如何保證砂卵石地層中盾構(gòu)隧道安全高效施工

1、如何保證砂卵石地層中盾構(gòu)隧道安全高效施工中國中鐵二局股份有限公司鄒坤秘摘要：隨著近幾年地下工程建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)越來越成熟，特別是在城市軌道交通建設(shè)中更顯示出其優(yōu)越性。但在城市地下進(jìn)行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工，有時(shí)將因?yàn)橐恍┯布栴}導(dǎo)致地面沉降過大、地下管線破損、建構(gòu)筑物坍塌，采取何種措施來改善盾構(gòu)機(jī)硬件問題，從而保證地面沉降、地下管線以及建構(gòu)筑物安全。本文針對中國中鐵二局股份有限公司引進(jìn)的羅賓斯盾構(gòu)機(jī)和中鐵隧道裝備制造的刀盤所遇到的問題，提出了相應(yīng)的解決方法，希望能對遇到相同或相近的盾構(gòu)硬件問題起到借鑒作用。關(guān)鍵詞：盾構(gòu) 硬件問題 建構(gòu)筑物 安全1、 前言地鐵工程建設(shè)所選線路主要區(qū)段均在城

2、市的主城區(qū)，因規(guī)劃和歷史原因，地鐵隧道線路主要在城市道路下方穿行，或?qū)⒉豢杀苊獾脑诩扔薪?gòu)筑物或地下重要管線下方穿行。但受盾構(gòu)施工機(jī)理和地質(zhì)情況的限制，掘進(jìn)時(shí)將引起地面隆起和沉降。若沉降和隆起超過地下管線或建構(gòu)筑物允許變形值，造成地下管線和建構(gòu)筑物變形、開裂，甚至建筑物倒塌，造成嚴(yán)重的安全事故，不但影響施工生產(chǎn)和施工安全，還將造成嚴(yán)重的社會不良影響。特別是成都砂卵石地層含水量豐富且有粉細(xì)砂透鏡體，在擾動時(shí)掌子面不穩(wěn)定，造成地面沉降量和沉降速率變化較大。在硬件設(shè)計(jì)不合理時(shí)如何改進(jìn)，從而確保地下管線和地面建構(gòu)筑物的安全。2、 成都地質(zhì)情況描述 成都地鐵隧道主要穿越砂卵石土層，卵、礫石成分以灰?guī)r、砂

3、巖、石英巖等為主，呈圓形亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。卵石含量約80%，粒徑以20100mm為主，最大粒徑500mm，圓礫含量約10，兼夾漂石，漂石最大粒徑700mm。卵石硬，最大強(qiáng)度可達(dá)200MPa。卵、礫石以中等風(fēng)化為主。充填物主要為中細(xì)砂及少量粘性土。卵石土層頂板埋深1.422.0m。對于經(jīng)過長期沉積未降水區(qū)域砂卵石層致密性較好。按地下水賦存條件，地下水分為兩種類型：第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。其中，第四系孔隙水，主要賦存于各個(gè)時(shí)期沉積的卵石土及砂層中，土體透水性強(qiáng)、滲透系數(shù)大（25m/d），地下水水量豐富，是段內(nèi)地下水的主要存在形式。 圖1 基坑開挖情況 圖2 盾構(gòu)掘進(jìn)出漂石3、 盾

4、構(gòu)施工中引起沉降的情形分析（1） 、盾構(gòu)掘進(jìn)切削面地層變形：推力過大、刀盤轉(zhuǎn)速過快和掘進(jìn)速度慢，對掌子面擾動大，造成上方土體坍塌進(jìn)土倉引起沉降（欠壓掘進(jìn)）；推力過大和出土率小引起的擠壓隆起。（2） 、盾尾脫出后地層變形：土體與管片之間的建筑縫隙填充量不足或不能及時(shí)填充引起地面沉降；注漿壓力過高引起地面隆起。（3） 、盾構(gòu)機(jī)硬件問題引起地層變形：刀盤結(jié)構(gòu)形式不適應(yīng)該地層，或渣土改良系統(tǒng)不合理，造成刀盤面板、土倉內(nèi)結(jié)餅，從而使出土量增加，引起地面沉降。 因地層變形，鄰近的地下管線和建構(gòu)筑物將會受到不同程度的影響而發(fā)生沉降、隆起、傾斜、甚至結(jié)構(gòu)損壞。4、 保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全高效施工措施在盾構(gòu)掘進(jìn)中如何

