盾构穿越机场停机坪控制技术

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摘要：本文主要分析了盾构下穿南京禄口国际机场的相关工作，并对穿越过程中的重难点及措施进行了详细总结。

关键词：盾构 下穿 机场 沉降控制 措施 监测

中图分类号:U455.43文献标识码：A

1、工程概况

1.1区间设计概况

盾构区间为禄口机场站～禄口新城南站区间，该盾构区间分两段，其中1#盾构井～禄口机场段盾构法隧道需下穿禄口机场滑行道及停机坪（YDK0+671.00～YDK1+041.877）后，进入禄口机场站。施工期间南京禄口机场不停航。区间全长1999米，1666环。盾构机采用土压/TBM双模式6450奥村盾构机。

盾构隧道穿越禄口机场段线路平面示意图

1.2 地下水

(1) 地下水类型

场址区地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水，其中孔隙潜水主要赋存于①2 素填土、③层粉质粘土中。填土层结构松散，厚度不均，富水性一般，透水性较弱。③层粘性土，富水性差、透水性差。

基岩裂隙水按含水岩组岩性主要为碎屑岩类裂隙水。含水层主要由侏罗系大王山组 J3LW、侏罗系西横山组 J3x组成。浅部以风化裂隙水为主，深部风化裂隙减弱，以构造裂隙水为主。基岩裂隙水中，由于局部地段受构造影响，或位于构造破碎带内，岩体破碎，裂隙发育，在下水、地表水水力联系密切，富水性较好，局部承承压水性质。 白垩系赤山组（K2c）泥质砂岩，泥砂质结构，构造裂隙不发育，含水性及透水性较弱。

(2)地下水补给、迳流、排泄条件

地下水的补给有大气降水入渗，地表水入渗及区域外的侧向径流补给，其中，大气降水入渗为主要补给来源。丰水季节短时期内，地表水也有一定的补给作用。就地蒸发、入渗于地表水体以下的含水层，是地下水的主要排泄途径。基岩裂隙承压水主要接受侧向迳流补给，亦以侧向迳流排泄为主。

(3)地层渗透性

场地土层大多为粘性土组成，透水性较差。风化基岩发育裂隙，但裂隙多呈闭合状或为细脉充填，其透水性较弱。

2、穿越机场施工重、难点分析

1） 复合地层长距离土压平衡模式(带压掘进)穿越机场停机坪

本区间隧道左、右线盾构机于里程ZDK0+948.621（YDK0+948.621）（1435环）处开始穿越机场滑行道、停机坪。穿越主要地层为全断面J31-3中风化安山岩；于里程ZDK0+852.200（YDK0+836.203）（左1515环、右线1525环）处开始进入上软、下硬复合地层，主要穿越地层为粉质粘土，强、全风化安山岩，局部存在中风化安山岩和夹杂淤泥质粉质粘土，穿越距离长达165m。

本次穿越机场停机坪机滑行道的施工控制核心在于控制地面和地层沉降，确保机场滑行道和停机坪使用安全。

（1）容易造成刀盘和土仓结泥饼，处理困难。

产生泥饼后，推进困难，严重时需要进行开仓清理泥饼，会造成地面沉降，影响机场滑行道、停机坪使用安全。

（2）复合地层带压推进，刀盘结泥饼后，会加剧刀具的磨损及偏磨，而该段地层如需开仓，只能选择带压开仓模式。

（3）容易造成滚刀刀圈崩裂；

复合地层中掘进，周边滚刀在软硬交界位置所受的冲击荷载较大，刀具失去工作能力，开仓更换刀具会造成地层和地面沉降。

（4）软硬交界面处建立合理土压尤为重要

隧道左、右线盾构机于里程ZDK0+852.200（YDK0+836.203）（左1515环、右线1525环）处由全断面中风化地层开始进入上软、下硬复合地层，

地层变化较快，盾构掘进至软硬交界面前须提前建立土压，必然对建立土压后的硬岩段施工造成一定影响。

2）监测方法及监测时间等受限制较多

南京禄口机场占地面积大。每日平均起落航班达近 600 架，高峰小时起落飞机达近 90 架次，年运送旅客量超过 1500 万人次，运输吞吐量大，禄口机场处于繁忙的运营中， 机场内滑行道及飞机跑道属,根据实际情况施工监测必须满足飞机的起降限制要求，又需确保监测的覆盖面、监测的频率和精度，故开展监测作业存在的施工难点有以下几点：

