泥岩地质中泥水平衡盾构施工技术

泥岩地质中泥水平衡盾构施工技术
摘要：文中以佛山地铁三号线镇安站～桂城站区间施工为例，在泥岩地
层中采用泥水平衡盾构进行隧道施工，易遇到泥水滞排、掘进缓慢的问题，给区
间施工带来极大困难和风险。

通过优化泥水盾构机刀盘配置，改造采石箱、泥浆
管路，掘进过程中加强对泥浆指标参数的控制，并在有必要时开仓作业清理土仓，最终顺利穿越影响较大的泥岩复杂地层。

关键词：盾构泥水平衡泥岩泥浆指标开仓
1工程概况
佛山市城市轨道交通三号线镇安站～桂城站盾构从桂城站出发，沿南海大道
由北向南延伸，依次下穿过街通道、下穿华阳桥A/C梯道、丰收水闸、东三电排站、华阳桥1号桥、侧穿华阳桥9号桥桩，到达镇安站。

本区间采用泥水盾构施工，区间左、右线均从桂城站南端头始发，在镇安站北端头接收。

镇安站～桂城
站区间为地下6m直径双线盾构区间。

盾构段右线里程为YDK51+570.050～
YDK52+879.427，长链2.696m，右线总长度为1312.073m；盾构段左线里程为
ZDK51+571.058～ZDK52+879.427,长链0.165m，左线总长度为1308.535m。

区间右线最大坡度为-28.228‰，最小坡度为-2‰，左线最大坡度为-
28.414‰，最小坡度为-2‰，隧洞顶板埋深8.60m～20.45m。

2施工难点及风险分析
本区间沿城市主干道敷设，区间地面环境复杂，地下管线密集，同时盾构机
需穿越多种建（构）筑物及河流，区间2/3地层为泥水盾构掘进困难的泥岩地层，泥岩的岩性使得盾构施工时时常泥水滞排、掘进缓慢，给本区间上软下硬的复合
地层掘进带来极大施工困难和风险。

2.1建构物及管线引起的施工难点和风险
镇桂盾构区间在南海大道正下方，南海大道车流量大，管线多，主要有电信
光纤、雨水管线、给水管线、污水管线、电力管线。

管线分布主要是沿南海大道
平行于隧道线路方向。

管线分布错综复杂，且比较集中。

掘进施工时应做好预防
沉降的控制，以确保施工的顺利进行及管线的正常运行。

四条顶管过街通道距离盾构始发端水平净距10.8m，竖向净距6.7m；盾构掘
进时需要下穿越秀过街通道（29.2m），给施工增加了很多困难。

2.2盾构掘进的施工难点和风险
盾构机在泥岩地层掘进时，容易出现泥水滞排、掘进缓慢及经常开采石箱清
理渣物等一系列不利于施工的因素。

盾构掘进推力、扭矩及掘进速度各项参数异常时可能导致仓内压力失稳，从
而引起地面沉降及周边管线变形；严重时，也可能导致刀具失去破岩能力，盾构
机无法掘进。

泥水盾构机在泥岩复杂地层掘进时刀盘易出现结泥饼情况，将会面临开仓检
查及清泥饼等工作，经常开仓会有很多安全风险。

盾构在上部砂层下部泥岩地层掘进时，由于处于上软下硬地层，掘进时姿态
控制不稳刀盘容易翘起从而导致盾构垂直姿态上浮，管片姿态超限情况发生。

泥水盾构在泥岩地层掘进时，控制好泥浆的粘度和比重；安排专属人员定期
对泥浆性能进行检测，设置预控值及时动态调整。

避免浆液性能不达标从而引起
设备负荷过大而增加故障率。

3施工技术与应对措施
根据现场实际情况，盾构机下穿顶管通道时应根据监测结果及时调整盾构机
掘进速度、掘进参数确保环流通畅以及加强注浆管理，确保建构物及地表沉降控
制在允许范围内。

穿越泥质粉砂岩时确保掘进参数正常及时预防土仓结泥饼情况。

3.1预防地表、顶管通道沉降和盾构环流、管理措施
为防止沉降已对顶管通道两侧进行注浆加固，理清线路上建（构）筑物平面
关系、垂直距离，盾构下穿时确保机况良好，避免带病作业，对地表及建构物进
行加密监测，及时分析沉降监测数据来调整掘进参数。

