1.工程概况
　　
　　成都地铁2号线某标段工程由1个始发工作井和2个盾构区间组成,主要附属工程包括8个洞门、3个联络通道(不含污水泵房)、盾构机两次过站。区间隧道起于经干院西端头,止于东洪路站南端头。线路出经干院站后以500m的曲线进入老成渝路,沿老成渝路向西北行进一段,期间经过1000m和1500m的两个短曲线,以直线进入东部副中心站;线路从东部副中心站出来后沿老成渝路继续向西北行进一段后,经过400m和500m的两个曲线段后,沿东洪路进入东洪路站南端头,盾构始发场地位于经干院站,工程交通条件便利;盾构吊出位于东洪路站内。区间隧道纵坡坡度2～28‰。隧道顶部埋深为9.8～25m,最小平面曲线半径400m。
　　1.2.工程地质与水文地质
　　1.2.1工程地质
　　(1)沿线地层条件
　　① 洞身地层分布统计
　　本标段盾构隧道穿越的地层分布统计见表1-3,比例图见图1-2和 图1-3。
　　
　　② 洞身地层强度分析
　　根据洞身地层统计,本区间主要穿越地层为(10%以上):<5-3>中风化泥岩、<4-7-2>含粘土卵石和<4-2>粘土,另有少量<5-1>全风化泥岩、<5-2>强风化泥岩;其中<4-7-2>含粘土卵石、<5-1>全风化泥岩为Ⅲ级硬土,<4-2>粘土为Ⅱ级普通土,和<5-2>强风化泥岩为Ⅳ级软石,岩层强度不大,容易形成泥饼;但必须充分注意,<4-7-1>含卵石粘土(3.21%)和<4-7-2>含粘土卵石(16.71%)中可能存在漂石,要求刀盘具有较大的开口率,刀具材质韧性必须满足要求,在遇到硬的卵石时可以经受撞击而不崩齿,同时要求耐磨性较强,可以满足长距离施工的要求。
　　(2)不良地层及特殊岩土
　　盾构隧道区间内无不良地质作用,穿越的特殊岩土为人工填土、膨胀土、膨胀岩和风化岩、大粒径漂石、卵石及有害气体等。
　　①人工填土
　　区间隧道人工填筑土主要为杂填土,以卵石土和碎石土为主,充填大量建筑垃圾和生活垃圾,一般未经压实。
　　②膨胀土、膨胀岩和风化岩
　　区间内<4-2>粘土层、<4-7-1>含卵石粘土层均为膨胀土,具有遇水软化、膨胀、崩解,失水开裂、收缩的特点。
　　③大粒径漂石、卵石
　　大粒径漂石、卵石均分布在<4-7-2>含粘土卵石层中。从钻孔中取样可见到少量粒径达140mm左右的卵石岩芯,在盾构隧道施工过程中需要针对大粒径漂石、卵石采取有效的应对措施。
　　④有害气体
　　由于沿线污水管密布,填土中有较多垃圾,遗漏和产生的污水渗入地下,形成有害气体,危及基坑施工。成都市政的污水井、阀门井、供水井施工中,已多次由于类似原因而出现伤亡事故。
　　1.2.2水文地质
　　根据成都区域水文地质资料及地下水的赋存条件,地下水主要有四种类型:一是赋存于粘土层之上的上层滞水,二是赋存于粘土中的裂隙水,三是第四系松散土层(含粘土卵石)的孔隙水,四是基岩裂隙水(基岩溶孔溶隙裂隙水)。其中,第四系孔隙水,主要赋存于含粘土卵石层中,具中等渗透性,地下水水量丰富,是段内地下水的主要存在形式。其水量、水位不稳定,大气降水和区域地表水为其主要补给源。含粘土卵石层为主要含水层,对工程施工存在一定的影响。
　　
　　2.施工风险分析及对策
　　
　　2.1地面沉降过大,导致管线破坏和房屋倒塌
　　2.1.1风险分析:
