北京地鐵無水砂卵石地層盾構施工技術難點及施工對策研究

王 巖,錢 新,李 旸,薛建領,閆 雷

(北京住總市政工程有限責任公司,北京 100029)

1 工程特點及工程環境情況

1.1 工程概況

北京地鐵10號線西局站—六里橋站區間總長1 298.291 m，采用φ6.25 m 德國海瑞克土壓平衡盾構機施工。盾構隧道采用C50、P10鋼筋混凝土管片錯縫拼裝，彎螺栓連接，管片外徑6.0 m，內徑5.4 m，每環管片寬度1.2 m。該區間多次下穿既有建筑、高壓鐵塔、雨水管、電力管等設施，沉降控制標準較高。

1.2 工程地質及水文地質概況

根據巖土工程勘查報告(詳勘階段)資料，本工程位于北京平原地區，屬于第四紀沖洪積平原地貌，場地位于永定河沖洪積扇的中部，受古漯河和古金溝河故道控制。本區間范圍內的土層主要包括：雜填土，粉土填土，粉土，圓礫卵石層及卵石⑤層、卵石⑦層、卵石⑨層以及礫巖⑾層，隧道洞身高程在21.96～30. 98 m，盾構主要穿越卵石⑤層、卵石⑦層。根據同標段盾構井及暗挖段開挖揭露的地層情況為：卵石最大粒徑達600 mm，粒徑300 mm 以上的卵石每20 m約有2～3塊，一般粒徑100～300 mm，亞圓形，級配好，充填物為中粗砂，含砂量約40%。本標段區間盾構地質剖面見圖1，施工現場大粒徑卵石示意見圖2。

在勘察深度范圍內，揭露一層地下水，地下水類型為層間潛水，地下水位層間潛水水位位于隧道底板以下1～2 m，對盾構施工無影響。

圖1 西局站—六里橋站區間地質剖面

圖2 本標段盾構井及暗挖段開挖揭露大粒徑卵石

2 盾構掘進中的技術難點

砂卵石地層屬于力學不穩定層，其主要特性是結構松散，無膠結，呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、黏聚力為零，顆粒之間的傳力方式為點對點，圍巖體整體強度較低，但單個石塊強度高，在地層中起骨架作用[1-3]。因此，盾構在這種地層中掘進所受到的不利影響主要表現在以下幾個方面。

2.1 土壓平衡難以建立

加泥式土壓平衡盾構機施工原理：通過向盾構機密封倉內加入設定參數的泥漿漿液，并與掌子面切削后的砟土攪拌，形成不透水的塑流體，盾構在掘進過程中所設定的平衡壓力通過該塑流體傳遞到開挖掌子面上，保證開挖面穩定。在盾構掘進過程中，這種壓力在一面向前掘進一面向外排砟的過程中保持一定數值，形成一種動態平衡。然而由于砂卵石地層的特殊性質，其切削后的砂和卵石在土倉內分離，部分土體較易堆積在土倉下部而難以充滿整個土倉[4-5]。根據有關資料和施工經驗，加入一般的泥漿，密封倉內往往不能在全斷面上完全形成良好的塑流體，設定的工作壓力也不能完全順利地傳遞到開挖面，實現不了連續的動態平衡，很難維持土壓，且每日掘進后停機保養時，土倉壓力消散很快，從而引起對地層的較大擾動。本工程在初始掘進過程中上部土壓力在0.08～1.6 bar(1 bar=0.1 MPa)變化，基本無法建立真正的土壓平衡，推進速度很慢，推力很大，超挖很難控制。當上部土壓力為1 bar左右時，下部土壓達4～5 bar，導致膨潤土和泡沫劑也無法注入。

2.2 刀盤、刀具及土倉隔板的不均勻磨損

無水砂卵石顆粒之間摩擦阻力大，難以獲得良好的流動性，當切削下來的土充滿土倉和螺旋輸送機內時，刀盤扭矩、螺旋輸送機轉矩及千斤頂推力增大，刀盤切削土體時加劇了盾構機切削刀頭及面板的磨損；同時，砂卵石地層中石英砂等物質對刀具產生一定的磨耗磨損和卵石對刀具的撞擊損傷，也加快了盾構刀具及刀盤的損害[6]。

