富水砂卵石特殊地层盾构施工关键技术

富水砂卵石特殊地层盾构施工关键技术

田定胜

中交机电工程局有限公司北京100000

摘要：随着我国基建大发展和工程技术的进步，盾构施工技术日益成熟，目前盾构施工技术已经能够完成绝大多数地质条件下的隧道施工任务。然而，与应用范围的不断扩大同步增加的是更复杂的地质环境和更艰巨的技术挑战。本文通过对施工经验的提炼，总结了富水砂卵石特殊地层盾构施工关键技术，作为应对此类特殊地层盾构施工技术难点与安全风险管控措施的参考。

关键词：盾构施工富水砂卵石特殊地层关键技术选型刀具耐磨渣土改良

0引言

富水砂卵石地层在我国分部十分广泛，但是在此类地层中进行城市轨道交通工程隧道盾构施工却会面临一系列的技术难题与安全风险。典型如xx市，地下大多属于富水砂卵石地层，即在细小沙粒中夹裹着坚硬的卵石，强度不均，同时地下水丰富、水位高。盾构机在这样的地层中施工难度大，尤其是沉降不易控制，安全风险极高。以下选具有代表性的工程环境与案例，对克服此类地层的盾构关键技术进行总结。

1地质情况

灰色、青灰色、褐黄色，密实，饱和，卵石成份以花岗岩、灰岩、砂岩为主，磨圆度好，分选性差，粒径60～180mm约占75%以上，局部地段见漂石，一般长度约210-300mm，钻孔揭示最大约380mm，探坑揭示最大粒径600mm以上，余以中、细砂充填，局部地段含有薄砂层。卵石土分选性、均匀性差，抗压强度高，自稳性较差，渗透系数大，透水性强，富水性良好。沿线地下水位随季节变化较大，主要为砂土、卵石土中赋存的孔隙潜水。地下水静止水位埋深约3.80～8.70m。

2盾构机设计

A盾构机参数

外径：刀盘直径为8634mm，A环外径8580mm、B环外径8570mm、C环外径8560mm；盾构全长约105m；连接桥长16.2m，

盾构机长度10845mm,盾构主体长度9935mm、切口环长度890mm；

支撑环长度5370mm、盾尾长度3675mm，内径8440mm、盾尾间隙40mm。

水平运输采用4列55T锂电池电瓶车，单列编组：一节电机车，四节渣土车（18方/节），一节砂浆车（8方），两节管片车；

总配置功率5101kW，最大掘进扭矩29189kN?m，最大推进力为76000kN。

B刀盘设计

结构形式：复合刀盘，6辐条+6面板。

刀具配置：双刃滚刀（10把）、单刃滚刀（37把）、刮刀（66把）、边缘刮刀（36把）、超挖滚刀（1把）。

开口率36%，中心部位较大开口，并设有6个高压注水口，防止泥饼产生。

渣土改良喷口数量：共10个，9路泡沫，4路膨润土（3路与泡沫共用互换）。

最大开口幅宽400mm

管片：管片外径8300mm，内径7500mm，管片宽度1500mm，每环7块组成、管片错缝连接，由19根弯螺栓连接。

3施工关键技术

3.1针对性选型设计

针对卵石地层掘进速度慢，刀盘和刀具磨损严重，容易卡刀盘，保压换刀困难。螺旋输送机叶片和轴经过多次磨损，损坏严重。

措施：针对磨损严重刀盘和螺旋机等部件强化耐磨层的设计；针对卡刀盘，驱动部选用考虑大扭矩的配置。

卵石层自稳性差，易坍塌，盾体摩擦阻力大；洞身开挖面积大，改良的土体面积大；且富水，容易造成螺旋机喷涌；掘进过程中土压控制较为困难，土仓土压与螺旋输送机排土匹配性较差。

措施：为减小地层扰动，考虑配置微速推进系统配合螺旋机的PID控制设计，考虑配置二次补浆系统；针对盾体本身摩阻力大，考虑推进系统考虑大推力设计，并且考虑在盾构机壳体外周布置径向注入管；针对改良面积大，考虑设计多个注入口，加强土体改良效果；针对富水喷涌，螺旋机防喷涌设计和土仓富水渣土改良设计减缓喷涌压力。

3.2刀具耐磨性

现场多台刀盘外弧面钢结构有磨损，磨损区域主要集中在边刮刀及周边保护刀之间，此处的磨损，主要怀疑开挖半径不足，在推进过程中应力直接作用于周边保护刀侧面，引起积渣及摩擦力增大，导致磨损。边缘滚刀磨损超过12mm时，滚刀跟刮刀同时切削土体，刮刀磨损超过50mm时，磨损刀盘本体耐磨板，刮刀磨损超过60mm时，磨损刀盘本体母材。经检查现场已开仓的盾构机，发现其边缘滚刀及刮刀磨损严重，已无法保证开挖直径符合开挖要求，部分边缘刮刀已磨损至螺栓孔。

