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中铁十二局集团第二工程有限公司沈阳地铁项目部 110024
摘要：本文结合沈阳市地铁九号线工程线路的工程概况，详细分析了汪曹区间盾构法施工技术难点与措施，旨在为今后类似工程指导借鉴。
关键词：地铁盾构；技术难点；对策
1、工程概况
1.1工程简介
汪河路站-曹仲站区间全长2240.8双线米，区间中段下穿浑河，采用1台泥水平衡盾构机施工，盾构先施工左线，转场再施工右线。区间共设置4个联络通道，其中，1号、2号、4号联络通道均采用冷冻法+矿山法施工，3号联络通道结合区间风井设置，采用明挖法施工。
图1.1 区间平面布置图
1.2工程地质
区间地质情况：0-495环为全断面圆砾土；496-645环为粗砂，加少量中砂；646环-810环为粗砂，顶部有少量粉质粘土；811-1455环粗砂、中砂、砾砂、断面范围内有2m厚粉质粘土；1456-1867环为砾砂、圆砾土。
1.3 工程水文条件
勘察期间地下水水位埋深为7.10～9.40m，标高29.62～30.31m，水位、水量随季节变化，水位季节性变幅在为0～2.00m。根据岩土工程勘察报告，含水层渗透性强，渗透系数一般在28～80m/d之间，水力坡度约1%左右。
2、盾构施工准备
2.1泥水盾构的选型
地质是基础，设备是关键，盾构机选型（适应性）对于工程的成败至关重要。盾构机选型与设计之前，应充分掌握工程地质情况，以及施工中可能遇到的所有的工程重难点与风险点；应紧扣工程地质情况和工程重难点、风险点；分析应当选用何种盾构机，盾构机应当具备何种功能。
本项目针对于盾构机刀盘、刀具、进排泥浆管路、泵站、环流系统设计等方面进行研讨并制定了以下盾构机选型配置。
⑴泥水盾构刀盘选型
①结构：辐条式；开口率：48%；材料：Q345C
②进渣口采用锥形，进渣口部位的支撑筋板采用Z字形设计，特殊的设计有利于泥浆顺畅地流入开挖舱，避免进渣口堵塞。
③刀盘外圈搅拌棒尽量靠近前盾壳体；
④刀盘中心采用大流量冲刷，防止渣土在刀盘中心区域堆积，同时加快泥浆在开挖舱中心部位的混合，增强泥浆的流动性，极大降低中心结泥饼的可能；
⑤刀盘面板焊有12.5mm厚度的复合耐磨板，适用于各种复杂的地层。刀盘外圈焊有镶嵌合金耐磨板，是在优质钢板上镶嵌合金块，性能接近于耐磨刀具，除具有耐磨功能外，还能保证刀盘体的直径。刀盘边缘过渡区、刀盘进渣口、刀盘背部加焊致密耐磨网格，提高刀盘整体的耐磨性能。
⑵泥水盾构开挖舱内破碎机及搅拌器的选取
区间地质报告表明无岩层及大粒径卵石，但区间400m断面内存在粉质粘土，破碎机不但不利于大粘土块的输出，而且经过破碎机挤压容易形成新的泥饼，所以盾构机取消破碎机和格栅设计，但为了防止排渣口有堆积堵塞现象发生，在此部位安装了搅拌器，防止渣土沉淀。
优点：驱动装置位于常压环境，便于维修；相对于破碎机来说降低了维修风险。
搅拌器主要性能参数：左右搅拌器叶轮理论直径1020mm，输出扭矩不小于7KNm，输出转速0～40r/min（可调），液压马达驱动功率30kw，液压系统工作压力20Mpa，具体情况详见图2.1搅拌器装置。
图2.1 搅拌器装置
⑶ 泥水盾构环流系统选型
①泥浆管路直径选择
根据管路对比和借鉴其它工地施工经验，为了提高掘进效率，本项目选用DN300管径，在实际施工中效果非常好，能够以掘进速度55～60mm/min长时间掘进，提高了施工进度。
②泥水环流系统泵站选择
根据区间埋深、线路特性、泥浆管直径、泥浆管路弯头数量、泥浆环流安装阀体数量及形式、泥浆运行阻力系数以及实际泥浆指标进行进排泥浆泵型号及数量的计算选型。最终确定了进浆泵1台，排浆泵3台，高压冲洗泵1台；施工过程当中，由于浆液指标难以保证，进浆能力稍显不足，为保证掘进效率，增加了1台进浆泵。图2.2环流系统泵站选择。
图2.2环流系统泵站选择
③泥水盾构环流系统采石箱的选择
