ⅱ改善施工工艺。管片生产的施工程序依次为混凝土搅拌、混凝土浇注、振捣、模内自养或蒸养，脱模、蓄水或喷淋养护。其中，振捣工艺和养护工艺（包括蒸养）对管片质量控制影响最大。振捣工艺：要求工人熟练掌握振捣技术，每一步认真操作，对于整体振捣所产生的上层浮浆必须增加额外的混凝土进行补偿，浮浆太厚将产生表面收缩裂缝，影响保护层质量。养护工艺：蒸养时间要控制在6～８h，恒温时最高温度不超过60度，控制内外温差小于15度，升温和降温梯度要小于20度/h，脱模后的养护要采用蓄水池养护。Ⅲ在施工过程中要控制总推力尽量小于1500吨。Ⅳ管片尽可能居中拼装，并且要保证环面平整。Ⅴ盾尾密封要及时注油脂，进站时必须将损坏的盾尾刷更换。Ⅵ要根据地质条件，及时改善盾尾同步注浆的性能和工艺；并建立和完善充填物质量检验的指标。Ⅶ要监控隧道周围土压和水位的变化，并作为地铁保护的长期任务。Ⅷ防止隧道的漂移③管片破损、错台的防治措施解决管片破损和错台的主要措施是从施工操作入手，即严格地按照规定操作，尽可能地减少误操作，具体防治措施如下：Ⅰ无论出现什么问题，对盾构机的姿态都不能“急纠”，要逐步校正。Ⅱ要根据盾尾间隙、千斤顶的行程差以及盾构机的姿态来选择管片，避免隧道轴线由于人为的失误造成偏离设计轴线。Ⅲ要按相关的规范进行操作，包括管片进入隧道前的检查、注浆、盾构机推力和扭矩等参数的设定，管片的吊运和安装等。Ⅳ要采取及时有效的措施避免隧道管片上浮。Ⅴ要防止由于隧道围岩应力环境和地下水环境突然变化造成隧道变形。七、三号线特殊地段的施工1、三号线工程概况广州市轨道三号线[汉溪站南-市桥站北]区间盾构工程位于广州市番禺区市桥镇，盾构自市桥站北侧的始发井始发，穿越金山、大军山到达汉溪站南端的盾构吊出井。盾构隧道右线长度1925.200米，左线长度1928.315米，区间左右线线路间距8.0～11.0米。埋深5.6~56m，沿线地质情况复杂，先后穿越了800m浅埋软弱的殘积土层和砂层、150m高水压土岩混合的断裂带、2、工程难点及相应的施工技术1、盾构机通过喷涌地段盾构推进至578环进入里仁洞断裂带，该带由构造碎裂岩、硅化角砾岩、断层泥组成，上盘为侏罗系碎屑岩，下盘为震旦系混合岩，破碎带宽20～30m断裂影响带宽约150.0m。围岩属Ⅱ类，局部富水。因该地段埋深达56米，水压超过4bar，再掘进中出现严重的喷涌现象。土压平衡盾构机主要是通过螺旋机形成的栓塞效应将出土口的水土压力降为零，以保证顺畅的出渣，当遇到高水压时，在盾构机掘进过程中大量的水和一些渣土进入土仓，经过搅拌形成泥浆，当出土口打开时，泥浆像瀑布一样喷出来，皮带机无法将渣土向外输送，泥浆中含有大量不同粒径的砂和砾石，普通的污水泵和泥浆泵无法将泥浆清理干净，大部分需要人工清理。每次推进完毕后的清理工作都需要10-20个小时，这时，又有大量的水进入土仓，形成恶性循环。当提高设定的土仓压力至2-2.5bar时，往往会出现刀盘卡住的现象，而且推进速度只有1—2mm/min，工程的进展异常艰难，每天只能完成一环，甚至有时几天才能完成一环。当遇到这种状况时，首先必须摸清水的来源，若水从后面来，则需要进行管片背后的二次注浆进行封堵，在盾尾形成隔水环，若水从前方来，则需要提高土仓压力注入聚合物或膨润土，提高仓内渣土的泌水性，以减少仓内的进水量。