富水砂卵石地層中盾構施工的控制難點及措施

1、.富水砂卵石地層中盾構施工的控制難點及措施段浩引言：隨著中國經(jīng)濟的快速增長、城市人口數(shù)量迅速膨脹，機動車輛的數(shù)量呈級數(shù)比例增長，原有的市政道路難以滿足交通的需要，為緩解城市交通壓力、創(chuàng)造良好的生活和投資環(huán)境，國內各主要城市均選擇修建地鐵工程來提升城市形象和投資環(huán)境。隧道是地鐵工程最主要的組成部分，隧道盾構法施工具有施工速度快、工期短、洞體工程質量易控制、質量比較穩(wěn)定且良好的防滲水性能、施工安全系數(shù)高、對周邊建筑物影響極小、基本不影響地面交通、適合地層范圍廣、地質情況復雜的施工作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點。隨著我國各大城市地鐵建設熱情的高漲，隧道盾構施工方法必將在地鐵建設中被廣泛推廣應用。盾構施工雖然有對地層

2、的廣泛適應性、施工安全系數(shù)高等優(yōu)點，但因地質情況千變萬化、施工環(huán)境的復雜性，在盾構施工中必然存在盾構機的適應性和施工方法、措施的調整。成都地鐵穿越的地層主要為砂卵石地層并夾雜有粉細砂層透鏡體，地下水豐富、水位高、補給迅速，國內、國際在該種地質條件下全面實施盾構施工隧道尚不多見，無較多經(jīng)驗可以借鑒，在地鐵建設史上的應是一次重要技術性突破。截至目前成都地鐵采用泥水盾構和土壓平衡盾構施作的隧道，已經(jīng)完成成型隧道1000余米，在施工中出現(xiàn)一些有別于其它地質情況下施工的難點，對這些難點的技術處理為在富水砂卵石地層中盾構施工積累了一些應對的經(jīng)驗。成都地鐵地質情況描述：盾構隧道從<2-8>、&l

3、t; 3-4>、<3-7等砂卵石地層中通過。卵石成分主要為灰?guī)r、砂巖、石英巖，卵石的含量達67，中間夾雜大漂石。砂卵石具有分選性差，強度高的特點。<2-8>卵石土（Q4al）：黃灰色，黃褐色，中密密實為主，部分密實，潮濕飽和。卵石成分主要為中等風化的巖漿巖、變質巖、砂巖等硬質巖組成。磨圓度較好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，卵石含量6575%，粒徑以3070mm為主，鉆探揭示最大粒徑145mm，夾零星漂石，充填物為細砂及圓礫。<3-4>粉、細砂（Q3fgl+al）：灰綠色，飽和，中密，夾少量卵石。呈透鏡體狀分布。<3-7>卵石土（Q3fgl+

4、al）：褐黃、黃色，以中密密實為主，飽和。卵石成分主要為中等風化的巖漿巖、變質巖、砂巖等硬質巖組成。磨圓度較好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，卵石含量6075%，粒徑以3070mm為主，據(jù)鉆探揭示，最大粒徑150mm，夾零星漂石，充填物為砂及礫石，具弱泥質膠結或微鈣質膠結。隧道通過的地層含水豐富，根據(jù)鉆孔揭示，隧道區(qū)間分布的卵石土及所夾透鏡狀砂層為地下水主要含水層，含水量豐富，含水層厚2022.6m，區(qū)間范圍內卵石土分選性差，滲透性強。圖一、盾構刀盤前掌子面地層情況 圖二、 基坑開挖時土體狀況富水砂卵石地層中盾構施工的難點：通過成都地鐵前一階段盾構掘進施工的情況來看，泥水盾構和土壓平衡盾構

5、機在砂卵地層如場地條件許可均可采用。泥水、土壓平衡兩種類型的盾構機在成都地質情況下施工的共同難點：（1）在掘進過程中砂卵石地層對刀盤、刀具、渣土輸送系統(tǒng)等部位磨損嚴重，造成換刀頻率較高約150米需換刀一次，渣土輸送系統(tǒng)需得到及時的修復；（2）地下水位高、掌子面不穩(wěn)定，清倉比較困難，換刀時停機處易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象；（3）須在降水條件下?lián)Q刀，在建線路的位置換刀地點難以選擇；（4）因地層局部為砂卵石土夾砂透鏡體，土壓平衡盾構在通過時刀盤前極易出現(xiàn)固結泥餅現(xiàn)象，開倉處理時易引起地面安全風險；（5）地面沉降槽雖較窄，但沉降量和沉降速率難以控制。下面就土壓平衡盾構在該地層中施工中出現(xiàn)問題及采取的措施和思路作簡