选取的监测方案可能受机场运行限制而无法实施；

机场滑行道、停机坪结构坚固，常规监测方法不能反映地层和地表沉降情况，无法为盾构机掘进提供真实、可靠的施工参数；

具体允许的监测方案，须进一步调研。届时根据实际情况遵循禄口机场方统一调度安排。

3）土压平衡模式下掘进参数确定较困难

1、2号盾构区间过机场前均为全风化、强风化、中风化、微风化安山岩地层，不存在可供试验的软土地层，相关土压平衡经验需借鉴3、4号盾构软土段相关数据，但由于盾构机型号不同，地质条件不同，3、4号盾构软土段掘进参数只能作为参考。

3、设备选型

本区间采用两台日产奥村Φ6450土压平衡&TBM双模式盾构机担任施工生产，穿越机场期间采用土压平衡模式施工。

3.1适宜的刀盘结构

刀盘为辐条加面板型,便于刀具的布置及受力，结构坚固、强度高、刚性大、耐磨程度高，配备41把滚刀，刀盘开口率36％。既能适应软土地层中土压平衡掘进时大扭矩切削排土要求工况，又能适应在中、微风化安山岩等硬岩段大推力的工况。

3.2足够的主驱动：

盾构机采用8台132kW变频电动机驱动，具有较大的扭矩和转速，可适应不同地层的掘进需要。

3.3 可靠的土压传感器

在土压平衡掘进模式中，土仓内上下左右配置了4个具有高灵敏度的压力传感器（其中2个为球铰型式，可在隧道施工中进行更换）。通过PLC能将土仓内的土压传送到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，调节螺旋机的转速，土压过高过低都会在操作台上报警。因此操作人员能很好地控制土压平衡，减少地面沉降，适合本工程地层掘进的需要。

3.4可靠的渣装置

配备了6个泡沫添加孔，其中4路独立的泡沫添加单元，其余2路可以独立进行加泥加水。通过泡沫注入系统向刀盘前压注泡沫等进行土体改良，可以防止在土压平衡模式下刀盘泥饼的生成，有效降低刀具磨损。泡沫原液注入量（L/min）15L~30L，压缩空气注入量为（L/min）150L~200L。

3.5 更加灵活的能力地层处理装置

在气压人行闸处安装1个可摆动的钻探口、 在盾构机胸板安装有4个可摆动的钻探口、前壳体上安装有14个固定钻探口，具有超前钻探、注浆加固的能力。超前钻机可方便地安装在盾构机的操作平台上。

4、穿越机场相关成功措施

4.1 组织措施

1）建立盾构下穿机场指挥部

盾构下穿禄口国际机场，作为较大风险源，一旦发生地面塌陷等事故势必造成较大国际影响，为确保盾构下穿机场期间机场停机坪及滑行道的正常使用，避免出现地面沉降过大等事故，成立以项目部为主体的现场指挥部。

盾构机 24 小时不间断连续施工，作业班组实行两班运转制——每班工作时间为 12 小时，班组人员实行井下交接班制度，相关人员各自移交工作。同时实行领导24小时带班制度，负责穿越施工期间总体指导和协调工作。

2）每日例会制度

每天下午4时，由监理、总包、施工、第三方监测、人工监测等相关单位现场责任人参加的每日例会，例会主要针对本日施工、监测等情况进行说明及汇报，重点对施工过程中的相关技术问题进行探讨并制定相应技术措施。每日例会制度加强了参建各方的沟通，现场施工、监测等问题得到及时解决，提高了各方工作效率。

3）进出飞行控制区

根据机场有关规定，进出飞行控制区人员需参加机场方面组织的专项培训并经考核合格后才能颁发短期通行证。为保证人工监测人员、应急人员能够根据工程需要进出机场飞行控制区，业主方、施工方与机场多次协调，办理临时出入证件，并组织盾构过机场区域专项应急演练。