其次必须分析刀具的状况，目前的刀具配置是否适合这种地层的挖掘以及刀具的磨损情况，当刀具配置不合理或磨损过大时，刀具的挖掘能力降低，渣土无法顺利进入土仓，而水则很容易的渗透进来，这种情况也会出现喷涌的情况，此时，通过换刀可以改善喷涌的情况。最后要在盾构机内安装大功率排泥泵，加快排泥速度，缩短环与环之间的停机时间，并适当提高停机时的土仓压力，以减少土仓在停机时的进水量。（1）对脱出盾尾4环以后的管片进行二次注浆，同时加强盾尾的同步注浆的注浆量，以封堵围岩的裂隙和管片外侧的输水通道；（2）将泡沫更换为聚合物，降低渣土的流动性，对渣土进行改良；提高停机时土仓的设定压力，从原来的1.5bar提高到2.5bar，以减少停机时土仓内的进水量。（3）在出土口安装导流槽，后面安装渣浆泵，加快清渣进度，缩短每一环的停机时间，减少土仓的进水量；在推进时，将脱出盾尾的第三环、第四环管片的注浆孔打开放水，以降低土仓的水压，提高掘进速度。（4）分析渣土的情况，判断掌子面的稳定状况，及时开仓换刀，将磨损过量的刀具进行更换。（5）掘进过程中注意调节螺旋输送机的转速和开口率，尽量减少漏渣量，以减少清渣的工作量。（6）加大盾尾密封油脂用量。及时封住地下水及砂浆。（7）当盾构机需要长时间停机时，必须间隔2～3小时注入一次膨润土，每班需向前方挖掘20～30cm，以防砂浆倒流在盾尾凝固将盾尾卡住。通过以上措施的实施，效率大大提高，由原来的每天1环提高到每天2～3环，“喷涌”问题在通过断裂带后得到了解决。2、长距离硬岩地段在三号线的掘进过程中，两台盾构机通过了约900m抗压强度133MPa的岩石。在掘进过程中主要采取以下措施：（1）定期及时进行刀具检查。在硬岩掘进时最重要的工作就是对刀具进行检查，每15环左右要对刀具的磨损进行一次检查，主要测量磨损情况从而做好刀具更换的计划和刀具的供应计划，同时还要检查刀座和刀盘的磨损情况，发现异常及时处理，不能带病工作。根据检查情况，两台盾构共进行了38次刀具的更换，共更换边缘滚刀78把，正面滚刀120把，边缘刮刀120把，普通刮刀512把。（2）由软岩进入硬岩的过程中，应密切注意出碴情况，及时做出更换刀具的情况。另外由硬岩进入软岩也应及时部分更换或全部换为齿刀。（3）由于滚刀是在磨损到一定程度后才予更换的，在完成刀具更换后，要先向土仓内加注高压空气，将推进油缸松掉，然后慢慢旋转刀盘。以避免新更换刀具刻入岩石过深，受力过大，而造成刀具的非正常损坏，在刀盘旋转顺畅后在缓慢施加推力，开始正常掘进。（4）掘进过程中姿态的控制。考虑到在硬岩地段后期管片大多会发生上浮，掘进过程中一般控制刀盘中心在实际轴线下20mm。（5）加大注浆量。考虑到硬岩刀具布置的开挖直径为6.3m。另外在硬岩地段拱顶不会发生下沉，因此须加大注浆量。加大盾尾密封油脂的用量，避免漏浆现象发生。同时，每5～10环进行一次二次注浆，以固定管片，防止管片的上浮和左右摆动。（6）当发现参数异常时，要及时开仓检查，如发现刀盘扭矩小，掘进速度慢时，可能是边缘滚刀磨损过大，造成开挖直径不足，此时如贸然推进，则会造成机头卡在岩石中的情况。（7）在硬岩中掘进，盾构机姿态的控制非常重要，因为在硬岩中纠偏难度非常大，如需要纠偏要缓慢进行，否则容易矫枉过正，很容易造成超限。