前述工程地质情况中已经表明整个区间圆砾土地层占了26%，比例相对较大，其中卵石粒径在20mm～250mm之间；泥水盾构施工掘进不仅卵石会堵塞磨损泥浆管路和排浆泵；粘土地层也会带来危害。所以此台泥水盾构环流系统中在排浆泵前方设置了一个采石箱进行大粒径砂卵石和大块粘土的过滤，避免造成对排浆管路、排浆泵的堵塞和磨损。
在实际的施工过程中采石箱的确起到了非常重要的作用，后面施工重难点中会详细阐述。
2.2 泥水盾构验收
⑴厂内调试验收
①人舱、气垫舱保压情况，3bar压力下30分钟压力降低不超过0.3bar。
②泥浆管路延伸系统（初步），含管路吊机与延伸系统配合，动作是否连贯流畅，无干涉；
③刀盘尺寸、刀具焊接质量、轨迹符合性及正反转速度；④搅拌器运转正常，无干涉；正反转及调速连贯流畅；
⑤主控室内操作系统的信号联机调试；
⑥管片拼装机、吊机限位行程、速度、管片固定情况；
⑦主推系统的负载调试，是否有漏油、不同步、压力不足等现象。
⑵現场调试验收（负载）
①环流系统在旁通、隔离模式下负载调试；开挖舱内建压情况下负载调试（重中之重）
②同步注浆系统负载调试，主要是注浆泵流量及压力是否满足？以及注浆管路检测是否漏浆，尤其是盾尾内被管片覆盖部分 ③气体保压系统调试（供气不足，空压机能否自动启动）
④应急发电机在停电时发电模式能否顺利启动
⑤泥浆管路延伸系统延伸时，泄露泥浆能否及时回收、延伸动作连贯等
2.3盾构施工重难点分析
2.3.1盾构始发洞门密封采用特殊设计外接环，降低始发风险；
盾构始发拱顶埋深9.8m，自然水位在拱顶以上2米，始发风险较大，采用洞门密封特殊结构设计防止洞门漏浆导致地面坍塌，具体情况见图2.3泥水盾构的洞门密封装置，已获专利《一种泥水盾构的洞门密封装置》。
图2.3 泥水盾构的洞门密封装置
2.3.2 区间坡度大、上下坡并伴随小半径转弯且转换较频繁，盾构施工困难；
⑴线路设计情况
纵断面采用V字坡，线路自汪河路站以19‰和3‰下坡，再以23.0‰、3.178‰及15.30‰上坡，至曹仲站。盾构始发后，线路沿南向呈“S”形前行，左右线平面曲线半径为600m，线间距为9-10m。
⑵施工问题及解决措施
① 盾构掘进时泥浆与污水难以处理
解决措施：
A分段设防，砌坝积水；但同时保证电瓶车安全通过；
B选用大功率大扬程能够排泥、排沙的渣浆泵进行排浆。
② 管片后续错台及上浮现象解决措施：
A进行针对性局部补注双液浆；
B并积极利用“克泥效”技术进行创新研发应用。具体结构见图2.4.
图2.4 克泥效施工图
2.3.3区间地层地质（圆砾土、中砂、粗砂、粉质粘土、粉细砂）过度频繁，N值变化大、地层软硬不均，导致盾构掘进困难；有计划的进行换刀（416环、670环、1221环）过河段（560环～950环）。地下异物造成刀具异常磨损，过风井后第1221环掘进发生异常，推力、扭矩极巨上升，速度3mm～5mm。刀具异常磨损（图2.5）
图2.5 刀具异常磨损
2.3.4区间粉细砂、粉质黏土层泥水盾构施工困难；
⑴分离设备难以满足要求：
在这种地层盾构掘进时，小于40um太多，多数20um以下，目前国际国内泥水处理的筛分设备处理能力都无法满足，导致泥浆的比重上升很快，废浆量增大；为降低比重，加入清水，是降低了比重，但同时粘度很小，加入添加剂无效果，满足不了施工需要。（经过分析，此地层的粘土很密实比重大，但是粘度很小。）为了减少废浆量，项目部决定配置一台压滤设备进行处理，已压滤26000方废浆。
⑵泥水环流系统排浆不顺畅
本台盾构机未安装破碎机，安装了搅拌器，同时在排浆泵前方安装采石箱进行大体积渣土清理。
经过1300环掘进，从采石箱内取出了大量的混凝土块、钢筋、钢管、大粘土块等，具体情况见图2.6。
图2.6 采石箱开箱施工
2.3.5长区间（1867环）盾构施工测量任务艰巨；
目前国内各城市地铁盾构施工因测量精度发生盾构隧道调线、无法正常进洞、出洞事故频发，带来了不可估量的损失和不良影响。本项目在施工前和施工过程中十分重视测量工作，群策群力、积极创新，进行很多项测量设备及技术改进工作。