　　经干院站~东部副中心站区间主要沿城市道路行进,上方地层中存在大量地下管线,如果地面沉降过大,将有可能导致沿线管路破裂或损坏。而且道路上有行人和车辆,一旦造成道路沉陷、坍塌,将可能造成重大人员伤亡或财产损失。
　　2.1.2主要对策:
　　根据盾构施工工艺,有可能造成地层沉降(或地面坍塌)的主要因素有两个方面,在施工中需根据实际情况,进行预防和控制:
　　(1)超挖
　　由于在非满仓条件下盾构机具有较高的效率,因此土压平衡盾构通常在非满仓条件下掘进,当上部或前方土层不稳定时易坍塌进入土仓,从而引起地表沉降。这种情况表现为超挖,即单位进尺出土量偏大,实际出土量超过理论计算量。
　　应对措施:
　　①综合考虑各地层松散系数和地下水等因素,事先计算出每一环理论出土量。掘进时,派专人按环做好实际出土量统计,并与理论值对比。
　　②当地面出土量超过理论值5%时,应分析洞外、洞内监测数据,并通过分析土样,判断围岩变化,反演地层特性。如果推断确实属超挖,应调节螺旋输送机出土速度,增加土仓土体的含量。为保护上部建筑物或管线,必要时须满仓掘进或加气压非满仓掘进。
　　③根据统计超挖位置和超挖量,通过盾尾注浆及时将超挖量回补,必要时在超挖部位进行二次注浆或采用双液浆补注。盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道埋深处的水土压力。
　　(2)注浆量不足
　　管片脱出盾尾后,管片与地层间存在一环形建筑空间,在软岩地层中,如果不及时进行同步注浆填充环形建筑空间,或者注浆量无法xx填充拱顶围岩极也有可能产生变形引起地表过量沉降。
　　应对措施:
　　①采用两套注浆系统(同步注浆和二次补浆系统),确保注浆量满足要求。
　　②根据理论计算,管片和围岩间的施工空隙体积为4.05m3,根据以往施工经验,要达到较好的填充效果,粘土和泥岩地层中注浆量控在130～150%,含粘土卵石层至少应保证注浆量在150%以上,即每环注浆量6.3m3以上。
　　③注浆量还应结合注浆压力进行控制,注浆压力一般控制在外界水土压力+60～80kPa之间,若压力明显增大,则暂时停止注浆,以免注浆压力击穿地层或破坏管片。
　　2.2含粘土卵石层和含卵石粘土层对盾构机的磨损
　　2.2.1风险分析
　　由于盾构区间线路有<4-7-1>含卵石粘土和<4-7-2>含粘土卵石地层,占约该区间隧道土层的31%。根据详勘报告,<4-7-1>含卵石粘土呈黄、黄红色,硬塑,局部可塑。含铁、锰质氧化物结核,含20%～40%的弱～强风化卵石及岩屑,卵石粒径20～50mm为主。<4-7-2>含粘土卵石呈褐黄、黄色、红黄色,稍密,饱和。卵石成分主要为岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好,呈圆形～亚圆形,分选性差、大部分卵石呈弱～强风化,手可捏碎。卵石含量65～75%,粒径以20～80mm为主。充填物主要为粘性土及圆砾,含量约20～40%。又根据东部副中心站围护桩开挖情况了解,卵石粒径{zd0}可达400mm。
　　而盾构机须在含高强度卵石、大粒径漂石地层中长距离掘进,刀盘、刀具和螺旋输送机磨损都会较严重,因此盾构掘进施工过程中如何避免盾构机关键部位的严重磨损,是本工程的重点和难点。
　　
　　2.2.2主要对策:
　　①改造刀盘