5、保證地下管線、建構(gòu)筑物的安全，其他地方已有詳細(xì)的施工技術(shù)措施，在此處就不再提?，F(xiàn)對掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)不合理、改良系統(tǒng)不能滿足砂卵石地層施工時(shí)，應(yīng)作何改進(jìn)來確保施工安全和高效完成施工任務(wù)。（1） 、我司在成都地鐵2號線二期工程引進(jìn)的羅賓斯盾構(gòu)機(jī)所遇到硬件問題及改進(jìn)措施：1）、刀盤問題及改造措施、刀盤設(shè)計(jì)直徑為6310mm實(shí)際直徑為6350mm，周邊刮刀超過周邊滾刀高度，且刮刀不能滿足砂卵石地層的磨損。刀盤面板五孔刮刀耐磨性差，掘進(jìn)不足30環(huán)，該刀具已嚴(yán)重磨損。造成刀盤面板磨損嚴(yán)重，進(jìn)而使刀盤面板結(jié)泥餅，造成多出土引起地面沉降。周邊刮刀和面板刮刀不能滿足砂卵石地層刀具配置要求，做出以下改

6、進(jìn)：將原裝刮刀改為四孔弧形刮刀，減短刮刀尺寸使其低于周邊滾刀，達(dá)到刀盤設(shè)計(jì)尺寸6310mm。面板刮刀采用合金刀頭，掘進(jìn)200環(huán)后刮刀磨損微乎其微，且減小了刀盤磨損和防止刀盤面板結(jié)餅。保證進(jìn)出土順暢，進(jìn)而確保地面沉降。 圖3 羅賓斯原裝周邊刮刀 圖4 改造后加厚型周邊刮刀 圖5 羅賓斯原裝面板刮刀磨損圖片 圖6 改造后5孔刮刀圖片、掘進(jìn)過程中刀箱結(jié)餅嚴(yán)重，每次開倉檢查均發(fā)現(xiàn)刀箱被泥餅楔死，刀箱中滾刀被泥餅包裹后造成嚴(yán)重偏磨，部分存在刀圈崩裂掉落現(xiàn)象。通常情況掘進(jìn)30環(huán)后就必須更換刀具，該盾構(gòu)機(jī)不具備帶壓換刀能力，常壓換刀安全風(fēng)險(xiǎn)大，容易造成地面沉降。為改變現(xiàn)狀，專為此刀盤設(shè)計(jì)了面板耐磨貝殼刀（替

7、代滾刀）和中心撕裂刀，掘進(jìn)200環(huán)后開倉檢查刀具，刀具磨損在1cm以內(nèi)，滿足該地層的磨損性能，刀盤面板也得到了有效保護(hù)。在刀箱結(jié)餅情況下也不影響刀具的正常使用，且能保證正常掘進(jìn)。 圖7 滾刀偏磨情況 圖8 面板耐磨貝殼刀圖9 中心撕裂刀、盾構(gòu)機(jī)刀盤牛腿數(shù)量為8個(gè)，且支撐成T字形。掘進(jìn)中由于支撐背過多且間距較小，造成中心區(qū)域渣土流動性差，致中心區(qū)容易結(jié)泥餅（成傘形）；支撐成T字形，刀盤轉(zhuǎn)動阻力變大、刀盤扭矩變大，刀盤轉(zhuǎn)速也將隨之加快才能轉(zhuǎn)動刀盤，對地層擾動也將加劇，且支撐背上容易粘結(jié)泥餅。通過和設(shè)計(jì)者、制造者討論，將支撐背對稱的割除2根。割除后可減小刀盤轉(zhuǎn)動阻力和刀盤扭矩，并能增加中心區(qū)域渣土的