同时纠偏过猛也容易造成边缘滚刀的非正常磨损。通过以上措施的实施，在硬岩掘进取得了良好的效果，最高进尺达到10环/d。同时，在施工中也遇到了一些问题，由于刀盘设计为平面直角刀盘，为了保证足够的开挖直径，边缘滚刀刀刃的位置设计不同于正面滚刀而是偏向一侧，这种设计直接导致两个问题：第一、边缘滚刀与正面滚刀不能互换，刀具不能得到充分的利用，从而造成刀具的过量消耗。第二、刀箱和刀毂直接暴露在开挖面上，当边缘刮刀磨损后，刀箱和刀毂直接接触围岩，造成刀箱和刀具的非正常损坏。两台盾构在进入岩层150m后就进行了6次刀箱的修复和更换工作，同时有9把边缘滚刀非正常损坏。由于作业空间的限制，在仓内更换刀箱极其困难，工作人员须到刀盘前方将旧刀箱刨下，因此必须在掌子面开凿工作间才能进行相关的作业。每次更换刀箱耗时10—15天，大大影响了施工进度。针对这种状况我们与制造商进行了多次沟通，决定在刀箱和刀毂周围增设耐磨钢板，通过改造，刀箱和刀具的寿命大大延长。最后的300m岩层只进行了一次刀箱的更换。3、瓦斯地段在三号线左、右线DK20+300～DK20+560段掘进过程中，出渣情况显示此段有劣质煤层。，该段可定为有害气体危险地段。此类地层容易产生，甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮（N）、硫化氢（H2S）等有害气体。在施工过程中，主要采取了以下措施确保了施工安全：（1）对井下设备进行防爆改造。对隧道照明线路、电瓶车上的元件以及盾构机上的设备进行防爆改造。（2）隧道内严禁明火，不得带入易燃物品，严禁穿化纤衣服进洞。（3）施工操作时防止碰撞和磨擦产生火花，盾构隧道内增配灭火器，防毒面具等安全防护装备；（4）购置瓦斯自动检测警报仪，对隧道内瓦斯气体进行连续检测；以自动检测设备为主并另外购置2台瓦斯检测设备，人工进行检测，确保施工作业时瓦斯浓度含量在合格的范围内，发现超标，立即关闭螺旋机门进行通风，待监测数据合格后再恢复掘进。（5）加强隧道内通风，增设防爆型通风机（74KW），并确保风流稳定，避免有害气体集聚产生危险；（6）制定应急预案，加强安全巡检力度，由安全长、安全员组成安全生产检查和应急小组，督查安全生产措施落实情况。通过以上措施的有效实施，仅用了一个月的时间就顺利通过了煤层地段，避免了瓦斯爆炸和有害气体中毒等恶性事故的发生。八、五号线特殊地段的施工在完成了三号线的施工后，中标了广州地铁五号线[西场-草暖公园]盾构区间，盾构设备在经过一次全面的整修后投入到新线的建设中。1、五号线工程概况本工程盾构机从草暖公园始发，穿过广州火车站、西村站最后在西场站吊出。经过两次过站，三次始发，右线全长2438.009m，左线全长2502.541m，区间线路比较复杂，线路坡度最大为28‰，曲线半径最小为290m。沿线多处下穿建筑物及桩基础。区间地质情况非常复杂，穿越的主要地层为白垩系的砾岩，砾石含量较高，粒径一般2～50mm不等，砾石成分大部分为硅质岩石，质地坚硬，微风化岩层的抗压强度27～96.5Mpa，其中草暖公园-火车站区间受环市断裂带的影响地下水非常丰富，而且具有流动性，砾岩中的钙质成份经过长期的溶蚀，沿线形成很多填充或半填充的空洞。