开挖面稳定管理，设置并保持开挖面稳定的切口水压及土体改良开挖面稳定
管理措施，保证进排土量的动态平衡。

合理设定掘进参数，推力、转速、速度、和扭矩；结合地质、土压及掘进速
度的变化，研判参数正常与否；同步注浆管理，正确选用注浆配比及特性；保证
注浆压力及注浆量的控制，确保注浆管路畅通，同时保证同步注浆饱满，及时跟
进二次注浆泥浆比重参数控制，掘进时关注进浆出浆比重、进浆泥浆粘度控制及
环流系统流量的控制。

穿越泥岩地层掘进参数设定：推力在20000kN以下、掘进速度15mm以下、
切口水压力在2.2bar左右、同步注浆量6m³/环、泥浆进浆比重在1.1~1.2g/cm3、泥浆出浆比重在1.2~1.3g/cm3左右、进浆粘度在25s~30s左右、环流系统流量在
6~7m³/min、出土量40m³左右/环。

泥浆质量控制，即对泥浆四大要素的调整。

四大要素为：最大颗粒粒径及粒
径分布，泥浆密度、黏度和泥水压力。

1）泥浆性能指标
泥浆的性能是泥水盾构施工的关键指标之一，泥浆密度的提高，可以使停止
掘进时刀盘仓泥浆损失量较低、泵站功耗较以往可降低。

但过高的泥浆比重也容
易造成泥浆浆泵、振动筛、驱动电机负荷过大而增加故障率。

泥浆基本性能指标
如下表3-1。

表3-1 泥浆基本性能指标
2）泥浆配合比
基本配比参考如下（具体根据现场试验确定）：
配合比（质量比）膨润土：CMC：纯碱：水：250 : 2.2 : 11 : 850
3）泥浆的检查和调整
在具体实施中，由试验人员定期对泥水性能进行检测，一旦发现泥浆性能不达标，要及时进行调整，也要根据土质的不同，及时对泥浆密度加以调整。

泥水相对密度的调整到确保调整槽内装有已完成一次处理作业的适量泥浆，再向槽内稀释水或50%浓度的泥浆，调整成送浆相对密度。

4）泥水压力管理
切口水压设定：在泥水加压式盾构工法中，加在开挖面上的力，即用泥水使开挖面保持稳定的力，通常应与作用在开挖面上的土压在对抗中保持平衡，水压
与开挖面上含水土体的垂直作用的重力和土的内摩擦角大小有关。

切口水压的设定如下：
切口水压=P0十0.01MPa ～0.02MPa
P0：水土压，自然状态下盾构机头部2/3高度处的压力。

3.2监控量测管理
每日监测数据第一时间汇报，为施工提供依据，监测数据需完整可靠；所有监测点均应反映施工中该测点受力和变形等随时间变化，即从施工开始至完成，测试数据趋于稳定为止；施工过程中，定期提供监测资料以便于判断建构物和地表状态，如有异常及时反馈汇报。

3.3盾构掘进线路轴线和姿态控制
盾构掘进过程中轴线左右偏离设计轴线控制在±50 mm，上下偏离设计轴线控制在±30mm；盾构垂直和水平偏差相邻环变化应控制在5mm范围内为宜，以确保成型隧道平整度。

盾构前体、中体及盾尾之间趋势控制在0.4%的范围内，避免纠偏困难。

4掘进参数数据分析
4.1镇桂区间右线掘进参数统计及措施
4.1.1掘进参数统计
镇桂区间右线于2020年5月30日始发，于2020年12月27日完成150环掘进。

具体盾构掘进参数如图4-1~4-4所示。

图4-1 总推力变化折线图
图4-2 掘进速度变化折线图
图4-3 刀盘扭矩变化折线图
图4-4 进出浆粘度变化折线图
1）0～40环措施
镇桂右线始发时考虑洞门等因素刀盘配置为全盘普通滚刀，从0环到40环掘进过程中，推力从开始12800KN逐渐升到24500KN,掘进速度基本都在
10mm/min以内、刀盘力矩从765kN.m增大到2650kN.m，泥浆环流过程也经常伴有大小泥块堵塞管路，由此判断盾构机刀盘结泥饼，土仓内存在滞留物。

40环停机带压开仓，检查刀具及仓内实际情况；进仓后发现结泥饼严重及部
分刀具出现偏磨磨损，继而开始清理泥饼及更换刀具；受刀盘结构影响，中心4
把双刃滚刀未更换，周边10把普通滚刀更换为10把镶齿滚刀，正面11把单刃
滚刀更换为撕裂刀，正面5把双刃滚刀更换为撕裂刀。

