1、盾构穿越机场停机坪控制技术摘要：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+671.00YDK1+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
2、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2 素填土、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。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
3、。(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）（143
4、5 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
5、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
6、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禁区,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
7、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 6450 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、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 可靠的渣土改装置 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
9、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）15L30L，压缩空气注入量为（L/min）150L200L。 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
10、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
11、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
12、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；
13、（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
14、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
15、，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
16、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
17、场滑行道、停机坪模拟段：12801330 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 0.10.2bar 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/4D2L/46.4921.239.67（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 25cm30cm/斗作为主要监控手段；隧道内出渣统计人