8、流動性（減小向下流動的阻礙），進(jìn)而延長中心區(qū)域渣土結(jié)餅是的時(shí)間。 圖10 刀盤8個(gè)支撐背 圖11 支撐背以內(nèi)傘形結(jié)餅 圖12 對稱割除兩根支撐背、刀盤厚度為700mm，開口率為32%，開口共12個(gè)，周邊8個(gè)，中心區(qū)域4個(gè)比之周邊大，開口均為直筒型。中心區(qū)開口在支撐背以內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)渣土流動性差容易結(jié)餅，結(jié)餅后中心區(qū)開口將不能進(jìn)土，實(shí)際開口率將嚴(yán)重縮小，導(dǎo)致進(jìn)土不暢、推力增加、速度變慢，原地來回?cái)_動造成刀盤上方土體坍塌進(jìn)入土倉進(jìn)而多出土，引起地面沉降。開口為直筒型且長度大，不利于渣土流動，容易造成開口處結(jié)餅。根據(jù)上述情況結(jié)合刀盤結(jié)構(gòu)形式做以下改造：（一）將中心4個(gè)開口部分三角區(qū)域改為斜三角，增加開

9、口渣土的流動性。（二）刀盤周邊割除刀箱4個(gè)，開口率從原來的32%增至約40%，增強(qiáng)渣土在刀盤周邊開口的流動性。并在割除的刀盤筋板上增加12把面板刮刀。 圖13 中心開口未改造前 圖14 中心開口改造后 圖15 周邊4個(gè)刀箱割除位置和中心三角區(qū)域改造位置2）、渣土改良系統(tǒng)原盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)中的空氣流量十分不穩(wěn)定，時(shí)有時(shí)無，并且泡沫的實(shí)際流量跟操作面板上面顯示的流量不一致，且泡沫管道經(jīng)常堵塞。導(dǎo)致渣土流塑性變差，久而久之造成土倉結(jié)餅、出土量變多，引起地面沉降。從日本進(jìn)口一臺泡沫系統(tǒng)，對原有的泡沫系統(tǒng)進(jìn)行更換，使之能根據(jù)需要調(diào)節(jié)發(fā)泡氣體流量，并能確保流量的穩(wěn)定。并對沫噴頭進(jìn)行以下改進(jìn)，防止管道堵塞：（

10、一）將止回板通孔加大，即使加注含有雜質(zhì)的膨潤土溶液,也能盡可能讓其減少堵塞幾率；（二）將止回板通孔部位改造為半球形，從而改善止回膠片的活躍度和密封性能；（三）將原來中心噴射改為四周噴射，從而增加止回膠片是使用壽命，盡量減少因止回膠片磨損造成管路堵塞。 圖16 原裝泡沫噴頭止回板 圖17 改造后泡沫噴頭止回板 （2）、我司在成都地鐵4號線一期工程引進(jìn)中鐵隧道裝備制造的刀盤所遇到問題及改進(jìn)措施：S394為海瑞克盾構(gòu)機(jī)，在投入4號線之前已完成了4條地鐵線的施工任務(wù)，掘進(jìn)里程達(dá)10000m。投入4號線之前進(jìn)行了較為徹底的檢修，并跟換了刀盤。海瑞克刀盤和中鐵隧道裝備刀盤結(jié)構(gòu)形式見圖18、圖19。海瑞克盾