措施：

1）刀盘面板圆弧段修复

根据刀盘面板磨损情况，对刀盘外周磨损区域清理、碳刨、打磨，磨损部位安装圆周面板，补板区域为外周面板+两侧筋板位置（60°范围内），其他磨损位置均参照此方式修补，在外侧筋板与圈板的位置增加端头封板。

2）割除弧形挡板

将面板部分挡板进行割除共计12处，下侧筋板和刀盘外圈板处碳刨分离。完成后，然后将切口处打磨，刀盘外圈板内侧碳刨处打磨平整，（可在剩余磨损面板区域内堆宽度为10mm，高度为5mm的耐磨网格）。

3）周边刮刀修复

开仓后进行刀箱修复，在刀盘周边刮刀和外圈板（95mm）间隙处安装刮刀，将预先加工完成的刮刀底板按下图安装到辐条上，刮刀底板孔位中心与前侧刮刀孔位中心齐平；刮刀底板和辐条施焊完成后再将刮刀安装到底板上，上螺栓紧固，打扭矩，完成后再在螺栓孔内使用螺纹密封胶进行填充。

4）周边滚刀优化

对外缘滚刀刀座进行修复，在刀盘边缘滚刀刀箱周边位置安装保护刀。圆点·处将原有保护刀变化为倒流刀形式，其余刀箱保护刀不变。将其中6把单刃滚刀更换为双刃滚刀。

3.3常压开仓换刀掌子面加固（空心桩）

已经始发掘进的盾构机，在检修点采取4根素桩+3根空心桩加固掌子面，提供两个作业面，进仓对刀盘磨损位置进行加固处理。刀盘前方平面布置三根空心桩，外径为2m，空心直径为1.4m，刀盘推进空心桩内0.9m，素桩内0.3m。空心桩提供补焊刀盘作业面及通风排烟。

刀盘修复位置，降水至刀盘拱底以下1m，一个刀盘四周布置4口降水井，两条线路共布置6口降水井实施降水，其中线路中间2口降水井共用，并在线路中间设置1口观测井兼备用井。

技术要点：

①空心桩掏芯位置在带盘中心线以下1米。掏芯时间为灌桩结束8小时左右。

②加强测量，控制好刀盘里程和地面桩基里程，减少误差。

③在预计的桩基接触点1米之前提前减速，磨桩速度控制在15mm/min。

④磨桩期间不刻意降低土压。磨桩到位后，停止转动刀盘，再出土清仓。

3.4掘进参数控制管理

经过对20余台盾构掘进参数的分析，总结如下：

①推力：控制在2200~3000T，超过4000T设为预警值（根据实际地层及埋深实施调控）

②扭矩：控制在8000~13000KN.m，当扭矩持续在16000KN.m以上设为预警值

③土压：控制在0.6bar以上（根据地层富水深度及埋深调整）

④掘进速度：控制在50~70mm，当推进速度低于50mm设为预警值。

⑤渣土温度：控制在27°~32°，当渣土温度超过35°设为预警值。

⑥螺旋机转速：控制在3rpm以上，避免卵石沉积仓底。

⑦回转角：控制在±5，防止管片旋转。

⑧盾构机姿态：控制在±50mm以内。

3.5出渣量控制

砂卵石地层：原则上1.5m管片出土体积不宜超过105m3，同时对出渣量和称重进行对比分析。

理论出渣量：3.14*8.63*8.63/4*1.5*1.2=87.7*1.2=105m3；

一般地段：单环超方量超出5m3或三环累积超方量超出10m3时，必须立即停止掘进，加强地面监测，及时主动寻找空洞并进行回填处理。采取措施后方可掘进。

3.6渣土改良

渣土改良经历“膨润土+水、膨润土+泡沫、膨润土+泡沫+水、泡沫+水”等多种方式，逐渐摸索出适合对应地层的“泡沫+水”的渣土改良方式，渣土改良效果良好。

措施：

①将刀盘加泥管路全部改为加水管路，确保盾构在每环（1.5m）刀盘加水量8m3，刀盘中心注水1m3；

②采用国产分散性泡沫（添加10%分散剂）控制泡沫的发泡倍率在8到10倍，单根泡沫管液体流量不大于15L/min，气体流量100L/min。

③掘进过程中注意对渣温的监测，正常情况下渣温应小于30°，渣温一旦高于35°制定下一步掘进措施。

3.7同步注浆

同步注浆实行注浆压力和注浆量双控模式，注浆压力不宜低于1.5bar,1.5m管片注浆量不宜低于13m3；含大漂石地层严格控制土仓压力，严控出土方量。同步注浆压力不宜低于1.5bar，1.5m管片注浆量不宜低于9m3。