　　(1)在刀盘前方注入泡沫,对刀盘、刀具与碴土之间全方位的润滑作用(泡沫经充分膨胀后扩散到整个面板),同时在土仓内添加适量水,全面改善碴土和易性(形成土、石、水的混合体),降低碴土粘性,形成不透水塑流性的碴土从而建立良好的土压平衡,从而减低各部位磨损及提高掘进效率。
　　(2)加大刀盘开口率至35%,选用镶嵌合金块的宽刃滚刀和重型齿刀,其中中心为双刃滚刀,周边为单刃滚刀;大部分碴土无须破碎即可进仓,实践证明能有效降低无功消耗,提高掘进效率。
　　(3)推进时采用土压平衡模式掘进,推进速度正常值控制在20～30mm/min,刀盘扭矩正常值2500KN.m左右,推力正常值10000～13000KN左右,主要结合推进速度和扭矩进行调整,刀盘转速正常值1.2～1.8rpm,须经常转换旋转方向。螺旋输送机转速,主要保持出土量与推进速度一致。通过严格控制盾构土仓压力、推进速度、推力和刀盘扭矩等参数,既可保持开挖面的平衡和稳定,又有利于保护刀具、降低磨损。 (4)加强盾构关键部位的耐磨性:加强刀盘的整体耐磨性,在刀盘面加焊耐磨块,重点加强1.5m半径外的部分和进碴口,刀盘轮缘加焊镶嵌硬质合金的耐磨块;加强螺旋输送机的耐磨性,螺旋输送机壳体及叶片全部采用耐磨措施;单独设计刀具,增强刀具母材及表面的耐磨性,刀圈镶嵌合金块。
　　(5)进行有计划的刀具检查、更换,根据地铁的施工经验,及时根据掘进参数的变化判断刀具的磨损量和适应性。刀具的检查、更换主要通过带压开仓作业。
　　(6)在盾构施工加强对排出碴土和盾构相关操作参数的分析,判断刀盘、刀具、螺旋机等的磨损程度,指导施工。
　　2.3刀盘泥饼处理
　　2.3.1风险分析
　　盾构隧道经过地段主要为泥岩、含粘土卵石层和含粘土卵石层,渗透系数都不大,泥质含量较高,遇水软化,极易发生“泥饼”现象。
　　“泥饼”形成后,刀盘主轴旋转处被土粘牢,土仓及刀盘正反面泥土板结,推力变大,刀盘扭矩过大或过小,就会造成掘进困难。一旦形成泥饼,将极大的影响盾构机正常作业。如何防止泥饼的形成以及泥饼形成后如何处理是本工程的重中之重。
　　2.3.2主要对策
　　为避免泥饼的出现,采取如下措施:
　　(1)刀盘设计和刀具配置充分考虑预防泥饼问题,适量加大刀盘开口率,减少刀盘接触面积;
　　(2)要求盾构机必须具备对刀盘和土仓有高压水(能添加粘土分散剂)清洗的功能,同时具备通过人闸系统进入土仓人工清理泥饼的功能;
　　(3)通过注入泡沫对土壤进行调节,经过泡沫调节的土壤降低了对盾构机的附着性,同时具有良好的流动性和弹性,便于螺旋出土器排出;
　　(4)通过土舱喷水提高粘土的流动性和出土效率,并防止土仓高温高热,有效防止泥饼形成。
　　(5)根据地质情况,采用合适的掘进速度和刀盘转速。
　　(6)增加主动和被动搅拌棒,充分搅拌渣土,提高其和易性和流动性。
　　(7)长期停机时,宜用泥浆代替部分土体充填密封土舱。
　　2.4带压开仓作业
　　2.4.1风险分析
　　本标段盾构隧道穿越的地层主要为:<5-3>中风化泥岩、<4-7-2>含粘土卵石和<4-2>粘土,根据以往施工经验,在这种地层中,盾构机掘进刀具磨损较快,并且很容易结泥饼,须经常进仓更换刀具或xx泥饼。但由于隧道上部土层普遍自稳性较差,常压下开仓存在坍塌的风险,为了确保进仓作业人员的安全,必须采用带压开仓。气压法进舱作业具有较高的风险,如何保证带压进舱作业的安全也本工程重点之一。
