富水砂卵石地層地鐵隧道盾構施工問題與處置措施

撒應群 （中國中鐵股份有限公司，北京 100039）

1 成都地鐵主要地質簡況

成都盾構隧道穿越的地層主要有粉土、細砂、卵石土（2-8）、密度不一的卵石層（3-8）和風化泥巖（5-2、5-3），以及卵石層與泥巖復合地層等。卵石地層中的卵石含量50%～85%，卵石粒徑從2cm～15cm，局部含漂石，粒徑達20cm，充填物為礫石、細砂或中砂；卵石地層富水時自穩差，但失水后具有一定自穩性。全強風化泥巖（5-2、5-3）呈半巖半土、碎塊狀，軟硬不均，遇水易軟化，容易形成“泥餅”。

成都位于岷江水系沖洪積區，根據區域水文地質資料，區內地下水季節性變化明顯，水位總體呈西北高東南低，沿河一帶高，河間階地中部低的特點。盾構隧道范圍以孔隙水和基巖裂隙水居多，滲透系數為18m/d～22m/d，屬于富水地層。

2 成都地鐵盾構施工的主要難點

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機在砂卵地層均可采用。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隧道穿越粘土和砂卵石地層，地面環境復雜，防沉降控制要求高；

②卵石地層盾構掘進困難，卵石地層難以切削，且攪拌阻力大，卵石進入土倉后，建立土壓掘進時刀盤扭矩高，達到設備扭矩極限時就容易卡刀盤，甚至刀盤旋轉跳閘；

③刀盤刀具磨損快，開倉檢查且換刀困難；

④部分地段為粉質粘土，易形成泥餅；

⑤富水砂卵石地層渣土改良困難，容易出現噴涌現象。

3 工程的主要應對措施

3.1 應對措施理念主要貫穿三點

①盾構在卵礫石地層的要能夠建足土壓掘進，確保地層不坍塌，地表不發生異常沉降。

②刀盤開口和渣土改良適宜，滿足砂卵石、泥巖地層的順利掘進和防結泥餅的需要。

③刀盤、刀具和螺旋輸送機有足夠的強度和良好的耐磨性，不易出現異常損壞，盡可能長距離不換刀。

④優先采用降水常壓換刀措施，降水過程做好地層加固處理，減少地下水流失和有效控制地面沉降。

3.2 提高主驅動大扭矩的措施

由于卵石土、稍密、中密砂卵石地層的不自穩或空洞的存在，盾構掘進擾動時容易出現地表異常沉降或地層坍陷。刀盤刀具以沖擊剝離或刮切方式使卵石層掉落，刀盤切削力矩很大，對于密實度不同的地層，隨著貫入度的加大，切削扭矩上升較快，在失水性致密砂卵石地層（3-8-4）中表現尤為突出。通過停止推進測試，攪拌摩擦力矩在2000～3000kN·m左右，平均切削力矩在1500～2000kN·m左右；碴土改良至漿狀，土倉頂部壓力約為0.5bar時，刀盤扭矩可達到4000kN·m左右。如果壓力升高至0.7～0.9bar，所需扭矩達5000～5500kN·m左右。

由于成都主要地質為砂卵石層，易發生刀盤被卵石卡住的現象，因此在盾構中采用液壓驅動。主驅動采用9組液壓馬達驅動，驅動功率945kW，額定扭矩6650kN·m（扭矩系統26.8），脫困扭矩8100kN·m，可以滿足在對扭矩要求較高的地層中掘進；最高轉3.35r/min，可以滿足在風化巖中較快轉速的掘進要求。

3.3 盾構出渣的約束條件及防結泥餅應對措施

為確保卵石不堵塞或卡死螺旋輸送機，使盾構能夠在砂卵石地層順利掘進，刀盤的開口尺寸是制約卵石排出的主要約束條件。

為使盾構能夠在砂卵石地層順利掘進，采用四輻條加強面板形式刀盤，開口率36%（中心38%)。對刀盤進渣通道采取前小后大或倒喇叭型，在滿足刀盤強度的同時，進渣土通道盡量縮短，使渣土順利快速進入土倉，減小刀盤結泥餅的概率。刀盤開口率大能夠將土倉壓力更有效的傳遞到開挖面，配合大扭矩形成土倉壓力，避免開挖面坍塌；同時減少面板面積和擠壓碴土的數量，降低刀盤摩擦力矩和對刀具的二次磨損；能夠在螺旋輸送機通過粒徑范圍內，向土倉排放剝落的卵石，減少刀具的荷載，延長其使用壽命；可以減小刀盤中心結泥餅的概率。

此外，刀盤背部安裝4根主動攪拌棒和前盾隔板4根被動攪拌棒，能較好的對土倉渣土進行攪拌，提高渣土的流動性和螺旋機出渣效率，防止土倉結泥餅。在隔板上同時安裝了3個高壓水沖刷口，可對土倉中心部位的渣土進行沖刷，防止土倉中心產生泥餅。

3.4 刀盤、刀具和輸送系統配置及防磨損措施

整個刀盤盤體及刀體本身直接與卵石接觸，卵石對刀具、刀盤盤體、螺旋輸送機葉片和筒體內壁都發生磨損。刀盤采用四支撐，通過圓環形法蘭與主軸承連接，土倉中心隔板固定并安裝有攪拌棒和中心沖刷裝置，采用四輻條加準面板形式刀盤，開口率36%（中心38%)，能夠有效防止土倉中心泥餅或堵倉產生。刀盤面板設計成耐磨復合鋼板+耐磨網格，刀盤外圈梁焊有耐磨合金進行保護。

