孙会良 廖鹏 胡盛斌 陈智
1.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁530028；2. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京，100101
摘要:为解决复杂地质条件下盾构穿越危旧建筑物的沉降控制难题，在前期调查、对比分析、技术论证的基础上，结合工程地质、周边环境以及施工需求，提出了基于双模式盾构机的刀盘选型参数和技术要求，解决了盾构掘进控制关键技术难题，确保了盾构始发后在粉土、粉细砂、圆砾及泥岩四种地质互层中连续穿越65栋危旧建筑物，各监测项目均在可控范围之内，为类似工程提供了技术参数和参考借鉴。
关键词：复合地层；泥水-土压双模式盾构；盾构选型；掘进参数；危旧建筑物
随着我国经济社会的高质量发展，城市轨道交通建设无论在规模、数量、质量上都取得长足的进步。相比于传统的矿山法隧道而言，盾构法隧道具有安全、快速、成型质量高等优点，在地铁隧道、过江隧道等工程项目中广泛应用[1-6]。根据地层特性和工程经验，粉土、粉细砂地层适合泥水平衡盾构机，圆砾及泥岩地层泥水平衡盾构环流系统滞排严重，更加适宜土压平衡盾构掘进，长距离连续穿越危旧建筑物的沉降控制泥水平衡盾构优势更加明显。面对区间复杂的边界条件，盾构选型采用气垫式直排式泥水-土压双模式盾构，通过合理的盾构参数及掘进管理，安全、快速完成该段盾构隧道的施工任务。
1 工程概况
南宁轨道交通5号线一期工程（那洪-金桥客运站）全长20.2Km，是南宁轨道交通主干线之一。其中，五一立交站～新秀公园站区间（以下简称：五-新区间）采用泥水/土压双模式盾构施工，盾构隧道衬砌环外径为Φ6000mm，内径为Φ5400mm，管片厚度为300mm，宽度为1500mm，衬砌的设计强度为C50，抗渗等级为P12。衬砌每环由1个封顶块（K型），2个相邻块（B/C型），3个标准块（A型）共六块构成。
区间盾构自五一立交站大里程端头始发，下穿自行车总厂居民楼、新福鞋料市场、五一中路小学等多栋建筑物后，到达邕江南岸江滩，穿越邕江后到达新秀公园站接收吊出，区间隧道长度2098.086m。
1.1 工程地质
本区间隧道穿越地层较为复杂，主要岩性为：粉土③2（Q3al）：深灰色，湿，中密，摇震反应中等，干强度差，切面粗糙，无光泽，主要分布在邕江低阶地亚区。层厚1.10～5.60m，平均层厚2.91m。；粉细砂④1-1：黄色，灰色，湿，松散～稍密，成分由黏粒、粉砂组成，级配一般，结构松散，层厚1.00～4.20m；圆砾⑤1-1：灰色、灰白色、黄色等，稍密～中密，饱和，粒径在2～20mm，磨圆度较好，以次圆状为主，部分滚圆状或次棱角状，成分以石英岩、硅质岩为主。层厚3.80～15.40m。；粉砂质泥岩⑦1-2（E）：青灰色，泥质结构，局部粉砂质结构，厚层状构造，成岩程度较浅，呈坚硬土状，切面光滑，风干开裂，遇水易软化，局部含有深灰色、灰黑色薄层泥煤层或炭质泥岩，层厚0.40～18.60m，平均层厚4.49m。自由膨胀率平均值36.38％，属A1类膨胀土。
1.2 周边环境
盾区间隧道在下穿邕江之前下穿南宁市自行车总厂、丽江花园小区、三元小区、地宝小区等65栋危旧建筑，楼高主要为2～8层，基础类型主要为简单的条形基础，埋深仅1～2m，隧道顶部距离房屋基础约9～23m。侧穿中兴大桥，最近距离为55m。
2风险分析及应对思路
根据地质勘察报告及设计文件，区间隧道主要穿越的地层为圆砾、粉砂质泥岩复合地层及全断面的粉砂质泥岩地层。盾构掘进施工中存在的风险及应对措施如下：
2.1盾构机选型及针对性配置