6、單介紹，以希望為類似地層施工提供借鑒。砂卵石地層施工防止螺旋輸送機卡死和固結泥餅的措施：盾構機制約卵石排出有兩個主要的約束條件：（1）刀盤的開口尺寸；（2）螺旋輸送機通過的最大卵石粒徑的能力。其中基本的約束條件是螺旋輸送機的通過能力，刀盤的開口尺寸受螺旋輸送機能通過能力制約。為確保卵石不堵塞或卡死螺旋輸送機，在條件許可的情況下盡可能選擇具有較大輪廓直徑、牙高值和螺距的螺旋輸送機，使其具有通過的較大直徑卵石的能力；同時刀盤的開口尺寸要小于螺旋輸送機能通過的最大卵石的尺寸，確保進入土倉中的渣土能夠順利排出而不至于堵塞螺旋輸送機。為使盾構能夠在砂卵石地層順利掘進，應選用具有破碎大粒徑卵石能力的盾構機

7、。為能夠破碎卵石刀盤需要配備滾刀以滿足破碎卵石的功能，使大卵石的破碎成為可能。在砂卵石地層中硬巖滾刀的刃軌跡間距宜參照螺旋輸送機能通過的最大粒徑設定，如本次使用的盾構機的螺旋輸送機可通過最大卵石粒徑為240mm，則刀刃軌跡間距控制在200mm的范圍內。 盾構刀盤面板和刀具布置 未使用的螺旋輸送機耐磨塊情況針對成都地層水壓高和水量大的特點，為防止噴涌和水壓擊穿盾尾密封，在盾構機的結構上采取以下應對措施：提高盾構機防水密封性：a、盾尾密封選用三排鋼絲止水密封刷，其間充注密封脂；b、鉸接密封采用唇形橡膠密封；c、主軸承外密封采用三重唇形橡膠密封，其間充注常消耗式潤滑脂，為提高可靠性同時采用HBW密封

8、脂。 采用具有防噴涌功能的可控兩級螺旋輸送機出渣系統(tǒng)，并結合適當?shù)脑粮牧肌?圖三、渣土情況 圖四、破碎的大粒徑卵石砂卵石對設備的磨損及換刀時機的選擇及其措施：成都的砂卵石地層具有流動性差、磨琢性大的特點，使盾構機的刀盤 、刀具和渣土輸運系統(tǒng)產生嚴重的磨損現(xiàn)象。這樣就為如何提高刀盤面板、刀具和螺旋輸送機系統(tǒng)（泥水盾構須考慮管道系統(tǒng)）的耐磨性，以減少換刀次數(shù)從而降低施工成本和因換刀帶來的安全風險，是施工單位考慮的關鍵問題。土壓平衡盾構機的刀盤面板、刀具和螺旋輸送系統(tǒng)配置及有關參數(shù)：（1）刀盤為面板形結構，焊有Hards400耐磨鋼板，開挖直徑6.28m，開口率25%，刀盤開口能通過的卵礫石粒徑2

9、40mm。（2）刀具配置：32把單刃滾刀、4把雙刃中心刀、28把正面鏟刀、8把邊部刮刀。（3）螺旋輸送機旋葉頂部焊有厚度為40mm的Hards400耐磨鋼板。在砂卵石地層中施工以上配置主要有以下考慮：螺旋輸送機排渣的能力限制刀盤開口尺寸大小；為適應砂卵石磨琢性大的特性使刀盤具有較高的耐磨性；為破碎硬的卵石、破壞卵石膠結和保護軟土刀具配置滾刀；為增加刀具的剛性和耐磨性，防止硬的卵石破壞刀具同時提高刀具的耐磨性選配大鏟刀及刮刀；刀盤的型式及開口率是防止掌子面坍塌的需要。在得到以上較充分考慮的情況下，砂卵石對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨削量仍非常大。土壓平衡盾構在掘進150米時，刀具的磨損情況統(tǒng)計如下