本標段工程盾構在初始推進100 m左右后出現無法正常排土，必須進行開倉。經過專家論證后，開倉發現，滾刀平均磨損20 mm，齒刀、邊緣刮刀以及單刃貝殼刀的合金塊碰掉嚴重，整個刀具磨損非常嚴重，大部分刀具需要更換，見圖3。同時，盾構在初始掘進100 m過程中因刀盤”卡死”開倉2次，開倉時發現在土倉內及刀盤進土口均形成泥餅，泥餅非常堅硬密實，有時需用風鎬才能破除，見圖4。

圖3 磨損后的滾刀

圖4 刀盤泥餅現象

2.3 盾構機推力及刀盤扭矩過大

盾構始發掘進時推力一般為13 000～17 000 kN，刀盤扭矩一般在180～250 bar，經常出現刀盤扭矩急劇上升到無法繼續掘進，盾構機長期處于超負荷工作狀態，導致推進時間延長，泡沫和膨潤土用量增大，甚至排出的砟土熱度較高[7]。

2.4 掘進速度無法保證

盾構始發掘進階段掘進速度只有1～10 mm/min，而且經常出現無掘進速度的現象，掘進1環耗時達6～10 h。

2.5 盾構推進姿態控制困難

由于無水砂卵石地層的塑流性差，設定的工作壓力不能很好地傳遞到開挖掌子面，很難控制開挖面的穩定，并導致無法正常出土，使大顆粒卵石滯留土倉內或向盾構機四周移動，無法確保盾構機位置和姿態控制，推進參數一旦掌握不好，盾構的姿態就會偏離設計軸線[8]。

2.6 螺旋輸送機磨損及抱死

在砂卵石層中掘進時，螺旋輸送機容易磨損，對于本工程的大粒徑卵石進入螺旋輸送機后，會對螺旋輸送機產生更嚴重的磨損，主要表現為螺旋機的磨損以及外部鋼圈的磨損；同時，在施工過程中，盾構螺旋輸送機會發生被“卡死”的問題。經過現場多次開倉發現，“卡死”的主要原因為大的卵礫石進入螺旋輸送機，將螺旋桿卡住，這種情況很難預防，因為進入螺旋輸送機前無法得知土倉內土體情況，只有在螺旋輸送機被抱死轉不動之后才能被發現[9-10]。

2.7 地表沉降難以控制

由相關參考資料和施工經驗可知，盾構施工期間在盾尾脫出前階段的地表沉降或隆起主要取決于土壓力大小，推進速度和推力大小，出土量及土體塑流性程度等因素。本工程由于地處砂卵石地層，土壓平衡無法建立，超挖現象難以控制，土體未較好地進行塑流化改造，導致了地表沉降較大，無法很好地控制。

3 施工對策

3.1 刀盤改造及優化

在砂卵石地層中，刀具的磨損形式主要包括石英砂對刀具產生的磨耗磨損和卵石對刀具的撞擊損傷。因此，為了更好地適應本工程的地質條件，盡量減少換刀次數，根據以往工程經驗[11]，在盾構掘進100 m左右后，人工挖孔至刀盤面板處對海瑞克盾構機原裝刀盤(圖5)進行了改造，具體為：對刀盤刀圈和所有齒刀均增設了耐磨層和硬質合金耐磨保護板，采用碳化鎢合金替代硬質欽合金鋼做為刀頭，更換了原裝21把滾刀，增加了17把貝殼刀、16把導流小齒刀以及16把周邊保徑刀，并將滾刀刃寬從18 mm增加到30 mm。改造后的刀盤見圖6。