　　2.4.2主要对策
　　带压开仓作业是一项施工风险大、技术要求非常严格的技术,有带压开仓成熟经验的承包商方可进行带压开仓作业,具体措施如下:
　　(1)盾构机配置了完整的气压系统,如双仓式气压人闸,足够气源的电动空压机,呼吸气过滤系统以及相关的各种仪表盘等。
　　(2)先将待作业人员进行体检,然后组织体检合格人员进行带压作业的操作培训和加减压体验;并培训配置气压操仓人员。带压作业的人员培训分为理论知识培训、操作技能培训、心理培训。
　　(3)施工前制定严格的带压开仓作业施工方案,并根据可能出现的情况制定有针对性的应急预案。严格执行开仓作业的审查程序,并报驻地监理同意后方可开仓,主要负责人须跟班作业。
　　(4)盾构到达前,须严格控制土压平衡推进参数,以{zd0}减少对前方、上方土体扰动。
　　(5)掘进的{zh1}阶段,在刀盘面采用膨润土浆液代替泡沫,以保证在刀盘前方形成一道封闭气体的泥膜,如图12-1所示。
　　(6)为了防止盾尾可能大量漏气而造成突然泄压的情况,采取在盾体顶部注浆孔向盾体与围岩空隙中注入聚胺脂的措施,隔断土仓与盾尾通道。
　　(7)加压过程中须严格检查程序:掘进到位后分阶段排出土仓内的碴土,并同步压缩空气代替碴土。等待30分钟并观察土仓能否保压(这个时间的长短取决于压力降低的速率,一般为0.1bar/30min),合格后可排人员进仓观察,观察掌子面的稳定情况、地下水位或渗水状况等。
　　(8)严格按国家规范规定的加减压要求和程序进行作业,作业时间和加减压时间要严格控制。作业班组为4人,3人作业、1人观察及内外通讯联系。所有人员、材料、工具进出仓须严格登记。
　　(9)作业完成后,作业人员要将土舱内所有的工具拿出仓外,机电技术人员要对所有的刀具安装质量进行检查,确认无误后关闭土舱门恢复推进。恢复掘进阶段,在土仓内回填泥浆或保持气压,保持较高掘进速度,直到土仓满为止。
　　(10)做好加减压、仓内作业及环境的应急措施,各种应急设备、物质到位。
　　2.5联络通道施工
　　2.5.1风险分析
　　本标段区间设置3座联络通道,其中【东部副中心站~经干院站区间】设置两座联络通道。【东洪路站～东部副中心站区间】设置一座联络通道。3#联络通道所在地层主要为<5-3>中风化泥岩,自然稳定性较好,而1#联络通道所在地层为<4-7-2>含粘土卵石和<5-1>全风化泥岩,上覆地层为<4-7-2>含粘土卵石、2#联络通道所在地层主要为<4-2>粘土、<4-7-2>含粘土卵石,上覆地层为<4-2>粘土,自然稳定性较差。采用矿山法开挖,掌子面或上部土层易坍塌,从而导致地面塌陷。联络通道主要位于城市道路下方,对地表变形有较严格的要求,大大增加了其施工困难,因此确保联络通道的安全施工是重点之一。
　　2.5.2主要对策
　　主要对策如下:
　　(1)提前实施地面降水,疏干地下水及增加土层稳定性。
　　(2)管片开口之前,对旁边的管片实施加固,保证隧道结构的稳定。
　　(3)管片开口之前,沿通道开挖外周施做密排的超前支护措施。
　　(4)开挖阶段,加强超前支护,开挖进尺控制在0.5m,掌子面形成斜坡,及时架设钢架和挂网喷砼,并对掌子面喷砼护面封闭。如地面降水无法全部疏干地下水,在底板适当位置设置集水坑抽水。
　　(5)待联络通道开挖完毕后,及时施做二次衬砌。
　　(6)施工期间做好隧道、通道及地面监控量测。