1 工程概况
武汉轨道交通4号线二期工程第三标段为：汉阳火车站站、汉阳火车站站至钟家村站区间、拦江路站至钟家村站区间。钟家村至汉阳火车站区间里程范围为右DK10+343.700～右DK11+718.568，本区间右线区间长1374.500m，左线区间长1407.600m。区间由汉阳火车站站始发，于钟家村站接收。拦江路-钟家村区间里程范围为右DK12+043.517～右DK12+618.236，右线区间长542.088m，左线区间长528.257m。区间由拦江路站始发，于钟家村站接收。2个区间隧道衬砌结构外径6000mm，内径5400mm，厚300mm，环宽1500mm。每环管片分为6块：3块标准管片，2块邻接管片，1块封顶管片，错缝拼装。2个区间采用4台复合式土压平衡盾构机施工。
图1 盾构始发平面示意图
汉阳火车站-钟家村站区间主要穿越地层包括：（10）1粉质黏土；（10）2粉质黏土混碎石；（13）2含碎石红黏土；（17e）2 中风化灰岩；（17d）1 强风化粉砂质泥岩及填充处理的溶洞。拦江路站-钟家村站区间主要穿越地层包括：（10）1 粉质黏土；（19a）2 中风化石英砂岩；（20c）2中风化粉砂质泥岩。
2 施工风险
2.1 岩溶地基塌陷
汉阳火车站-钟家村区间范围内钻孔共揭露溶洞226个，其中位于隧道洞身或基坑范围内与位于隧道底板以下6m或基坑底板下10m范围内的溶洞共124个，占总数的61.9%，其中位于隧道底板以下3m范围内的34个，占总数的15.0%。溶洞高0.1～12.8m不等。 大部分溶洞位于地铁工程底板以下、规模较大或长轴与隧道路线一致且溶洞顶板与地铁隧道底板间岩体有效厚度较小时，可能导致溶洞顶坍塌，危及地铁的施工与运行的安全。另外，当溶洞位于拟建地铁隧道洞身、洞顶或边墙部位时，溶洞内的充填或半充填软塑黏土在地铁隧道施工过程中可能形成垮塌而影响施工安全。
2.2 盾构穿越上软下硬复杂地层
武汉地质状况起伏较大，软硬不均匀现象明显，汉阳火车站至钟家村区间右线隧道在DK11+325.000起将面临总计280m上软下硬的复合土层施工，最大强度129MPa。拦江路至钟家村区间右线隧道在进洞处30m范围内存在上软下硬的复合土层施工，最大强度70MPa。盾构机穿越此区域时易发生盾构机向上偏移，姿态难以控制。盾构在中风化等硬岩地层中掘进，易造成刀具损坏，甚至会导致刀盘变形，至使整个盾构瘫痪。
3 施工对策
3.1 盾构改制优化
3.1.1 复合盾构功能设计
由于2个区间地质及环境条件复杂，盾构机必须具备各种地层的破岩掘进、控制地层变形、防喷涌及灵活的姿态调整、防止刀盘结“泥饼”等能力。TBM 和传统盾构均不能同时具备这些功能，因此，提出了将硬岩掘进机破岩掘进原理与软土盾构切削推进及稳定工作面原理有机结合起来的复合盾构设计思想，进行复合盾构的优化设计：（1）盾构机配置复合刀盘，使滚压破岩、切削破岩可单独或混合使用，滚刀和齿刀可互换或混装；（2）增加1路泡沫系统，达到3路泡沫，每路管路实现单管单控；（3）盾构机配置渣土改良系统，提高渣土止水性，防止地下水流入，建立“土塞”效应；（4）盾构机配置自动导向系统，实时指示盾构姿态，利于盾构操作人员实施纠偏；（5）空压机配置功率由45kW增加到90kW，以保证各系统对压缩空气的需求。
3.1.2 复合盾构刀盘设计