此区间属于沈阳已建或在建地铁工程中最长区间，在全国地铁工程中也属于特长区间之一，测量施工任务十分艰巨。
采用了长区间隧道地面向隧道投点联系测量工法，联系测量目的是为了检核汪曹区间左线前期洞内导线的精度；风井至曹仲站段后期控制网布设方案提供指导作用，具体情况见图2.7。
图2.7地面向隧道投点联系测量
2.3.6泥水盾构接收采用特殊工艺保证施工安全；
对于泥水盾构施工中接收的风险巨大，由于其掌子面的保压特性，在破洞门时必然造成内外压力失衡，易造成盾构与洞门圈间隙涌泥涌砂及地表沉降、塌陷事故等国内外频发。
（1）风井回填过站施工
由于风井（隧道方向14米）所处位置位于浑河边200米左右，地下水压高，土体渗透系数大，综合施工风险工期采用回填过站，具体实施工序见图2.8。
图2.8风井回填盾构穿越施工工序
⑵曹仲站泥水盾构接收
由于曹仲站刚刚把接收井做好，后续结构还未施工完成，像灌水、回填土等无法实现，项目部采用一种新式结构进行接收。
图2.9 曹仲站泥水盾构接收
三、结语
汪曹区间左线全长2240.8米，从盾构始发到安全接收共用时160天左右，平均每天掘进14.4米，比同类工程平均速度（8.4米/天）提高6米每天，本项目通过适应性的设备选型与改造，提供了设备使用效率，有效的提高了施工进度。获得相当可观的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]沈阳至地铁九号线一期工程汪河路站～曹仲站区间管片设计图纸，图号DT9J12-S-SD-3-01A至DT9J12-S-SD-3-42A，
[2]《地下鐵道工程施工及验收规范》；（GB50299-2003）
[3]《盾构法隧道施工及验收规范》（GB50446-2008）
摘要：本文结合沈阳市地铁九号线工程线路的工程概况，详细分析了汪曹区间盾构法施工技术难点与措施，旨在为今后类似工程指导借鉴。
关键词：地铁盾构；技术难点；对策
1、工程概况
1.1工程简介
汪河路站-曹仲站区间全长2240.8双线米，区间中段下穿浑河，采用1台泥水平衡盾构机施工，盾构先施工左线，转场再施工右线。区间共设置4个联络通道，其中，1号、2号、4号联络通道均采用冷冻法+矿山法施工，3号联络通道结合区间风井设置，采用明挖法施工。
图1.1 区间平面布置图
1.2工程地质
区间地质情况：0-495环为全断面圆砾土；496-645环为粗砂，加少量中砂；646环-810环为粗砂，顶部有少量粉质粘土；811-1455环粗砂、中砂、砾砂、断面范围内有2m厚粉质粘土；1456-1867环为砾砂、圆砾土。
1.3 工程水文条件
勘察期间地下水水位埋深为7.10～9.40m，标高29.62～30.31m，水位、水量随季节变化，水位季节性变幅在为0～2.00m。根据岩土工程勘察报告，含水层渗透性强，渗透系数一般在28～80m/d之间，水力坡度约1%左右。
2、盾构施工准备
2.1泥水盾构的选型
地质是基础，设备是关键，盾构机选型（适应性）对于工程的成败至关重要。盾构机选型与设计之前，应充分掌握工程地质情况，以及施工中可能遇到的所有的工程重难点与风险点；应紧扣工程地质情况和工程重难点、风险点；分析应当选用何种盾构机，盾构机应当具备何种功能。
本项目针对于盾构机刀盘、刀具、进排泥浆管路、泵站、环流系统设计等方面进行研讨并制定了以下盾构机选型配置。
⑴泥水盾构刀盘选型
①结构：辐条式；开口率：48%；材料：Q345C
②进渣口采用锥形，进渣口部位的支撑筋板采用Z字形设计，特殊的设计有利于泥浆顺畅地流入开挖舱，避免进渣口堵塞。
③刀盘外圈搅拌棒尽量靠近前盾壳体；
④刀盘中心采用大流量冲刷，防止渣土在刀盘中心区域堆积，同时加快泥浆在开挖舱中心部位的混合，增强泥浆的流动性，极大降低中心结泥饼的可能；
⑤刀盘面板焊有12.5mm厚度的复合耐磨板，适用于各种复杂的地层。刀盘外圈焊有镶嵌合金耐磨板，是在优质钢板上镶嵌合金块，性能接近于耐磨刀具，除具有耐磨功能外，还能保证刀盘体的直径。刀盘边缘过渡区、刀盘进渣口、刀盘背部加焊致密耐磨网格，提高刀盘整体的耐磨性能。