10、：（表一）刀具磨損情況統(tǒng)計刀號是否偏磨最大磨損最小磨損平均磨損1234備注9無5.0 6510無5.0 6523無15.0 55555525無12.7 55595827無16.0 5555525428無16.7 54535329無15.7 55545430稍偏282325.5 474231偏磨160度653638.8 3443435報廢32稍偏磨10度左右303331.3 4040383733偏磨刀體破壞393135.0 3139報廢34刀圈磨掉，報廢35刀圈磨掉報廢36刀圈磨掉報廢37嚴重偏磨，刀圈磨沒7015.0 5555報廢38偏磨20度352024.5 48495035報廢39偏磨15

11、度201518.0 50555140無20.0 50545046泥水盾構掘進240米時，刀盤面板、刀具的磨損情況為：所有刀具嚴重磨損，滾刀絕大部分嚴重偏磨損壞、部分滾刀刀圈脫落刀體損壞完全報廢；刀盤分別在兩個部位有寬180mm、深24mm和寬320mm、深50mm的圓環(huán)溝槽形磨損。螺旋輸送機旋葉焊接的耐磨塊在推進400米后的檢查中發(fā)現(xiàn)局部完全磨損。 刀具布置及磨損情況 150米刀具的磨損 150米刀具的磨損 400米螺旋輸送機耐磨塊的磨損根據(jù)刀具磨損的情況分析，在刀具耐磨性確定的條件下每次換刀掘進距離的選擇非常重要。使用的盾構刀具在刀體完整不損害的情況下可以通過更換刀圈、焊補耐磨材料等修復重復

12、利用，如刀體損壞刀具將失去修復價值，而修復費用僅為新刀具價格的1/10。通過數(shù)據(jù)分析，在盾構掘進施工中每次換刀間距應控制在100-150m之間，能有效減少刀體的損壞；如安排的換刀間距過大將可能造成刀盤磨損產生災難性事故。雖然在成都砂卵石地層中換刀頻率的增加使安全風險明顯增加，但可以顯著降低施工機具費用的成本和增加設備使用的安全及耐久性。施工單位技術人員在施工中應注意收集整理始發(fā)段的有關掘進數(shù)據(jù)并結合開倉檢查刀具的磨損情況。通過數(shù)據(jù)和觀察得出的信息預測換刀時間和地點，并應根據(jù)掘進參數(shù)設定在何情況下檢查或更換刀具。成都地鐵通過的地層具有穩(wěn)定性差、透氣性大、地下水豐富、水位高、水壓大等特點。砂卵石地

13、層中可選擇地面加固的措施效果不明顯或難以實施，在換刀時如采取有壓換刀、地面注漿加固地層將增加換刀的安全風險，采取旋噴樁或挖孔樁加固掌子面可能存在時間、環(huán)境上的不便。成都砂卵石地層在降水條件下穩(wěn)定性較好，可以均衡安全風險和施工成本，換刀時應首先考慮在降水條件下開倉換刀。一般地鐵線路均位于城市的主要交通干道和繁華地段降水井的位置難以選擇，因此應根據(jù)現(xiàn)場情況確定降水井施作的地點，以距上次換刀位置距離不大于150米為原則。降水井深度應超過隧道底部5-7m，位置在選定的換刀點橫向軸線附近且距隧道邊沿1-2m為宜，有效降水時間宜在15天以上并應根據(jù)氣候對地下水的影響調整抽水流量和有效降水時間。 如需在帶壓

14、條件下開倉，加氣前為防止砂卵石地層透氣性大，難以保壓可以在清倉之前向土倉中注入澎潤土、黃泥、泡沬濟或聚合物同時轉動刀盤先行對渣土進行改良，然后再向土倉中加氣以實現(xiàn)在掌子面上形成滲透性泥膜來保住壓力的目標。減少換刀頻率，增加刀具耐久性可以從三個方面采取應對措施：（1）盾構機渣土改良功能的選擇；（2）增強相關部件和配件的耐磨性；（3）掘進參數(shù)的調整；（4）調整刀具的配置。盾構機功能的選擇：選用具有加泥、加注泡沬、加注聚合物系統(tǒng)的能實施多種碴土改良工藝盾構設備，根據(jù)實際需要隨時調整碴土改良方式。渣土改良以減小摩擦和增強渣土流動性為目的，通過適宜的渣土改良方式實現(xiàn)改善碴土的流動性，降低碴土磨琢性的目標