2、工程难点及相应施工技术在掘进过程中克服以下难点：盾构机通过空洞和砾岩地段、盾构机过暗挖车站、微风化岩层中300m曲线半径的掘进和纠偏。2.1、盾构机通过砾岩空洞地段空洞的存在，给盾构掘进带来了很大的风险，控制不当将会造成盾构机栽头的恶性事故，因此必须探明空洞的分布情况并对影响盾构掘进的空洞进行回填注浆处理，本标段地处广州火车站附近，地面建筑物林立，无法进行高密度的钻探，所以本区间大部分地段地质情况不明，为更好地探测本区段空洞情况，我们采用了物探技术对可能存在空洞地段进行了一次全面的地质探测。由于探测隧道深度精度要求高，而物探探测需要足够地质资料来校正，加上地面探测受建筑物限制，通过现场线路调查，确定采用综合物探方法，包括地质雷达、瞬变电磁波和地震映像。首先，开展瞬变电磁法，确定岩洞异常位置、分布及地层构造特征。然后利用地质雷达确认异常特征，最后采用地震映像法固定异常，并结合地质钻孔资料提出综合分析结果。总的程序是通过已知钻孔的参数结合物探的结果，从而确定各种参数，然后对未知区域进行探测。根据结果和已知的参数，确定地质情况。通过探测在本区间发现空洞19个，其中左线6个（Z0～Z5），右线13个（Y1～Y13）。针对线路上发现的空洞主要采取以下措施保证了盾构机通过：（1）注浆回填为了保证盾构机安全通过空洞位置，对发现的空洞特别是位于盾构隧道下方距离两米以内的溶洞在盾构机到达前一个月提前进行注浆回填。（2）密切注意掘进参数盾构机操作手及管理人员在操作盾构机的掘进过程中保持高度警觉，通过空洞区域时采用土压平衡模式推进，严格控制出土量在规定的范围，密切注意盾构机的姿态、走行趋势、土仓压力、刀盘扭矩、千斤顶推力。如有异常，立即开仓查明原因，避免盲目掘进出现重大事故。（3）加强壁后注浆盾构机通过空洞时加大注浆量，以注浆压力达到设定值作为结束注浆的标准，并视情况进行二次补浆，以保证管片壁后充分充填，保证管片背后填充密实。（4）加强监测当盾构通过空洞区域时，对地面建筑物进行24小时连续监测，制定沉降报警值为10mm，沉降速率报警值为0.5mm/d，发现异常及时对管片背后进行二次补浆。通过以上措施的实施，有效的保证了盾构机掘进的安全和地面建筑物的安全，在两台盾构机通过了空洞地段后，建筑物的沉降量最大仅3mm，但由于物探的局限性，不可能将所有的空洞探明，盾构机在通过这些地段时也出现了很大的困难。喷涌当盾构机掘进到空洞位置时，土仓压力会突然增大，大量的水进入土仓，出现严重的喷涌现象，给施工带来极大的困难，为了防止地面沉降只能提高土仓压力，从而造成掘进速度异常缓慢，每分钟的推进速度仅有3-5mm，而且每环掘进完成后的清理工作量也很大，严重制约了施工进度。（2）盾尾被困盾构推进至79环时进行刀具检查，在掌子面左上方和正上方各存在一个约2-3立方的空洞，空洞中有水流出，水量约5立方/小时，因有部分刀具磨损量接近限值需要进行更换，停机进行换刀和进行一些设备的维修保养工作共停机4天，恢复掘进时发现刀盘扭矩仅600knm，推力增大到2400吨，铰接油压达到320bar，盾构机无法前进，将铰接设为放松状态，推力达到500吨，刀盘扭矩增大到1200knm,盾构机前体中体可以前进，将铰接设定为收缩状态，继续增加推力到3200吨，铰接油缸逐渐拉长，而盾尾仍然无法前进，由此说明铰接油缸的拉力无法拖动盾尾，盾尾被卡住了。