圖5 海瑞克盾構機原裝刀具

3.2 土體改良

本工程在盾構始發掘進階段，先后各自使用了泥漿、泡沫劑及膨潤土等對土體進行改良，但是實踐證明單純用一種方法均無法將土體調成理想的流塑狀態，難以建立真正的土壓平衡，在盾構推進過程中仍然造成刀盤扭矩過大、掘進速度緩慢、土壓不穩定及易結泥餅的情況[12]，具體見圖7。因此，在后續的施工過程中著重分析砂卵石地層的力學特點及工程性質，根據砂卵石地層盾構開挖面的穩定性控制原理，經過大量的現場試驗，優化了泡沫劑類型，注入泡沫劑的種類，并向土倉內同時注入泥漿、泡沫劑、分散劑及發泡聚合物，具體如下。

(1)優化膨潤土注入參數，改用鈉基優質膨潤土，并調整了膨潤土的發酵時間及黏稠度，一般在每環掘進過程中，向土倉內注入5～7 m3發酵至少24 h以上黏稠度為 60 s的膨潤土。

(2)采取了多種改良材料共同對掌子面土體進行塑流化改良的措施，將以前單純的泡沫劑更換為SLF30+10%SLFP1型泡沫劑，同時加入了Rheosoil143發泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫劑，按照一定比例調配了泡沫劑的黏度、膨脹率及注入比，具體如下：

①1 kg砟土加入水后充分攪拌，使砟土的含水量達到35%～40%；

②取SLF30+10% SLFP1型泡沫劑溶液10 g配成3%～5%濃度的泡沫劑溶液；

③按體積比將砟土內摻入30%左右的泡沫，確保充分攪拌，加入的水與砟土和泡沫充分融合在一起呈流塑狀。

經過現場多次的調配，上述措施使砟土的性狀發生明顯的改變，砟土的黏性明顯降低，增加土體之間的黏聚力與流動性。

(3)向土倉內分別注入HHZ-Z高分子、HHZ-A分散劑溶液等發泡聚合物，使所注入的溶液充分混合，有效控制土倉內及刀盤進土口泥餅的形成，將泥餅對正常掘進的影響降至最低。

經過泡沫劑、分散劑及發泡聚合物改良后的土體見圖8。

圖7 未改良的土體

圖8 改良后的土體

3.3 盾構注漿

同步注漿：因刀盤開挖半徑為6.28 m，管片外徑為6 m，管片與開挖土體間存在空隙。在盾構掘進過程中利用其自身的注漿管進行同步注漿填充，注漿采用緩凝早強的惰性漿液，漿液單方配比(kg)為：水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶砂子∶水=70∶250∶75∶550∶300。

二次補漿：根據地面沉降數值，對沉降點較大部位進行二次補漿，補漿漿液比與同步注漿相同。

后期多次徑向補償式注漿：根據盾構施工地表沉降規律，為了更好地填充同步注漿空隙，對刀盤擾動的周圍徑向3～4 m的土體進行有效加固，減小隧道在施工過程中的沉降量，在管片脫離盾尾后進行多次注漿。注漿比例(體積比)：A液，90%；B液，10%。水玻璃濃度控制在19～21 Be′，A、B液的凝固時間控制在15～ 20 s。如表1所示。

表1 徑向補償式注漿液漿配比 kg

3.4 調整盾構掘進參數

通過對盾構機刀盤改造及土體改良后，根據施工現場統計，試驗掘進了10環之后，盾構上土壓力基本控制在0.8～1.2 bar，盾構刀盤油壓和螺旋輸送機油壓及總推力都降低了1/3左右，刀盤的扭矩由以前的250 bar降至140 bar，盾構掘進平均速度控制在25～40 mm/min，并且排土順暢，效果明顯，掘進速度由開始的3～5 m/d提升到現在的10～12 m/d，日平均掘進8～10環，確保了區間隧道的順利貫通。

4 結論

通過對本區間隧道砂卵石地層施工過程中對盾構刀盤及刀具的選取和優化及采用泥漿、泡沫劑、表面活性劑及其他高分子聚合物改良地層后，確保了開挖面的穩定，增加了砂卵石地層土體的塑流性和保水性，大大減輕了刀盤的磨損，且刀盤“卡死”與結泥餅現象發生頻率極少，地表沉降由初始掘進的無法控制到現在的沉降量10～15 mm，在安全可控范圍之內，為北京類似無水砂卵石地層盾構施工提供了成功范例。

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