11、構(gòu)刀盤開口率為28%，中鐵裝備刀盤開口率為36%。 圖18 海瑞克盾構(gòu)刀盤 圖19 中鐵裝備刀盤掘進(jìn)效率低、出土量大、地面沉降超限的情況下經(jīng)過幾次開倉,均發(fā)現(xiàn)刀盤牛腿和環(huán)梁形成的閉合區(qū)域內(nèi)以及刀箱中結(jié)有泥餅，面板環(huán)梁區(qū)域內(nèi)結(jié)餅,且中心刀完全被泥餅覆蓋，并向前突出近10cm的圓餅，造成環(huán)梁區(qū)域以外的刀具大部分未接觸到掌子面。牛腿范圍內(nèi)的土體未能快速流動,刀具也不能有效地切削土體，故掘進(jìn)控制非常困難，造成地面沉降連續(xù)報(bào)警并引起地下管線變形。上述情況原因分析如下：、由于地下水位較低，推進(jìn)過程中加泥加水設(shè)施未能有效到位，導(dǎo)致碴土改良不及時(shí)（特別是牛腿及環(huán)梁內(nèi)），造成刀盤面板、土倉、刀盤牛腿間結(jié)泥餅嚴(yán)重

12、。、刀盤面板全部使用雙刃滾刀，過多地破碎了卵石，形成粉末，改良不及時(shí)，更加重了泥餅的形成。、牛腿內(nèi)無加泥加水設(shè)施，導(dǎo)致泥餅從圓心逐漸向面板四周堆積和擴(kuò)散，最終整個(gè)面板被“糊”。 、膨潤土溶液中，膨潤土量偏大（偏稠），土倉內(nèi)溫度偏高時(shí)，會使膨潤土溶液失水，與渣土結(jié)合后加劇了土倉內(nèi)泥餅的形成。 圖20 牛腿結(jié)餅情況 圖21 刀盤面板中心區(qū)域結(jié)餅情況圖22 刀箱結(jié)餅情況盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)動對掌子面土體擾動較大， 掘進(jìn)速度緩慢時(shí)（土倉及刀盤面板結(jié)泥餅），對掌子面擾動更加嚴(yán)重，從而使刀盤上方土體坍塌，造成地面沉降過大。為改變這種狀況，結(jié)合刀盤和中心回轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)形式，改進(jìn)方案如下：1） 、增加中心沖刷裝

13、置 、原有泡沫及膨潤土通道保持不變，在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)液壓回轉(zhuǎn)接頭及一個(gè)中心沖刷回轉(zhuǎn)接頭，其串接在原有回轉(zhuǎn)接頭尾部，具體結(jié)構(gòu)見下圖圖23 中心回轉(zhuǎn)接頭細(xì)部構(gòu)造圖、利用4路液壓回轉(zhuǎn)接頭通道分別對刀盤四個(gè)中心開口處進(jìn)行沖刷，利用串接的中心沖刷回轉(zhuǎn)接頭對刀盤牛腿之間進(jìn)行沖刷，同時(shí)利用前盾土倉隔板上的上部左右各一個(gè)被動攪拌棒的通道對牛腿之間進(jìn)行沖刷。圖24 牛腿及環(huán)梁內(nèi)部沖刷效果圖 2)、為改善刀盤盤面中心區(qū)域的流動性，同時(shí)適當(dāng)減少中心開口的進(jìn)渣量以降低土倉中心泥餅的產(chǎn)生幾率，適當(dāng)減少了刀盤中心區(qū)域刮刀安裝數(shù)量。 圖25 中心刮刀摘除前 圖26 中心刮刀摘除后（紅色區(qū)域刮刀拆除）3)、中心滾刀更換為撕