①被困原因分析a停机位置选择不当停机位置在地铁五号线火车站四号风亭基坑边，同时基坑在爆破开挖，对周边地层有一定的扰动，而且停机位置掌子面有空洞，且空洞中有流动的地下水，水的流动将砾石中的泥质成分冲刷侵蚀后，造成砾石堆积在盾构机底部卡住盾壳。B注浆措施不当在停机之前的同步注浆采用的是150公斤/立方含量的水泥砂浆，而且注浆量达到6立方，二次注浆距离盾壳只有两环，由于推进过程中土仓压力设定为0.5bar，而注浆压力为2bar，造成部分浆液进入盾壳和围岩之间的空隙与盾壳外侧的砾石将盾尾紧紧的包裹住，造成盾构机被困。②脱困措施：a、利用盾壳上预留孔向外侧注入膨润土，以减少盾壳与外侧的摩阻力。用钢拉杆将盾尾与前体和中体连成一体，每条拉杆的承载力按300吨进行设计加工，共焊接12条拉杆。中部和底部增加四台200吨的辅助油缸顶盾尾，与推进千斤顶共同作用，重新开始脱困，当推力增大到3000吨时盾尾开始“跳动式”前进，在推进两环后彻底脱困。（3）、孤石卡住刀盘当盾构机掘进至102环时掘进参数出现异常，推进速度2-3mm/min，扭矩从2500Knm增大到4000knm，开仓后发现盾构机弧顶位置有一个宽3米高2米的空洞，有6个宽度约一米的大石块夹在刀盘的缝隙内造成掘进的困难，经分析，当刀盘经过空洞时，空洞周边的松动岩石被切削下来由于体积太大无法进入土仓，被夹在刀盘上。后采用静态爆破将大体积石块破碎运出土仓后恢复掘进。以上问题的出现造成该区间掘进异常艰难，大大影响了施工的进度。2.2盾构机过暗挖车站概述盾构机在草暖公园始发完成第一个区间的掘进后到达五号线广州火车站。广州火车站设计为马蹄形矿山法隧道，有扩大段和标准段两种断面，隧道净空无法满足盾构机直接沿线路中线通过的要求，按照常规的过站方法，需要将主机和后配套断开分别过站，到位后再重新连接调试，一般需要1个半月到两个月完成所有过站工作重新始发。为了加快施工进度，我们对方案进行了优化，充分利用盾构机250m曲线半径的转弯能力，设计了一个曲线使盾构机和后配套不断开直接过站，盾构机按250m的曲线出洞通过扩大段，然后沿直线通过标准段，在即将到达另一侧始发段前再沿曲线始发。盾构机将走过的轨迹如图1所示。为满足盾构通过的条件，须在盾构机通过地段下部施工混凝土导台。盾构机通过时采用千斤顶顶推管片前进。通过后，采用管片安装器在盾尾处安装最下部一块管片，后配套台车在管片上直接拖拉过站。采用这种过站方案仅用了7天主机和后配套就到达了始发洞门，大大加快了施工进度。在过站过程中有以下要点：a盾构机在出洞前的控制从盾构机出洞前20环进行盾构机姿态的调整，以更好地适应盾构机出动后的曲线。首先从出洞前20环向右偏，5环偏出50mm。再利用5环将盾构机刀盘偏回。10环向左偏出设计轴线50mm。控制盾构机千斤顶行程差，保证盾构机在出洞后按照R＝250m半径曲线前进。B盾构机主机通过扩大段和标准段盾构机步进时由盾构机底部的两条钢轨承受重量，由两侧的钢轨进行导向。另外，在盾构向前推进时，管片下方打入木楔，利用最下部的两组液压千斤顶顶推管片为盾构提供反作用力。C后配套台车通过扩大段和标准段盾构机主机通过后，在混凝土导台上安置一块管片，并通过木楔调整高差以满足需求。管片输送车以及连接桥可以直接从下部安放的管片通过。其余后配