城市轨道交通工程中盾构法穿越复杂地层的工艺优化设计研究

在城市建设过程中，施工现场经常会遇到现场环境复杂、周围构筑物较多的情况，而对于居住和周围构筑物影响较大的往往是传统的施工方式，而采用盾构法施工则优势明显。但盾构法对穿越复杂地层，如软土、富水地层、砂层、卵石层、岩溶、断层破碎带等在盾构法施工过程中需要优化设计盾构法穿越复杂地层的工艺，如开挖面不稳定，刀具损耗大，地层地表沉降超标等，并采取相应的防护控制措施，以确保施工安全。

1.盾构法施工的优点

在施工现场及其周边环境较为复杂多样的情况下，通常采用盾构法进行施工。这种方法的优点在于能够降低施工对周围生活环境的影响，减少对周围建筑物的干扰，同时具有较高的安全性。盾构施工的机械化程度非常高，操作时遵循特定的流程。这种流程化管理能够有效应对施工中遇到的问题，并进行相应的预防控制。这种方法不仅能够降低对地层的影响，还能高效地计算相关数据。这种方法的优点众多，例如不受外界天气的干扰，在河流和海洋等环境中穿越时不会对航运造成不利影响。此外，盾构机还配备了导航和测量控制系统，具备高精度直线和曲线掘进能力，并能够实时监测推力、扭矩、土压、姿态等各项参数，从而保障施工质量和安全性。

2、盾构法设计方向穿越复杂地层过程

2.1 盾构机选型与刀具配置优化

根据复杂地层的岩性组成和物理力学性质，盾构机选型要按照“适应性优先、功能兼容”的原则，采取有针对性的结构设计和功能配置。选取土压平衡盾构机用于含有软土、砂层和卵石层的复合地层，改良刀盘结构，将刀盘开口率控制在 25%～35% 的水平，从而在兼顾土舱排土效率和开挖面稳定性的情况下，达到土舱排水效率的目的。刀具配置采用“刮刀+先刀+滚刀”的组合方式，用刮刀切割软土和砂层，用先刀切割小块卵石，用滚刀切割硬岩层或大块卵石（选用 17 寸-19 寸单刃滚刀），并在刀盘边缘设置耐磨金条，以达到切割刀盘边缘磨损速度的目的。对于存在岩溶或断层破碎带等复杂地层，应在盾构机上加装探测前方地层中不良地质体的超前地质探测系统（如地质雷达、超前钻探装置），并配有同步注浆和二次注浆的双重注浆系统，以增强应对突发风险的能力 1。盾构机推进系统要用变频调速技术，做到推进速度无级调节，而且推力和扭矩的输出要有比较大的调节范围，这样才能符合不同地层切削阻力的改变。

2.2 掘进参数动态优化策略

创建依靠地层参数即时监测的掘进参数动态改良体系，做到盾构掘进参数和地层特性精确匹配，创建地层参数即时监测体系，利用在盾构机刀盘，土舱，盾尾安装传感器，及时搜集地层的土压力，孔隙水压力，岩性硬度，变形等数据，把这些数据传送到中央控制系统，创建地层特性即时数据库，依照监测数据创建掘进参数改良模型。将开挖表面稳定状况，地层下沉量，设备耗费率作为约束条件，利用模糊控制算法对推进速度、土舱压力、刀盘转速、螺旋输送机转速实施动态计算，在软土层中，当监测到土舱压力低于预定数值时，模型会自动将土舱压力提高到 1.2-1.5 倍的静止土压力，并小幅降低推进速度。控制在 20～30mm/min ，以保证开挖面的稳定。在砂卵石地层中间，当监测到刀片扭力超出固定数值的 80% 时，模型会自动降低刀片转速，从 6-8r/min 降低到 4-5r/min ，并通过每隔 5 分钟对比掘进参数和地层变形数据，增加土舱压力，防止刀具过载破坏，从而创建参数回馈调节机制。如果地层下沉量超过规范许可值的 70% ，就必须对土壤压力、注浆参数等进行改良，以确保施工全过程始终处于受控状态。