盾构机刀盘直径φ6260mm，总装机功率1450kW，最大推力40000kW，刀盘额定扭矩5689kN•m，脱困扭矩6827kN•m，最大推进速度80mm/min，刀盘主体为面板式，开口率为38%。此参数配置适用于上软下硬复杂地层盾构掘进。盾构刀盘面板和刀壁上配置有自动泡沫和添加剂注入口，可根据需要向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，改善碴土的流动性。
刀盘面板上布置有双刃滚刀、单刃滚刀、正面刮刀、边缘刮刀、贝壳刀、周边保护刀、超挖刀7种形式的刀具。同时双刃滚刀和单刃滚刀可更换为适用于软土的先行刀具。滚刀与切削刀高差为35mm，滚刀间距为75～100mm。盾构机刀具配置如表2所示。
表1 刀盘刀具配置
3.1.3 复合盾构螺旋机设计
螺旋输送机为芯轴式，其转速、闸门开口度均可调。取土端的外壳焊接有耐磨合金条。螺旋机的壳体上设有加水加泥口，用来加入改善渣土流塑性的添加剂。 螺旋机增加螺杆伸缩功能，伸缩行程790mm。并配置有2道液压闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，随时调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土舱土压力的作用。
3.2 土体改良
3.2.1 软土地层土体改良
汉阳火车站—钟家村区间软土主要分布于左线1～378环，395～937环，土层为（10）1粉质黏土的软土层；右线1～655环为（10）1粉质黏土和（13）2含碎石红黏土的软土层。拦江路站—钟家村站区间左线全断面为（10）1粉质黏土的软土层，右线1～280环为（10）1粉质黏土的软土层。盾构机在穿越此种土层时，由于渣土黏性强，流动困难，易产生泥饼或泥团，因此在黏土地层中采取向刀盘面和土舱内注入含5%~7%泡沫剂的泡沫溶液进行渣土改良。改良效果良好，推进速度稳定在约8cm/min,刀盘扭矩1700～2500 kN•m，总推力8000～10000kN,无结泥饼现象。
3.2.2 上软下硬地层土体改良
汉阳火车站—钟家村区间左线379～394环土层为（10）1粉质黏土和（17e）2 中风化灰岩的上软下硬土层，右线656～905环土层为（13）2含碎石红黏土和（17e）2 中风化灰岩的上软下硬土层，905～915环为（13）2含碎石红黏土和（17d）1 强风化粉砂质泥岩的上软下硬土层。拦江路站至钟家村站区间右线281～310环土层为（10）1粉质黏土和（20c）2中风化粉砂质泥岩的上软下硬土层，340～355环为（19a）2 中风化石英砂岩的岩石层。盾构机在通过上部为（13）2含碎石红黏土下部为（17e）2 中风化灰岩的上软下硬土层时，渣土不连续，且容易固结，施工中采取泡沫剂+水的方式进行土体改良，泡沫原液比为3%~4%。改良后渣土流动性增强，不易产生固结体。
盾构机在拦江路站—钟家村站区间右线340～355环穿越长约30m的（19a）2 中风化石英砂岩的硬岩层，施工过程中为了降低刀具、螺旋输送机的磨损，采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入含水量较大的泡沫剂。泡沫溶液的组成：5%~7%泡沫剂，水93%~95%。注入泡沫剂和水可以冷却刀具，又可以改良渣土，使渣土具有良好的流动性，可以减少刀具连续工作状态下的磨损量。
实践证明武汉复杂地层易采用泡沫剂+水的方式进行土体改良以确保渣土畅流无阻。泡沫剂+水改良效果好，推进速度，刀盘扭矩，总推力稳定。
3.3 岩溶处理
考虑到隧道大多在老黏性土中通过，隧道荷载小于土的自重，场地无岩溶地面塌陷的历史，因此仅对隧道两侧2m及底板以下3m范围内的溶洞进行统计和处理。