盾构选型是盾构施工的基础，涵盖地质条件、工程设计、盾构设计、机械配套等技术因素，同时盾构选型考虑经济比选、现有盾构、工期要求、场地条件、周边建构筑物与地下管线环境条件等综合因素，选用的泥水/土压双模盾构机。该盾构机既可以实现泥水模式，又可以实现土压模式掘进施工。在结构上包括刀盘、盾体、人行闸、盾尾密封刷、推进系统、铰接装置、管片拼装机、后配套台车等；在功能上包括刀盘驱动系统、盾构掘进系统、管片安装系统、壁后同步注浆系统、盾构掘进管理自动测量系统、泥水环流系统/土压出渣系统、液压系统、泡沫系统、电气控制系统及通风、通讯、供水、供电系统等。选用的双模盾构机主要技术特点：
(1)主驱动：液压驱动，总功率945kw，主驱动传动效率高，系统具备运行可靠、免维护、噪音低、发热小、省电等优势；采用外齿驱动，传动平稳。
(2)主密封：主密封形式为多唇型，内外共8道，硬质聚氨酯材料耐压能力高达10bar。
(3)刀盘：中心开口率较大，开口率45%，有效降低刀盘中心结泥饼的风险；主动搅拌棒设计位置靠外，以及土舱隔板中心环带处同刀盘之间有相对移动，有效增加土舱土壤流动性，牛腿内侧设计有具备冲刷功能的被动搅拌棒。
(4)铰接系统：被动铰接形式。
(5)液压系统：模块式+集成式。
(6)注浆系统：采用同步单、双液注浆系统，可有效控制地面沉降。
(7)环流系统：，设置正送模式，旁通模式，反冲洗模式，设有P0泵内循环系统。
(8)皮带系统：带宽800，输送能力555m3/h。
(9)泥水平衡控制方式：泥浆流量直接控制+进浆管比例泄压阀+气垫包辅助控制。
表1为不同盾构机参数配置对比表。通过双模式盾构机和泥水盾构机参数对比，双模式盾构机继承泥水盾构机所有优点外，盾构额定扭矩、脱困扭矩和装机功率均有相应的提高，根据以往的复合地层和全断面泥岩段掘进参数分析，双模式盾构机的参数满足符合该区间地层全断面泥岩段掘进需求。
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2.2 刀盘配置
选定的双模式盾构机刀盘开口率大，出渣顺畅，在南宁泥岩地层掘进未发生过结泥饼问题。根据施工需求，配置更换先行刀刀箱，刀盘初装中心更换双刃撕裂刀、正面双刃滚刀（或撕裂刀）、边刮刀、刮刀、保径刀，超挖刀、磨损检测刀。双模式盾构刀盘配置见图5。
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图5 选定盾构机刀盘示意图
根据类似地层施工中刀具磨损情况，采取以下措施对刀盘、刀具进行耐磨处理：
1）在刀盘面板及周围边最易磨损处，复以耐磨钢板或交叉堆焊硬质合金，以增加刀盘的耐磨性。
2）在刀盘的正面及周边焊接有特制的复合耐磨保护板 来增强刀盘面板的耐磨性，耐磨板采用小块鳞片式焊接。
3）增加不同类型刀具的切削高差，以保证刀具切削强度的富余量。
4）加强泥浆质量管理，确保掘进过程中的渣土及时外运，避免仓内堆渣加速刀具的磨损。
5）施工中严格控制掘进姿态，避免因纠偏造成刀具偏磨。
6）施工过程中密切关注掘进参数的变化，主要是刀盘转速和扭矩的变化，一旦发现异常，立即和泥浆站人员联系，检查泥浆质量及出渣情况等，及时调整掘进参数。
7）加强超挖刀的耐磨：在超挖刀两侧布置边缘刮刀，在超挖刀回缩时保护超挖刀，超挖刀缩到底时刀刃距离边刮刀的距离为30mm，同时进一步增加超挖刀外周板的耐磨焊，以保护刀毂。
8）优化刀盘耐磨措施：去除刀盘耐磨网纹，刀盘正面焊接10mm厚的耐磨板，刀盘外周焊接10mm耐磨板。
2.3 主驱动
驱动部分采用9组液压驱动，总功率945kw。刀盘转速可调，正反转可自由选择。变速0-3.35rpm，工作扭矩为6650kN·m，脱困扭矩可达8100kN·m。
主密封：轴向内外各两道，径向内外各一道唇形密封，每道密封设计有四道密封唇口；主密封采用硬质聚氨酯材料，耐压6bar。