4）各项物资准备情况

为确保盾构下穿机场期间设备完好，在进入机场围界范围前进行了为期3天的盾构机整体检修，主要针对电气系统、液压系统以及人闸保压系统进行维护保养，为防止土压计损坏无法显示正常土压力，在盾构进入软硬交界面前的中风化段一直采取空仓模式掘进，并在建立土压前对土压计又一次进行修正，并全盘更换滚刀与刮刀。并由盾构厂家紧急调运相关配件在现场储存在专门的配件集装箱中，以满足不时之需。

4.2 施工前各项技术措施

在盾构穿越机场前，须编制《盾构过机场专项方案》《盾构过机场应急预案》《盾构过机场专项监测方案》、《盾构机在停机坪下开仓换刀方案》等，并根据住建部2009第87号文要求，组织专家进行论证。在本工程中，主要采取了以下具体技术措施：

4.2.1进行地质补勘

由于机场协调困难，对补勘点严格限制。本次补勘工程在隧道左、右线各布设4个孔，平面位置为左、右线隧道软硬交界面处；孔编号为补堪Z1、补堪Z1-1、补堪Y1和补堪Y1-1，补勘孔孔径11cm，孔深21m。

主要探测：

（1）软、硬交界面中风化安山岩分布情况；

（2）上软下硬地层中中风化安山岩侵入隧道分布情况；

（3）淤泥质粉质粘土分布情况及是否有抛填石侵入隧道范围；

4.2.1 使用多种沉降监测技术

本次施工采取自动化监测、人工监测、地质雷达扫描等多种监测及扫描手段对盾构通过区域进行沉降监测及地质空洞扫描。

1）自动化监测、人工监测

盾构穿越禄口机场范围的监测区纵向长370m（约308环），监测区域内沿中心线向两侧 6m、12m、18m 布置监测点，每排按5环（6m） 间距布置呈方格网状监测点。示意如下图：

在穿越段区域的监测点由于道面上不能安装棱镜或钻孔埋设监测设施，与机场方面多次协调后最终确定在道面上布设监测标记（反光油漆点），并采用全站仪三维红外扫描技术进行道面全天候沉降监测，同步定期采用人工几何水准方式进行对比监测的监测方案。

3）采用先进的地质雷达扫描技术

由于机场停机坪及滑行道的特殊要求，自动化监测、人工监测的监测点采用反光漆的形式布设，不允许布设打穿硬壳层的深孔监测点，自动化监测及人工监测取得的沉降数据将无法真实反映地层沉降情况。在此情况下，为确保停机坪及滑行道安全，本次施工采用地质雷达，对已施工区域进行地质扫描，探测是否存在空洞；频率一日一次。

4.2.2 在进行复合地层前，进行刀具检查更换

盾构机在上软、下硬地层段，无法开仓检查、更换刀具，故在盾构机进入上软、下硬地层前，即盾构机在全断面中风化安山岩地层中，对盾构机刀具进行检查、更换，确保穿越期间刀具完好，换刀位置选择：

盾构机编号 计划换刀位置 实际换刀位置 软硬交界面位置

1# 1510 1475 1515

2# 1520 1484 1525

实际换刀位置较计划有所提前，主要原因为地质变化，指挥部值班人员通过监控室出渣情况及每环渣样分析，渣样含泥量增加，为确保施工安全，提前进行整盘刀具更换。

4.2.3加强设备检查、保养力度

考虑到盾构机穿越机场滑行道期间，涉及上软、下硬地层，无法进行常压开仓作业，担任本区间施工任务的两台奥村盾构机均有带压开仓作业功能，且具备超前地质勘探和注浆加固能力，经现场检查、试用，设备均保持正常使用功能；

更换刀具期间，机电部组织机修人员对盾构机及其附属设备进行检查、维修、保养，特别是螺旋机闸门、人闸等密封装置进行彻底检查，确保盾构机带压换刀功能正常使用；刀具更换完成后，经理部相关人员对盾构机及其配套设备再次进行检查、保养，确保机械设备运转正常。

4.3 盾构穿越段施工技术措施

4.3.1 盾构模拟穿越段选定

在靠近穿越段选择地质条件相近的断面做为模拟穿越段，通过在模拟段的试推进，来摸索盾构推进参数和地面沉降变形规律，以保证盾构穿越机场滑行道、停机坪期间，采取最合理的施工参数，将机场滑行道、停机坪的沉降量控制在允许范围内。