1 掘进时适当调整掘进参数（推力25000KN以下、速度10-20mm/min、刀盘
力矩2500kN.m以下），泥浆粘度控制在25~30秒范围内。

2 掘进过程中参数异常推力大无速度时，采取停机环流洗仓及停机分散剂
浸泡措施。

3 对采石箱进行改造，区间右线掘进过程中因采石箱及管路频繁堵塞，施
工进度缓慢，为防止大直径泥块堵塞排浆管，在采石箱出浆口加焊钢筋。

过程中
发现钢筋格栅挡住石块的同时也会挡住泥块，需开采石箱进行人工清理。

因此切
割除钢筋格栅，改为把采石箱进浆口和出浆口用一根管路连接。

此次改造为右线
盾构机采石箱内部的情况。

增加高压水刀，对环流过程排除的泥块进行切割，减少环流过程的泥块堵塞。

用一台30Mpa，50L/min的高压水泵作为水刀的动力源，在采石箱的变径管路之
前的合适位置焊接了三个高压喷头形成水刀。

喷头在管道上方成60度分布，水
线竖直向下，大块的渣土通过时可被切割成三个小块。

2）40环到82环措施
40环到82环掘进过程参数分析，推力从开始12800KN逐渐升到24500KN,掘
进速度从17.5mm/min降到了2.5mm/min、刀盘力矩最小650kN.m到最大
2550kN.m，掘进过程中还时有泥块堵塞环流管路，推测仓内再次结泥饼。

1 在 82环带压开仓，检查刀具及准备清理仓内泥饼工作；进仓后发现刀具
保护良好，但结泥饼严重，继而清理仓内泥饼，清理后继续恢复掘进。

2 优化排浆管走向，减少泥浆管路弯头，便于泥浆环流。

3 掘进过程中发现参数异常环流不畅时，采取停机环流洗仓及停机分散剂浸泡措施。

4 根据地表沉降情况和地层各方面因素来及时调整切口水压及掘进参数。

5 通过掘进参数及开仓频率分析，隧道范围内泥岩高度在2.5m以上，原地层严重影响推进，极易结泥饼，为不影响工期进度及避免经常开仓带来的风险，对镇桂区间左右线纵坡线路进行调整。

右线线路纵坡调整前：从镇安站出发，右线在YDK51+648.000~YDK52+59000范围：坡度为28.228‰，接坡度为9‰，接坡度为4‰到达桂城站。

线路纵坡调整后：从镇安站出发，右线在
YDK51+648.000~YDK52+59000范围：坡度为21.024‰，接坡度为5‰，接坡度为4‰到达桂城站。

调整后隧道最大嵌岩深度1.7m。

通过两次开仓、镇桂区间纵坡调线等多项措施下，在82环继续复推后，掘进参数已回到正常值。

4.1.2沉降参数数据分析
在穿越泥岩地层过程中对地表、周边建构物及管线进行了加密监测。

监测数据如下
图4-5 地表沉降（单位：mm）
图4-6 地表沉降（单位：mm）
泥岩复合地层掘进时地表、管线、路灯及建构物均无明显沉降，变化值符合
设计及规范相关要求。

图中出现上台区域为两次开仓前地面注浆加固所致，上台
区域在镇桂右线40环及82环地表正上方。

4.1.3应急措施
1）经过两次开仓确定盾构在泥岩地层易结泥饼，当盾构掘进参数异常时，
应迅速判断是否开仓。

开仓作业前准备工作需做好，一旦开仓必须保证作业的连
续进行，开仓作业做到最快结束。

2）在穿越建构物及泥岩复杂地层时，必须加强地面巡视及加密监测，提高
监测频率，现场备好围蔽材料和注浆设备，发现地面异常，应立即停止推进。

5结论
通过镇桂区间右线掘进过程中的工作总结与经验，优化泥水盾构机刀盘配置，改造采石箱、泥浆管路，掘进过程中加强了对泥浆指标参数的控制，并在有必要
时开仓作业清理土仓，最终顺利穿越影响较大的泥岩复杂地层。

希望本次工作的
经历能够给予以后泥水盾构在特殊复杂泥岩地层施工中提供一些经验和参考借鉴
作用。

作者简介：毛钟毓（1990—），男，汉族，湖南长沙人，硕士，工程师，主
要研究方向为地铁工程管理。