城市富水砂卵石地層大斷面泥水盾構工藝參數變化對施工成本的影響

王 穎

(中鐵隧道集團北京地下直徑線項目部，北京100045)

1 前言

北京站至北京西站地下直徑線工程盾構法隧道穿越北京城市中心區，工程環境條件十分復雜、沿線建(構)筑物眾多，沉降控制標準要求極為嚴格。隧道穿越地層東西兩端差異大，文章僅就已經掘進完成的1700 m隧道，對盾構施工過程中的人、材、機消耗的影響進行分析。

2 工程概況

盾構隧道總長5175 m，采用一臺氣墊式泥水平衡盾構施工，盾構直徑12．04 m。已經掘進完成的1700 m隧道穿越的地層主要為卵石層、圓礫層，局部為粉質粘土層、粉土層和粉質粘土層等土層，一般粒徑為20～60 mm，大于20 mm的顆粒含量約占總重的65%。實際揭露，盾構隧道穿越地層中存在φ650 mm的大直徑卵石，并且存在強度約30 MPa的砂卵石膠結層。水文地質主要為孔隙潛水和孔隙承壓水，地層滲透系數每天為50～150 m。

工程沿線兩側地面建(構)筑物密集，煤氣、熱力、電力、污水等大型地下管線繁多。下穿西便門橋、天寧寺橋、護城河和4號線宣武門站等建(構)筑物，近鄰箭樓、正陽門等重要文物。與地鐵2號線平行近4 km，其中最近投影距離1．7 m，深度差15 m左右。

3 泥水盾構掘進施工主要影響因素

根據工程情況，工程邊界條件變化對施工的影響主要為:

1)在卵石、圓礫地層，由于空隙率較大，對泥漿的粘度和比重等指標要求較高，需要經常補充新鮮漿液，造成同步注漿和二次注漿量較大，同時刀盤刀具、泥水循環系統的泵、閥、管路、各類精密傳感器等損壞嚴重。沙礫+粘土地層由于細顆粒含量增加，泥漿比重上升較快，掘進困難的同時泥水分離困難，造成用電量增加等一系列問題，特別是城市施工要求泥水無廢漿排放，因而大大增加了工程施工難度。

2)埋深變化時，泥水壓力的設置及掘進參數控制原則也有不同。淺埋地層下，泥水倉壓力設定應適當低于理論計算值，盾構刀盤轉速、掘進速度不宜過快，以減少刀盤對地層的擾動，并要求經常加入新拌制的高質量泥漿，以形成良好的泥膜，保證掌子面穩定，減少地面沉降。中埋－深埋條件下，泥漿向地層散失量增大，要經常補充高粘度新鮮漿液，以保證掌子面形成良好泥膜。

3)隨著環境沉降控制標準的不斷提高，重要風險部位除要采用超前注漿或其他地面措施外，必須對盾構掘進參數進行嚴格控制，確保掌子面泥膜的形成速度及質量、同步注漿壓力和注漿量，及時進行二次注漿和二次加強注漿，也要加強監控量測，根據監測信息的變化不斷優化各項掘進指標。

4 工程分段及工藝參數統計

4．1 工程段落劃分

根據工程地質、隧道埋深、環境控制標準等工程邊界條件，北京直徑線部分盾構隧道組段情況如表1所示。

表1 工程段落劃分Table 1 Division of engineering segments

4．2 工藝參數統計

盾構法施工中，盾構掘進過程的工藝參數主要包括盾構掘進參數、泥水性能指標、同步注漿及二次注漿相關參數，其差異主要出現在不同隧道埋深、工程地質及水文地質、不同施工邊界條件下，不同的工藝參數所造成的地面沉降也有所區別［1］。

4．2．1 各段掘進參數統計

盾構掘進參數包括泥水壓力、流量和泥漿比重、粘度，刀盤轉速、掘進扭矩、推力以及掘進速度等(見表2)。

表2 不同工況的掘進參數控制指標Table 2 Controlling indexes of excavation parameters under different working conditions

4．2．2 其他工藝參數統計

其他工藝參數主要包括泥漿的性能指標、同步注漿以及二次注漿參數。

泥漿性能指標主要指泥漿的比重與粘度。對淺覆土地段，為加快泥膜成形及掌子面穩定，選用粘度較高和比重適中的泥漿［2］;對細顆粒含量較少的卵石層，為控制泥漿逸失，滿足掌子面泥膜的形成及排碴需要，選擇粘度和比重均較高的泥漿，隨著地層中細顆粒含量的增加，尤其是對于粘土較多的地段，為盡量減少泥水分離負荷，選用粘度適中和比重較低的泥漿;對于沉降控制要求嚴格的重大風險點施工區段，掘進過程中選用高粘度泥漿，并提高泥漿的置換頻率，以確保掘進過程中掌子面的泥膜質量和地面的沉降控制。