为保证主密封的可靠性，配备了油脂自动供给系统。该系统长期监视油脂泵的运转情况、有无油脂、有无进行油脂润滑、油脂注入压力等情况，并在刀盘运转时始终对密封部供油脂。油脂自动供给系统为了配合油脂的充填情况，可自动选择连续运转、间歇运转、停止等运转状态，实现有效的油脂供给。主驱动减速箱润滑回路配备了润滑油过滤、润滑油油量及润滑油压力自动检测等装置。设计上可以承受80℃温度，但是为了防止刀盘高速运转时产生的主密封滑动部位的温度上升，在主密封滑动面内部设计有循环冷却水进行冷却。
2.4 双模盾构机泥水模式：送排泥系统
盾构机送排泥系统设置有1台泥浆循环泵（Po泵）、1台送泥泵（P1-1泵)、1台排泥泵（P2泵)、中继泵Pn（数量由区间长度决定）、1台PE泵以及1台Pm泵，泥浆循环系统设计有采石箱、P0泵、液压球阀等设备。当砾石层和岩石层掘进的时候，泵的大小决定了排泥管的尺寸，台车上安装采石箱，内循环系统：采石箱→P0泵→内循环管→泥水仓→排泥管→采石箱之间形成循环回路。
2.5 注浆系统
当盾构机推进时，围岩与管片间由于盾尾的抽脱及超挖等原因就形成了空隙，这一空隙需要注浆充填，及时地进行注浆可以起到以下作用：控制该部分空隙引起的土体沉降、压实松动的围岩、提高隧道止水性、防止管片漏水、将管片与围岩一体化，确保管片衬砌的稳定。注浆系统采用同步单液注浆。砂浆罐容积达8m3，采用立式搅拌方式。配置两台注浆泵，每个泵有两个出口，注浆系统使用4根注浆管，注浆管为内置式。为了实现自动注浆的功能，在管路的注入端安装了压力传感器，用于检测注浆压力。在管路上配置有专用水、气清洗装置，安装在设备桥下，当需要冲洗时，可分别向前和向后冲洗注浆管路。预留二次注浆泵安装位置，可供管片背部二次注浆及超前注浆使用。
3 双模式盾构掘进模式转化
图6为双模式盾构掘进模式转换施工流程图。直排式泥水盾构通过进出浆管向土仓内注入和输出泥浆达到改良、携带切削渣土的目的；土压平衡模式通过想土仓内注入泡沫剂、水等改良渣土性状并采用螺旋输送机出渣。掘进模式转换圆砾在于通过掘进过程中改变盾构土仓内渣土性状实现渣土改良和出渣方式的改变。转换过程中关键点在于控制土仓内压力波动，维持掌子面稳定，并判断渣土状态适时调整出渣方式，减少喷涌或者堵管。
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图6 掘进模式转换施工流程图
4. 盾构掘进控制关键技术
考虑粉细砂地层液化机制及相应水文地质情况，确定盾构掘进及停机基本原则如下：
①严格控制泥浆性能，保证掌子面泥膜稳定有效；
②刀盘切口泥水压力设定大于理论泥水压力，达到压力平衡保证地层稳定减少地下水土流失；
③连续快速掘进，降低盾构机对地层的振动及扰动；
④停机前调高盾构姿态并保持抬头趋势，为可能姿态变化预留条件；
⑤成型管片及洞门区域二次注浆固化管片并封堵地下水，防止顶部形成流水通道。
4.1防止盾构刀盘“结泥饼”
全断面泥岩掌子面较硬（具有一定强度），遇水后软化黏性大幅度增加，在土仓和管路内易相互之间粘合，形成大的粘土块，易堵土仓内出浆口和整个管路，造成环流不畅通，仓压波动大，严重影响掘进效率。由于堵塞严重，出渣为一股一股，会造成泥浆泵损坏，泥浆软管爆等问题。在泥岩地层掘进时，土仓内存在渣土滞排问题。由于渣土滞排造成土仓内渣土堆积，刀盘、牛腿和土仓结饼，大大加剧刀具异常磨损，减小刀具寿命，容易糊刀箱。主要采取措施:增大土仓冲刷，冲刷牛腿；控制泥浆比重和掘进参数，减少渣土滞排；刀盘配置主动搅拌棒，利用好反冲洗模式。
4.2 始发段盾构掘进控制
始发段主要穿越③2粉土、④1-2粉细砂层、⑤1-1圆砾层地层及复合地层，地层自身稳定性较差，建筑物密集且年限久远，基础均为1～2m的浅基础，盾构穿越期间地表沉降控制风险高，主要采取措施：
(1)选择合理的掘进参数，避免超挖；
(2)施工前，对建筑物基础形式、结构形式、产权归属等进行详细调查，对建筑物进行鉴定，必要时提前进行加固；
(3)掘进过程中加强对设备的维保，确保设备状况良好，避免出现设备故障造成长时间停机；