2.3 同步注浆工艺改进

从注浆材料配比、注浆压力控制和注浆量优化三个角度进行工艺改进，以应对复杂地层对同步注浆的差异化需求。在注浆材料配比方面，采用“可变配比”，根据地层岩性调整水泥、粉煤灰、砂、水及外加剂的配比。针对软土地层，应采用低水灰比（0.8-1.0）及高粉煤灰掺量（占胶凝材料的 40% ～50% ）的配方，以将注浆材料的初凝时间控制在 4～6 小时。终凝时间应控制在 8 到 12 小时之间，以兼顾流动性和早期强度，同时防止管片上浮。对于砂卵石地层，采用高砂率（占骨料的 60%～70%） ，添加增稠剂的配比，以提高材料的抗离析性能和流动性，确保浆液在材料 28 天抗压强度不低于2.5MPa 的管片壁后间隙内能填满浆液。在注浆压力控制方面，采用“分区调压”，将盾尾注浆孔分为上、下、左、右四个区域，根据不同区域地层压力差异设置注浆压力，如软土层中上部区域设置注浆压力为 0.3 兆帕，下部区域设置注浆压力为 0.3 兆帕，以避免注浆压力不均导致管片出现偏压现象，同时也可根据不同区域地层压力差异设置注浆注浆管路同时安装压力传感器，实时监控注浆压力，压力超过设定值 110% 时，相应区域注浆阀门自动关闭，防止管片损坏 2。在注浆量优化上，按管片外径、隧道埋设深度、地层孔隙率计算理论注浆量，然后根据施工监测资料加以修正，一般将实际注浆量的控制在理论注水量的 1.2-1.5 倍，砂卵石地层等孔隙率较大的地层可稍高至 1.5-1.8 倍，保证充分填充管片壁后，再将实际注浆量的控制在理论注水量的 1.

3.工艺优化实施的保障措施

建立了覆盖地层变形、隧道结构及周围环境的全方位建设监控体系，监测内容包括地表沉降监测、地层深层沉降监控、管片位移监测、周围构筑物变形监测，采用全站仪与水准仪相结合的方式对地表沉降进行监测，为工艺优化实施提供数据支撑。在隧道轴线两侧一定范围内设置监测点，按照相应的频率监测到沉降稳定为止，地层深层沉降监测采用分层沉降仪，在隧道上方地层中布置不同深度的监测点，监测地层不同深度的沉降变形规律，管片位移监测在管片内侧布置位移传感器，实时监测管片的径向位移和环向位移，防止管片发生过大的变形或者破损，周边建构筑物变形监测针对距离隧道轴线一定范围内的建筑物和地下管线，采用裂缝观测仪和倾斜仪进行监测，一旦发现异常情况，立即启动应急调整机制。完善质量与安全管控机制，保证工艺优化方案得到落实，质量管理上形成三级质量管控流程，针对盾构机刀具，注浆材料等重要原材料执行进场检验，保证符合标准[3]。施工时借助 BIM 技术对有关工序实施可视化管控，随时对比参数误差并立刻调整，成品验收的时候重视管片拼装品质和管片壁后注浆充实度，安全管理方面形成双重预防机制，按照地质风险等级制订相应安全防控办法，一级风险地段要配备应急抢险装备并拟定专门应急预案，定时展开安全隐患排查，察觉隐患就要立刻改正，决不能带着险情施工。

结论

综上，针对其穿越复杂地层的工艺优化和设计效果显著，盾构机选型和刀具配置优化可适配不同复杂地层特性，掘进参数动态优化可适配不同地层特性，因此，盾构法施工在复杂环境中的优势十分明显。同步注浆工艺优化可以适配不同地层注浆需求，全方位施工监测体系可以为优化设计提供数据支撑，完善的质量与安全管控机制可以保证优化设计的落地实施。三者相互配合，解决复杂地层盾构施工难题，保证施工安全、稳定、高效，为类似工程提供借鉴。

参考文献

[1]马越.地铁盾构法施工风险管理与应用研究[J].城市建设理论研究（电子版），2025，（11）：147-149.

[2]刘宁，张鹏飞.地铁隧道盾构法下穿建筑物施工技术研究[J].江西建材，2025，（03）：273-275.

[3]陈仰彬.城市轨道交通盾构法隧道施工技术分析[J].产业创新研究，2025，（03）：138-140.