15、。增強相關部件和配件的耐磨性：主要是提高刀盤面板、刀具、螺旋輸送機系統(tǒng)設備的耐磨性。通過在刀盤面板上加焊具有高耐磨性能的耐磨塊、耐磨條、耐磨網(wǎng)格提高刀盤的耐磨性；通過選用鑲嵌有耐磨合金塊的軟土刀具、選用硬度較高的滾刀來提高刀具的耐磨性；通過在螺旋輸送機的旋葉上加焊具有較高耐磨性能的材料提高螺旋輸送機的耐磨性。調整掘進參數(shù)：主要是調整土倉壓力平衡參數(shù)。即使僅考慮盾構機土倉壓力與水壓力平衡，則刀盤中心附近的土倉壓力也將達到0.13MPa左右，盡管對刀盤、刀具等增加耐磨保護措施，在壓力和含量達80%左右的卵石土中掘進亦難以控制刀具、刀盤、土倉壁與螺旋 輸送機的超量磨損。為降低推進阻力減少刀具的磨損，

16、可調整土倉壓力實施適當?shù)那穳和七M。欠壓推進可有效減少刀具的磨損率、設備能耗，同時亦可提高掘進速度和減少刀盤固結泥餅出現(xiàn)的因素、降低渣土改良的成本。根據(jù)對刀具磨損數(shù)據(jù)的分析和在盾構掘進過程中開倉對刀具運行情況的觀察，同等條件下單刃滾刀的磨損量比雙刃滾刀的磨損量要大且偏磨和損壞刀體的情況幾乎均出現(xiàn)在單刃滾刀上，雙刃滾刀均為正常磨損。單刃滾刀出現(xiàn)偏磨后影響到其軌跡面上其他形式刀具出現(xiàn)較大的磨損量甚至報廢?？梢缘贸鐾ㄟ^調整刀具的配置增加雙刃滾刀的用量，可以有效減小刀具的磨損、減少換刀次數(shù)和降低施工成本。開倉或出渣量失衡后地面沉降的控制：成都的砂卵石地層未經(jīng)過擾動時是致密的，在降水條件下具有較強的自穩(wěn)性

17、，但經(jīng)過盾構推進作業(yè)對地層的擾動其穩(wěn)定性很差，土體迅速松散、下落難以成拱，造成地面沉降量較大。根據(jù)前一階段開倉數(shù)次的盾構開倉的情況反映每次清倉后刀盤前的掌子面都將迅速坍塌引起地面塌陷；同時地層中夾雜粉細砂透鏡體，盾構在通過該結構地層時推力和扭矩迅速增大、推進速度急劇減小一般在5mm/min以下、刀盤上固結泥餅，出渣量難以控制形成地面坍塌。典型斷面的地表沉降槽曲線2盾構推進過程中的時程曲線 盾構開倉后恢復推進引起的地面塌陷 開倉后掌子面坍塌情況盾構建設線路主要在城市的市政道路下面，地面交通繁忙、地下有供水、污水、煤氣、電信等各種管線，部分區(qū)段線路須下穿建筑物。地面的坍塌或較大沉降將會造成地面交通

18、事故或各種管線的爆裂、建筑物受損或坍塌等安全事故，有些事故的后果將可能是災難性的。為確保施工安全和地面安全并減少社會影響，必須采取有效措施控制地面沉降和坍塌?？刂频孛娉两岛偷乇硭莸拇胧獜亩磧仁┕み^程參數(shù)控制和地表處理等兩個方面考慮。（2）據(jù)試驗段的施工經(jīng)驗在未擾動時采取地面注漿根據(jù)地層的致密程度一般會出現(xiàn)兩種情況：一是致密且水位較低時難以注入；二是松散、水量較大時漿液流失難以固結土體。在盾構通過后利用砂卵石地層上部覆蓋的5-6米的粘土層沉降的滯后效應，采取地面跟蹤灌砂注漿的方法來控制地表沉降或塌陷。為防止開倉引起的地表坍塌可采取如下措施:確定開倉位置后在刀盤前后的隧道軸線上施作適量的鉆孔，孔的深度以達到盾體上部0.5m為宜；在清倉過程中并隨清倉進度封閉刀盤開口盡可能不轉動刀盤；檢查刀盤前的掌子面情況如有空洞應立即通過鉆孔灌砂；恢復推進后嚴格控制出渣量，通過計算