(4)加强同步注浆、二次注浆及盾尾密封的管理。
4.3盾构下穿邕江施工控制
区间隧道在里程CK8+900～CK9+500范围下穿邕江河床，下穿段邕江水面宽约400m，常水位深为13m，隧顶距离江底河床最近距离约为10.5m，穿越江底时净水压力可达3bar，穿越邕江时，由于局部盾构覆土较浅，造成“渗漏”、“冒顶”等事故。区间线路进出邕江范围均为圆砾、泥岩的复合段，圆砾层渗透性强且与邕江水系连通，仓压压力或其他参数异常的时候，易出现“渗漏”和“冒顶”等风险。主要采取措施：
(1)合理设置盾构掘进参数；
(2)做好进江前设备检查和维保工作，避免长时间停机；
(3)穿出邕江段为全断面富水圆砾层，并且与邕江江水连通，合理设定掘进参数，控制土仓压力稳定，减少压力波动。在江底全断面泥岩掘进时仓压波动大，调整好掘进参数；
(4)与相关方做好联系，办理下穿相关手续，做好下穿应急预案。
4.4盾构机设备管理
4.4.1管片拼装控制措施
管片拼装前，须将拼装区域内的积水进行抽排、渣土进行清理，避免杂物拖入盾尾，造成盾尾密封失效；封顶K块拼装前，必须调整好开口尺寸，使封顶块能顺利插入到位；加强管片拼装技术管理，提高拼装人员的技术水平，要求管片不拼成椭圆形，以减少椭圆和纵缝、环缝错台的现象。
4.4.2盾尾密封管理
盾构机始发前要在盾尾刷钢丝内人工手涂WR90油脂，涂抹标准为尾刷每根钢丝上要沾满油脂；负环管片和钢套筒后钢环接触后，开始进行油脂自动注入，在确保油脂仓内完全充满油脂后再进行盾构机的推进；待盾构机完全进入土体后，通过控制盾尾油脂注入压力及注入量，确保油脂的注入效果，以避免地层内杂物进入油脂仓，造成对尾刷的破坏；在盾构管片外弧面、止水条外侧粘贴海绵条（宽度30mm，厚度2mm），以防止泥浆或水泥浆流入盾尾，造成盾尾密封损坏。
4.4.3盾尾刷及油脂强制性规定
在掘进过程中掘进班必须设立专人观察管片漏浆情况，及时清理管片背部垃圾，安装管片时应将盾尾底部清理干净后再进行管片安装。设立专人对油脂系统进行保养，每天检查、巡视油脂系统的工作情况，维修保养人员每班视情况对油水分离器进行排水，确保进入油脂泵的空气是干燥不含水份。主司机每班必须检查油脂气动球阀及油脂注入情况，并认真填写盾尾油脂检查记录表。严格控制油脂注入量，手动与自动模式交换操作，严禁长时间使用自动模式进行油脂注入。
4.4.4铰接密封性管理
盾尾套装完成后，对铰接密封润换油脂道注入润滑油，盾尾油脂道注慢盾尾油脂。铰接气囊接头配置完成，并于气路相接完成，应急注盾尾油脂和聚氨酯通道接头配置完成，保证能立即投入使用，同时需配置双液注浆接头应急时使用。加强管片拼装质量控制，并根据姿态情况，及时选择管片，保证盾构趋势和管片拼装一直，减少铰接拉伸过度。
4.4.5穿越后控制措施
粉细砂地层施工完成后，根据掘进过程中的施工参数及监测数据，选择水泥-水玻璃进行二次注浆，注浆压力不大于0.45MPa，注浆量单孔控制在0.6~1m3左右。
5工程实施效果
针对粉细砂地层掘进过程中的沉降控制，在掘进过程中严格控制掘进参数，保证同步注浆和二次补注浆效果，加强沉降监测，并及时收集反馈数据，及时优化调整。根据施工监测和第三方监测数据显示，在左右线盾构完成下穿建筑物后，地表和建筑物累计沉降均控制在10mm以内，做到了精准控制地表沉降，实现了安全穿越危旧建（构）筑物的目标。
6 结论
国内首台气垫直排式双模盾构在南宁地铁建设中的首次运用，通过双模式盾构机和泥水盾构机参数对比，双模式盾构机继承泥水盾构机所有优点外，重点提高了盾构额定扭矩、脱困扭矩和装机功率，加强了盾构刀盘刀具针对性设计，确保了盾构选型与复杂地层掘进施工相适应，最后盾构成功下穿危旧建筑物，实现了精准沉降控制，为类似工程提供了较好的借鉴和参考。
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