岩溶处理施工方法：①预钻孔 → ②清孔→ ③下袖阀管→ ④连接注浆管 →⑤注浆→ ⑥封孔。钻孔直径Φ110mm，采用Φ48mm PVC 袖阀管注浆。压浆采用螺杆泵，溶洞灌浆压力控制在0.8～1.0MPa，灌浆材料配比纯水泥浆水灰比为1.0～1.5，必要时可加注水玻璃。对于钻孔揭示岩溶洞穴高度不大于1m和全填充溶洞直接采用纯水泥浆进行静压式灌浆。对于钻孔揭示岩溶洞穴高度大于1m且无填充溶洞和半填充溶洞，灌浆采用水泥砂浆间歇式静压灌浆。对处理过的溶洞按数量的10%进行钻孔取芯检查。钻孔取芯后做抗压试验，注浆固结体28d的无侧限抗压强度需达到0.3MPa。岩溶处理平剖面示意图如图2所示。
图2 岩溶处理平剖面示意图
本区间总共钻孔120个,处理了79个溶洞。最大溶洞高度为4.3m，软塑状黏性土全填充。单孔最大钻孔深度38.6m，最小钻孔深度23m，累计钻孔深度3311.2m。单孔最大注浆量18.3 m3，最小注浆量0.4 m3，累计注浆量348.3m3。
3.4 复杂地层盾构掘进参数控制
1）通过掘进过程中的监控量测，不断修正土压力的控制值。最终，汉阳火车站至钟家村区间推进过程中，上部土压力设定在0.02～0.03MPa。
2）为在复杂地层中实现稳定快速的掘进，盾构推进时应保证速度的均匀性，盾构在（10）1粉质黏土和（13）2含碎石红黏土的软土地层中掘进推力控制在8000～10000kN, 刀盘转速0.8r/min，推进速度控制在8 cm/min左右。盾构在（13）2含碎石红黏土和（17e）2 中风化灰岩的上软下硬土层中掘进推力控制在10000~12000 kN，刀盘转速1.0 r/min，推进速度控制在5 cm/min左右。盾构穿越（19a）2中风化石英砂岩土层时推力控制在12000~15000 kN，刀盘转速1.2 r/min，推进速度控制在3cm/min左右。
3）汉阳火车站—钟家村站—拦江路站2个区间推进每环理论出土量为46.14 m3。考虑添加剂及土体膨胀，每环出土量控制不超过50 m3。
4）同步注浆采用浆液比重较大，浆液配比见表2。此浆液能在压注初期就具有较高的屈服值，同时压缩性和泌水性小，可有效控制地面沉降和隧道上浮。
表2 浆液配比表 （单位： kg/m3）
5）每推进一环的建筑空隙3.75m3，每环的压浆量定为建筑空隙的120%～150％，即每环同步注浆量约为4.2m3～5.6m3。根据地面沉降情况进行二次补压浆，二次压浆浆液为双液浆。
4 结语
该项目通过刀盘及螺旋机的合理化设计，以及刀盘刀具的合理运用，盾构机在复杂地层中展现出优异的性能。通过土体改良后，渣土流塑性良好，出土连续，不会出现结泥饼现象；土压力保持在0.02～0.03MPa，保持满仓推进，合理的同步注浆加上及时的二次注浆，有效控制了地面的沉降。对溶洞处理后的地方采用钻孔取芯进行抗压试验，检测10个取芯样本中，最大抗压强度为106.37MPa，最小抗压强度为55.42MPa。经过岩溶处理后的地质稳定，盾构机在通过该区域时没有出现下沉﹑涌泥﹑大变形等问题，保证了地表及建构筑的安全。
拦江路站-钟家村站区间右线施工历时127d；左线施工历时165d。汉阳火车站站—钟家村站区间右线施工历时193d，其中换刀4次；左线施工历时195天。2个区间4台盾构均按业主的节点要求安全抵达接收井，从而保证了整个工程项目的工期。
该项目通过盾构选型、岩溶处理技术等方法，确保了工程顺利开展，在施工中采取土体改良盾构机参数控制等措施确保了盾构顺利推进。可为后续工程提供借鉴。
摘自《上海隧道》