⑵泥水盾构开挖舱内破碎机及搅拌器的选取
区间地质报告表明无岩层及大粒径卵石，但区间400m断面内存在粉质粘土，破碎机不但不利于大粘土块的输出，而且经过破碎机挤压容易形成新的泥饼，所以盾构机取消破碎机和格栅设计，但为了防止排渣口有堆积堵塞现象发生，在此部位安装了搅拌器，防止渣土沉淀。
优点：驱动装置位于常压环境，便于维修；相对于破碎机来说降低了维修风险。
搅拌器主要性能参数：左右搅拌器叶轮理论直径1020mm，输出扭矩不小于7KNm，输出转速0～40r/min（可调），液压马达驱动功率30kw，液压系统工作压力20Mpa，具体情况详见图2.1搅拌器装置。
图2.1 搅拌器装置
⑶ 泥水盾构环流系统选型
①泥浆管路直径选择
根据管路对比和借鉴其它工地施工经验，为了提高掘进效率，本项目选用DN300管径，在实际施工中效果非常好，能够以掘进速度55～60mm/min长时间掘进，提高了施工进度。
②泥水环流系统泵站选择
根据区间埋深、线路特性、泥浆管直径、泥浆管路弯头数量、泥浆环流安装阀体数量及形式、泥浆运行阻力系数以及实际泥浆指标进行进排泥浆泵型号及数量的计算选型。最终确定了进浆泵1台，排浆泵3台，高压冲洗泵1台；施工过程当中，由于浆液指标难以保证，进浆能力稍显不足，为保证掘进效率，增加了1台进浆泵。图2.2环流系统泵站选择。
图2.2环流系统泵站选择
③泥水盾构环流系统采石箱的选择
前述工程地质情况中已经表明整个区间圆砾土地层占了26%，比例相对较大，其中卵石粒径在20mm～250mm之间；泥水盾构施工掘进不仅卵石会堵塞磨损泥浆管路和排浆泵；粘土地层也会带来危害。所以此台泥水盾构环流系统中在排浆泵前方设置了一个采石箱进行大粒径砂卵石和大块粘土的过滤，避免造成对排浆管路、排浆泵的堵塞和磨损。
在实际的施工过程中采石箱的确起到了非常重要的作用，后面施工重难点中会详细阐述。
2.2 泥水盾构验收
⑴厂内调试验收
①人舱、气垫舱保压情况，3bar压力下30分钟压力降低不超过0.3bar。
②泥浆管路延伸系统（初步），含管路吊机与延伸系统配合，动作是否连贯流畅，无干涉；
③刀盘尺寸、刀具焊接质量、轨迹符合性及正反转速度；④搅拌器运转正常，无干涉；正反转及调速连贯流畅；
⑤主控室内操作系统的信号联机调试；
⑥管片拼装机、吊机限位行程、速度、管片固定情况；
⑦主推系统的负载调试，是否有漏油、不同步、压力不足等现象。
⑵現场调试验收（负载）
①环流系统在旁通、隔离模式下负载调试；开挖舱内建压情况下负载调试（重中之重）
②同步注浆系统负载调试，主要是注浆泵流量及压力是否满足？以及注浆管路检测是否漏浆，尤其是盾尾内被管片覆盖部分 ③气体保压系统调试（供气不足，空压机能否自动启动）
④应急发电机在停电时发电模式能否顺利启动
⑤泥浆管路延伸系统延伸时，泄露泥浆能否及时回收、延伸动作连贯等
2.3盾构施工重难点分析
2.3.1盾构始发洞门密封采用特殊设计外接环，降低始发风险；
盾构始发拱顶埋深9.8m，自然水位在拱顶以上2米，始发风险较大，采用洞门密封特殊结构设计防止洞门漏浆导致地面坍塌，具体情况见图2.3泥水盾构的洞门密封装置，已获专利《一种泥水盾构的洞门密封装置》。
图2.3 泥水盾构的洞门密封装置
2.3.2 区间坡度大、上下坡并伴随小半径转弯且转换较频繁，盾构施工困难；
⑴线路设计情况
纵断面采用V字坡，线路自汪河路站以19‰和3‰下坡，再以23.0‰、3.178‰及15.30‰上坡，至曹仲站。盾构始发后，线路沿南向呈“S”形前行，左右线平面曲线半径为600m，线间距为9-10m。
⑵施工问题及解决措施
① 盾构掘进时泥浆与污水难以处理
解决措施：
A分段设防，砌坝积水；但同时保证电瓶车安全通过；
B选用大功率大扬程能够排泥、排沙的渣浆泵进行排浆。
② 管片后续错台及上浮现象解决措施：
A进行针对性局部补注双液浆；
B并积极利用“克泥效”技术进行创新研发应用。具体结构见图2.4.