模拟穿越段：左线穿越机场滑行道、停机坪模拟段：1270环~1310环

右线穿越机场滑行道、停机坪模拟段：1280~1330环

两段模拟段盾构穿越地层均为强风化安山岩，对穿越机场软土段实际参考意义不大，且施工期间未进行土压平衡模式掘进，相关数据对于复合地层施工区间基本无参考价值。

4.3.2 土压力设定

根据地质详勘报告及后期补勘地质资料，盾构穿越禄口机场停机坪复合地层段主要为粉质粘土层，土体自稳能力较强，但由于含水率较小且粘性较大，该段施工风险主要为刀盘结泥饼造成盾构无法掘进被迫停机而引起的一系列安全隐患。故该段盾构掘进模式采用低于土压平衡模式0.1~0.2bar的欠土压平衡模式，并结合自动化监测、人工监测以及地质雷达扫描等监测手段，通过出土量控制、渣样分析等手段，随时对土压进行调整。

4.3.3 严格控制推进出土量控制

每环理论出土量 V＝π/4×D2×L＝π/4×6.492×1.2＝39.67（m3），结合掘进过程水、泡沫、空气等注入量，每环实际出土量按53m3，出土量监控由地面监控室值班人员与隧道内出渣统计人员共同完成。地面监控室按千斤顶行程25cm~30cm/斗作为主要监控手段；隧道内出渣统计人员采用激光测距仪按10cm/次统计出渣量。出土量不符合标准时，双方人员将对本环出渣量进行对比复核，并以隧道内统计人员统计数据为准，根据实际施工情况，如渣土含泥量明显增加，土仓压力波动过大等特殊情况发生时，立即组织召开现场会议，分析出渣量变化原因并采取相应措施。

4.3.4 土体改良

盾构机在上软、下硬复合地层中土压平衡模式下掘进，特别是上部粉质粘土所占比例较大的情况下，盾构机刀盘和土仓容易结泥饼，减小刀盘开口率，影响渣土顺利进入土仓，从而影响到刀盘扭矩控制和盾构掘进效率，加剧刀具磨损；

泡沫等进行土体改良，可以防止在土压平衡模式下刀盘泥饼的生成，有效降低刀具磨损。

渣良是本次穿越机场范围复合地层施工的一项重大技术难点，解决了渣良问题，并建立合理土压是顺利。

通过补勘取样，送样到泡沫生产厂家进行土工试验，最终确定泡沫注入率及发泡率，并进行多次反复现场试验。注水量根据粉质粘土特性，基本稳定在200~240L/min。

针对此次不停航穿越施工，重新对泡沫管路进行了一次确认，确认每个管路对应在刀盘上的位置，并对泡沫管路进行了一次疏通。以及能加强对泡沫管路的保护及保养工作。

4.3.5 刀盘转速及推进速度

穿越地层处于上软、下硬地层中，既要考虑降低刀盘转动对土体造成的扰动，又要考虑对盾构机刀具的保护，根据前期施工经验，刀盘转速选取1.9~2.2r/min；

推进速度的设定主要根据试验段及经验值来控制，穿越段盾构机掘进速度以匀速推进为宜，推进时速度控制在 2～3cm/min 之间。

4.3.6 同步注浆

本工程盾构推进施工中的同步注浆浆液采用商品厚浆，主要含粉煤灰、砂、膨润土、水、添加剂。此浆液能在压注初期就具有较高的屈服值，同时压缩性、泌水性小，固结时间短，可有效控制地面沉降和管片上浮。

盾构推进中的同步注浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。浆液压注要及时、均匀、足量，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填。每推进一环的建筑空隙为：

1.2×π（6.492－6.22）/4＝3.46（m3）

盾构外径：Φ6.49m；管片外径：ø6.2m。

每环的压浆量一般为建筑空隙的 150％～180％，即每推进一环同步注浆量为5.19m3～6.22m3，但根据1#工作井~明挖过度段区间穿越中国邮政航空物资集散中心专用公路时注浆量和地表沉降情况，拟定穿越段注浆量6.5m3，实际同步注浆量为6~7m3。泵送出口处的压力应控制在略微大于隧道周边的水土压力。注浆施工参数应根据地层变形监测数据进行调整。