同步注漿的工藝參數主要包括注漿壓力設定、注漿量控制(按注入率表示)以及注漿的漿液配比等。根據施工資料統計，注入率與地層中細顆粒含量、盾構的掘進速率正相關，而掘進速率主要根據斷面的地質條件和沉降的控制需要而定，因此在同等地質條件下，注漿量也與所處位置的沉降控制標準正相關。沉降控制指標要求越高，注漿持續時間越長，注入率越大。在特級環境風險控制點區段適當提高注漿壓力，加大同步砂漿水灰比對減少隧道后期沉降尤為重要。

二次注漿包括二次回填注漿和二次加強注漿。二次回填注漿主要針對同步注漿收縮后的空隙進行回填。如地表或地下建(構)筑物變形且不穩定，則須進行二次加強注漿。二次注漿的主要控制參數包括與同步注漿的時間或距離間隔、注漿壓力控制和注漿量控制。根據施工資料及沉降分析，對淺覆土、沉降控制要求較高的特級和一級風險點，二次注漿與同步注漿間隔在18 m以內最有效;對埋深較大、自穩性較好的卵石層以及一般風險控制段落，二次注漿與同步注漿間隔控制在36 m以內效果較好。二次注漿壓力主要依據漿液壓入口的水土壓力而定，二次注漿回填量因地層的差異、同步注漿滲透也會不同。施工統計表明，砂卵石地層二次注漿量一般為同步注漿量的15%～20%。在細顆粒含量較多以及淺覆土地層時，由于地層的滲透系數較小，二次注漿量也相應減少。二次加強注漿則視地層變形情況隨機確定。泥漿參數與同步注漿情況如表3所示。

表3 泥漿參數和同步注漿參數Table 3 Parameters of slurry and synchronous grouting

5 各段工藝參數調整對施工成本影響

泥水盾構施工成本主要包括盾構機攤銷、盾構機進出場及安拆費用、盾構掘進、盾構管片制作及拼裝、端頭加固、設備改造費用、措施費用、臨建費用、安全及文明施工費等。根據現有施工資料分析，直徑線成本組成比例如表4所示。

表4 泥水盾構成本構成比率Table 4 Cost constitution ratio of slurry shield

工藝參數變化引起的盾構掘進費用變化，主要表現在以下兩方面:一是各組段施工中由于掘進速度差異、設備故障占施工時間比例差異導致施工降效，從而增加了人工、機械臺班數量的消耗;二是由于設備負荷和掘進速度引起的盾尾密封油脂量、同步注漿量、主軸承密封及潤滑油脂消耗數量變化。由于地質條件變化引起的刀具刀盤、尾刷、泥水管路及設備磨損、泥漿逸失及配比調整增加材料消耗、水電消耗，以及各類機具、配件、材料消耗數量的變化。直徑線盾構組段施工效率及主要機具、材料消耗統計如下。

5．1 盾構不同組段施工效率對比

盾構不同組段施工效率的對比情況見表5。

表5 盾構不同組段施工效率對比表Table 5 Contrast of construction efficiency in different shield segments

5．2 各段落主要機具、材料消耗量對比

各段落機具材料消耗數量對比情況見表6。

表6 各段落機具材料消耗數量對比表Table 6 Quantity consuming contrast of equipment material in each segment

6 結語

1)盾構施工的生產效率與隧道埋深、地質條件及環境控制存在明顯的相關性，尤其是與隧道穿越的地質條件關聯性最為顯著。其中在細顆粒含量較少、顆粒粒徑在60～90 mm的圓礫地層中掘進時效率最高。而對于卵石層，由于刀具損壞嚴重，因換刀頻繁而造成工序間歇時間所占比例較大，因而生產效率較圓礫層降低約50%，單位數量所包含的人工費、機械臺班費因之增加近1．5倍。對于細顆粒含量較多的砂礫層，由于泥水分離負荷的加重，造成泥水故障停機所占時間比例增加，因而降低施工效率，相應的單位工程量所包含人工費、機械臺班費較圓礫層增加約1．25倍。

2)工序間歇時間所占施工時間比例均在40%左右，這主要是由于砂卵石地層中掘進刀具磨損較為明顯，施工過程中間隔100～150 m需進行一次帶壓進倉刀具更換，而現行的泥水盾構定額中均未將帶壓進倉更換刀具納入工序管理，編制專門的定額子項，從而造成定額指導與實際施工存在較大偏差。

3)掘進刀具消耗數量主要與地層的土粒成分和顆粒級配相關，在富水砂卵石地層中刀具損壞大、磨損快、更換頻繁，對成本影響極大。

4)環境控制標準和盾構穿越地層條件的差異對單位盾構掘進材料消耗影響明顯。泥漿補漿量、壁后注漿量、盾尾密封油脂消耗與地層滲透系數相關性大，因此卵石層、圓礫層的單位消耗明顯多于砂礫層，卵石層主要材料單位消耗大約為砂礫層的1．3倍，圓礫層為砂礫層的1．01倍左右。環境控制標準高時，由于注漿壓力大和泥漿性能指標高，因此該部分材料消耗數量差別較大。

［1］袁大軍，尹 凡，王華偉，等．超大直徑泥水盾構掘進對土體的擾動研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(10):2074－2080．

［2］顧國明，唐建飛，陳衛平．越江隧道盾構泥水處理系統的運用［J］．建筑機械化，2007(9):46－50．