图2.4 克泥效施工图
2.3.3区间地层地质（圆砾土、中砂、粗砂、粉质粘土、粉细砂）过度频繁，N值变化大、地层软硬不均，导致盾构掘进困难；有计划的进行换刀（416环、670环、1221环）过河段（560环～950环）。地下异物造成刀具异常磨损，过风井后第1221环掘进发生异常，推力、扭矩极巨上升，速度3mm～5mm。刀具异常磨损（图2.5）
图2.5 刀具异常磨损
2.3.4区间粉细砂、粉质黏土层泥水盾构施工困难；
⑴分离设备难以满足要求：
在这种地层盾构掘进时，小于40um太多，多数20um以下，目前国际国内泥水处理的筛分设备处理能力都无法满足，导致泥浆的比重上升很快，废浆量增大；为降低比重，加入清水，是降低了比重，但同时粘度很小，加入添加剂无效果，满足不了施工需要。（经过分析，此地层的粘土很密实比重大，但是粘度很小。）为了减少废浆量，项目部决定配置一台压滤设备进行处理，已压滤26000方废浆。
⑵泥水环流系统排浆不顺畅
本台盾构机未安装破碎机，安装了搅拌器，同时在排浆泵前方安装采石箱进行大体积渣土清理。
经过1300环掘进，从采石箱内取出了大量的混凝土块、钢筋、钢管、大粘土块等，具体情况见图2.6。
图2.6 采石箱开箱施工
2.3.5长区间（1867环）盾构施工测量任务艰巨；
目前国内各城市地铁盾构施工因测量精度发生盾构隧道调线、无法正常进洞、出洞事故频发，带来了不可估量的损失和不良影响。本项目在施工前和施工过程中十分重视测量工作，群策群力、积极创新，进行很多项测量设备及技术改进工作。
此区间属于沈阳已建或在建地铁工程中最长区间，在全国地铁工程中也属于特长区间之一，测量施工任务十分艰巨。
采用了长区间隧道地面向隧道投点联系测量工法，联系测量目的是为了检核汪曹区间左线前期洞内导线的精度；风井至曹仲站段后期控制网布设方案提供指导作用，具体情况见图2.7。
图2.7地面向隧道投点联系测量
2.3.6泥水盾构接收采用特殊工艺保证施工安全；
对于泥水盾构施工中接收的风险巨大，由于其掌子面的保压特性，在破洞门时必然造成内外压力失衡，易造成盾构与洞门圈间隙涌泥涌砂及地表沉降、塌陷事故等国内外频发。
（1）风井回填过站施工
由于风井（隧道方向14米）所处位置位于浑河边200米左右，地下水压高，土体渗透系数大，综合施工风险工期采用回填过站，具体实施工序见图2.8。
图2.8风井回填盾构穿越施工工序
⑵曹仲站泥水盾构接收
由于曹仲站刚刚把接收井做好，后续结构还未施工完成，像灌水、回填土等无法实现，项目部采用一种新式结构进行接收。
图2.9 曹仲站泥水盾构接收
三、结语
汪曹区间左线全长2240.8米，从盾构始发到安全接收共用时160天左右，平均每天掘进14.4米，比同类工程平均速度（8.4米/天）提高6米每天，本项目通过适应性的设备选型与改造，提供了设备使用效率，有效的提高了施工进度。获得相当可观的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]沈阳至地铁九号线一期工程汪河路站～曹仲站区间管片设计图纸，图号DT9J12-S-SD-3-01A至DT9J12-S-SD-3-42A，
[2]《地下鐵道工程施工及验收规范》；（GB50299-2003）
[3]《盾构法隧道施工及验收规范》（GB50446-2008）