4.3.7 盾尾油脂及集中的压注

为了保证盾构设备的正常运转， 在盾构掘进过程中须不定时地进行集中油脂的压注，避免由此造成的轴承和其他设备的损坏，影响盾构推进施工。

在隧道掘进施工中， 盾尾密封功能特别重要。 为了能安全并顺利地完成区间隧道的掘进任务，必须切实地做好盾尾油脂的压注工作，确保施工中盾尾与管片的间隙内充满盾尾油脂。

4.3.8 严格控制盾构纠偏量

施工中隧道轴线、环面平整度或倾斜度需予以纠正时，采用转弯环管片楔形量进行纠偏，转弯环管片楔形量为37.2mm，纠偏遵循勤纠、缓纠的原则，一次纠偏量最大不超过 5mm。

4.3.9 及时对成型管片进行二次注浆

在穿越期间，当衬砌脱出盾尾时结合双液浆进行二次补注浆，每隔3～5环在隧道周围形成一道“环箍”，使隧道纵向形成间断的止水隔离带。再在各“环箍”分割所形成的每一段进行补注浆，之后结合监测的具体沉降情况，每隔5～7环再进行适当补注浆。注浆的浆液要有一定的粘度，凝固要快，收缩要小，对土体的加固作用明显；二次注浆完成后，注入水玻璃封堵注浆孔，待水玻璃凝固，无水流出的情况下，拆除注浆球阀，采用闷头封堵注浆孔。

双液浆采取的配合比为：水：水泥：水玻璃=0.5：1.0：0.3。

由于奥村盾构机盾尾无止浆板，本应在脱出盾尾后的第3环位置开孔进行环箍施工，后经反复试验，最终确定二次环箍位置为脱出盾尾后第10环位置。

5、总结:

2013年4月20日第一台盾构下穿禄口国际机场停机坪及滑行道，2013年7月27日最后一台盾构机到达，历时100日历天，经过参建各方共同努力，盾构顺利下穿禄口国际机场；施工期间，各项监测数据正常，日沉降速率、累计沉降均未达到报警值，本次施工作为地铁盾构下穿重要建（构）筑物的成功案例，对以后同类工程的施工具有一定的指导意义，本次成功穿越的经验，主要可以归纳为以下几点：

1）、充足的技术准备工作，为施工打下良好基础

“工欲善其事，必先利其器”，非常适用于于本次穿越工程的准备情况。在下穿施工前期，参建各方均为重视，组建现场指挥部，完善工作流程，提前考虑各种施工风险因素，经过缜密的技术分析。正是由于一系列繁杂的前期准备工作，为后续的施工打下良好基础，是本次顺利穿越的重要因素。

2）、施工过程严格控制

施工过程中通过可能造成沉降的各项工序严格控制，控制地表沉降技术措施可以归纳为：掘进速度控制、出土量控制、同步注浆量控制、二次注浆控制。主要通过施工过程控制，结合监测数据分析，完善施工技术措施，达到有效控制地表沉降的目的。

3）、参建各方充分重视、积极配合、互相督促

盾构下穿禄口国际机场停机坪施工期间，机场建设管理方、南京地铁公司、BT方相关领导多次到工地检查施工准备及施工情况，并对施工提出宝贵意见。尤其是进出机场临时证件办理等工作，各相关单位在严格审查的基础上，大开绿灯，缩短审批手续，施工监测等人员能够根据盾构实际进度进入机场停机坪进行监测工作，未因证件未办理无法监测而造成盾构机不能如期进入机场停机坪范围。

施工期间，参加各方严格执行每日例会制度，施工相关问题均能够开诚布公的曝露出来，并及时得到解决，提高了工作效率。

4）、施工措施得当

在盾构进入机场围界范围前，就已经制定了详细的工作计划，包括设备维修保养、刀具更换、泡沫注入试验与参数确定等相关工作。施工过程中，严格执行工作计划的同时根据实际进展情况与施工情况进行调整。在进入软硬交界面前提前更换刀具、延后建立土压、软土段欠土压平衡模式调整等细部技术微调。

参考文献：

(1)、《ɸ6450奥村盾构机说明书》；

(2)、《南京至禄口机场地质勘察报告》；

(3)、《盾构法施工及验收规范》2008