14、裂刀刀盤環(huán)梁內(nèi)的8把滾刀更換為撕裂刀，撕裂刀伸出刀盤面板比滾刀高30mm，具有一定的先行作用。采用先行刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低滾刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少滾刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。 圖27 滾刀 圖28 撕裂刀5、盾構(gòu)施工參數(shù)控制與渣土改良 （1）、羅賓斯盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過改造恢復(fù)掘進(jìn)制定了以下參數(shù)和渣土改良措施： 1）、根據(jù)羅賓斯盾構(gòu)機(jī)機(jī)理，以及砂卵石地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對掘進(jìn)參數(shù)做以下設(shè)定： 出土量V=切削面半徑2××管片幅寬×F，根據(jù)成都地鐵2號線二期工程（西延伸線）地質(zhì)探勘以及補(bǔ)勘資料顯示，該區(qū)域內(nèi)的渣土松散系

15、數(shù)值取F=1.2。因此出土量控制在45m³（管片幅寬為1.2m）、55m³（管片幅寬為1.5m）以內(nèi)。掘進(jìn)中每出一廂土都要對推進(jìn)的行程進(jìn)行一次校核，統(tǒng)計(jì)多出土的情況，并做好出土記錄。如果實(shí)際出土量超出理論出土量的5%，出土量無法控制，必須立即停機(jī)，并及時(shí)采取洞內(nèi)二次補(bǔ)注漿及地面跟蹤注漿措施，防止地面沉降。同步注漿的注入率應(yīng)控制在130%250%之間，注漿壓力控制在23bar，最大程度利用同步注漿將建筑間隙填滿。注漿過程中應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，壓力過大將使地面隆起，反之亦然。為確保間隙填滿，管片脫出盾尾23環(huán)后進(jìn)行二次注漿，注漿壓力控制在2.53bar。2） 、渣土改良 使用膨

16、潤土溶液+泡沫溶液 膨潤土溶液 水：膨潤土=100kg：52kg，即1m3水加520kg膨潤土； 泡沫溶液 使用CF=3%的泡沫，泡沫膨脹倍率FER=10； 以上兩種溶液，膨潤土溶液的注入率為20%，泡沫溶液的注入率為10%，合計(jì)注入率為30%，使用刀盤最外側(cè)的兩個(gè)管路注入泡沫溶液，其余管路注入膨潤土溶液。按照上述泡沫及膨潤土溶液的配比及注入率，下表給出了1050mm/min速度值下對應(yīng)的膨潤土及泡沫流量： 每環(huán)（1.2m)掘進(jìn)行程泡沫注入量參數(shù)表序號12345速度(mm/min）1020304050時(shí)間（min)12060403024總注入量（L/min）3.136.259.3812.515

17、.63 每環(huán)（1.2m)掘進(jìn)行程膨潤土溶液注入量參數(shù)表序號12345速度(mm/min）1020304050時(shí)間（min)12060403024總注入量（L/min）62.5125187.5250312.5 （2）、S394盾構(gòu)機(jī)渣土改良系統(tǒng)改進(jìn)后恢復(fù)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定如下:推力（kN）扭矩（kN.m） 刀盤轉(zhuǎn)速（rpm） 土倉壓力（bar）螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）80001500045001.01.30.50.8（1#土壓傳感器）與土壓相匹配根據(jù)成都地鐵4號線3標(biāo)地質(zhì)探勘以及補(bǔ)勘資料顯示，該區(qū)域內(nèi)的渣土松散系數(shù)值取F=1.2。因此出土量控制在42m³（管片幅寬為1.2m）、52m³（管片幅寬為1.5m）以內(nèi)。掘進(jìn)中每出一廂土都要對推進(jìn)的行程進(jìn)行一次校核，統(tǒng)計(jì)多出土的情況，并做好出土記錄。如果實(shí)際出土量超出理論出土量的5%，出土量無法控制，必須立即停機(jī)，并及時(shí)采取洞內(nèi)二次補(bǔ)注漿及地面跟蹤注漿措施，防止地面沉降。同步注漿及二次注漿按照常規(guī)進(jìn)行注入。渣土改良：中心部位的沖刷裝置，從開刀盤啟動到停止，不間斷的向土倉內(nèi)以每小時(shí)8至10