同步注浆试验配比：水泥：粉煤灰：膨润土：细骨料：水=25:33:10:60:52。此配比在TJ09标地质特定地质条件下性能较好。凝结时间5.4h，3d抗压强度为3.3MPa，28d抗压强度为6.5MPa。

3.8二次注浆

盾构正常掘进情况下，在管片脱出盾尾7-10环左右进行二次注浆，间隔一环注一环；若需穿越风险源或沉降异常，采用多孔管片进行二次注浆。同时逢10环采用双液浆打一次环箍。

3.9压缩空气带压开仓

除采用空心桩掌子面加固常压开仓换刀工艺外，可通过高压空气+致密闭气泥膜支护开挖面，目的推广带压开仓先进技术，尝试在该地质条件下将压缩空气带压开仓技术完善改进。此次带压开仓流程与以往工艺大致相同，有一点不同为，未对前方水平注浆和径向注浆加固。

本文主要研讨梳理出带压开仓技术做到不坍、作业面空间、不漏保障的八个难点：

①渣土、泥浆置换过程（泥膜形成）；②带压作业压力（前方准确水位）；③保压试验；④压力的稳定（samson系统）⑤工作环境（气体检测）；⑥判断开挖面是否漏气（samson系统数据）；⑦如何保证仓内土体高度合适；⑧带压作业的安全。

例：区间地下水埋深3.5m，开挖面前方水压力为2.2~2.3bar，渣土置换土仓压力为2.8bar,进仓换刀工作压力为3.0bar。可参考下面经验算法。

3.10特殊条件下盾构掘进异常分析及应对措施

①渣土改良严重滞后，造成出渣不畅；

措施：全程关注土仓压力、刀盘扭矩、推力、螺旋机扭矩、出土渣样等参数的变化趋势，及时调整渣土改良效果后再次取渣样分析当前掘进参数是否存在异常。

②盾构机姿态控制不及时，将盾构机姿态偏差掘进至30mm-40mm或以上；

措施：遵循勤纠缓纠原则，主动控制盾构机姿态，勤量盾尾间隙，合理选择管片型号及拼装点位，避免纠偏导致的管片破损及错台。

③出现连续超方不重视，未及时调整掘进参数，特别是渣土改良的调整造成掘进憋压；

措施：造成憋压的情况有渣土改良效果差，出渣不畅、掘进推力过大、纠偏过大、土仓压力大，加强渣土改良，严格控制掘进姿态，出现憋压是应以最快的速度将盾构机掘进速度提起来。

④未跟踪盾构同步注浆，任由施工队伍人员随意注浆，造成盾尾堵塞；

措施：密切关注每一环同步注浆的各项参数（浆液质量、注浆压力、注浆量、注浆位置等），出现堵管时，应在最短的时间处置浆管，且合理处置浆液。

⑤长时停机未按要求注膨润土，造成刀盘、螺旋机再次启动时发生卡死现象；

措施：出现临时停机时，预判处置时间，若停机将超过两小时，必须按照要求注入适当的膨润土，确保螺旋机口有膨润土溢出。

⑥禁止参数异常时进行停机，若必须停机需通知当班值班经理，且按要求做好停机措施；

措施：当掘进过程中出现参数异常或出渣异常时，尽量避免就地时停机，若已经不能继续掘进需上报值班经理，分析原因，判定停机利弊后，做好停机措施后方可停机。

⑦管片破损未及时发现，未及时落实有效的防破损措施；

措施：每班接班前后和下班前必须对盾尾以后10环管片进行检查，若发现破损或错台超限的必须立即通知地面监控室处置。

⑧出现连续超方时未及时上报，并通知地面应急小组。

措施：当掘进过程中出现连续超方时，盾构值班经理应立即汇报应急小组采取相应措施。

⑨停机开仓检查更换刀具后填仓处置和地面降水处置不妥当，造成刀盘及螺旋机卡死；

措施：地面降水保持常态化，避免地下水涌入刀盘后影响出渣；盾构复推前应将螺旋机内渣土出空（正反转配合），关仓后土仓内填满膨润土或惰性砂浆（无水泥砂浆），缓慢旋转刀盘将仓内膨润土（惰性砂浆）与渣土搅拌均匀后反转螺旋机前，确保螺旋机正常反转后再保持螺旋机正转出渣恢复掘进。

4结语

综上所述，富水砂卵石特殊地层盾构施工成功的基本前提是盾构机科学设计与盾构合理选型，关键在于认真贯彻“控制欠压、充分注浆、深层量测、主动防护”的十六字方针；施工中能够严控两个平衡——压力平衡、体积平衡；两个姿态——盾构姿态、管片姿态；两个注浆——同步注浆、二次注浆；两个监测——地面监测、地下监测；两个分析——沉降分析、渣土分析；两个改良——渣土改良、注浆改良。

参考文献：

［1］杨书江.富水砂卵石地层盾构施工技术［A］.人民交通出版社.2011.