表1

刀具配置上采用加厚加大刀圈的滾刀、與滾刀同軌跡的焊接撕裂刀、寬重型刮刀立體布置形式。刀箱通用，可安裝可更換撕裂刀、單刃及雙刃滾刀。

根據成都富水砂卵石層施工經驗，宜采用軸式螺旋輸送機，是因為成都地鐵卵石層均位于水位線下，局部有承壓水。螺旋輸送機內徑800mm，最大通過粒徑290×560mm，盾構出土口設置2個出渣閘門，交替開啟以降低噴涌壓力。預留了膨潤土和高分子聚合物注入接口，必要時，可向土倉壁和螺旋機內注入膨潤土或高分子聚合物，以緩解螺旋機的噴碴壓力。設置保壓泵接口，必要時可聯接泥漿泵或泥漿管，緩解噴碴壓力。螺旋機軸可伸縮，伸縮量800mm。在螺旋軸前端葉片上焊裝有耐磨塊，在螺旋機前端筒體加裝可更換的耐磨板。通過以上措施，刀盤面板耐磨并防泥餅產生，刀具便于更換和耐磨，螺旋輸送機耐磨防噴涌。

為降低推進阻力減少刀具的磨損，可調整土倉壓力實施適當的欠壓推進。欠壓推進可有效減少刀具的磨損率及設備能耗，同時亦可提高掘進速度和減少刀盤固結泥餅出現的因素、降低渣土改良的成本。

3.5 渣土改良措施

渣土改良做為盾構施工中一個重要的環節，尤其對提高盾構掘進效率以及控制地面沉降有較大的影響。渣土改良技術應用的好壞，對降低工程造價、提高工程施工進度都有著決定性的作用。

配備4路單管單泵泡沫系統進行渣土改良，不因出口壓力不等而堵管。前盾及中盾共設計有12個殼外膨潤土注入口。泡沫和膨潤土管路獨立，可同時注入到刀盤前部，利用刀盤的旋轉進行充分的攪拌，能達到更好的渣土改良效果。

通過多次試驗發現，采用膨潤土溶液+泡沫。溶液對成都富水砂卵石地層的改良效果較好，改良出來的渣土具有較好的流塑性、止水性，盾構的各項掘進參數均控制較好，為成都富水砂卵石地層的掘進提供了一項新的渣土改良技術。

3.6 同步注漿及二次注漿系統措施

同步注漿是地表沉降控制的第二道防線，一般而言，在出土正常、同步注漿正常的情況下，地表沉降都能得到有效控制，除防止地表沉降外，同步注漿液還有增強防水和限制管片變形的作用。

為有效地對頂部空洞進行回填，盾尾頂部增設2根內置注漿管，盾尾注漿管共有6根，注漿時根據是否超挖情況，調整泵出口管路聯接位置進行作業，可直接對頂部空洞進行回填。為了及時補充注漿效果，防止地表沉降及管片上浮，在盾構上設置管片背部二次注漿系統。

3.7 結合不同的地層變化，采用適宜的掘進參數

盾構在成都地鐵掘進施工主要參數統計見表1。從表1中可以看出，盾構在成都地鐵隧道各地層適應性表現良好，在各類型地層掘進表現在粘土和泥巖地層能建立平均0.8～1.0bar土壓掘進，扭矩平均3500kN·m,掘進速度平均55mm/min，地表正常；在泥巖與卵石復合地層掘進時，能建立0.9bar的平衡壓力，扭矩在4000kN·m左右，掘進速度50mm/min，地表沒有異常沉降；尤其在砂卵石地層掘進時，能夠建立0.6～0.9bar的土倉平衡壓力，刀盤扭矩4000～4800kN·m，局部在密實砂卵石地層、大粒徑卵石區最大也有6000kN·m，掘進速度達到30～50mm/min，地表無異常沉降。

4 工程效果

成都地鐵盾構經過1、2號線及目前已經開始的延長線和3、4號線各區間的掘進，普遍形成的正常工況如下：

①刀盤扭矩約在3500～5000kN·m之間，轉速約在1.0～1.5r/min之間；

②盾構推力約在800～1400t之間，推進速度約在30～55mm之間；

③土倉頂部壓力約在0.6～0.9bar之間；

④渣土改良普遍以泡沫+膨潤土添加為主，必要時土倉和刀盤中心加水沖刷；

⑤刀具經過優化，換刀距離從最開始的100m進步到目前500m以上；

⑥砂卵石地層采取同步注漿+二次補注漿方式，更利于控制地層沉降；

⑦砂卵石地層優先采用降水換刀，減低安全風險和工程成本。

5 施工環境控制措施

施工環境主要體現在控制地面沉降和地表塌陷，避免對現有建構筑物和道路管線造成危害。控制地面沉降和地表塌陷的措施應從洞內施工過程參數控制和地表處理等兩個方面考慮。

據試驗段的施工經驗，在未擾動時采取地面注漿根據地層的致密程度一般會出現兩種情況：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5m～6m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，通過計算如掘進進尺與出渣量不平衡立即通過鉆孔灌砂以減少和延緩地面沉降；待盾構盾尾通過后及時補充灌砂并進行壓力注漿。

6 結 論

①渣土改良、噴水涌砂、設備消耗和施工環境安全是其應解決的最主要難點。

②盾構機的出渣能力是其在砂卵石地層中施工是否適應的關鍵，出渣能力可以通過約束條件的改變和刀具的選型和布置來改善和提高。

③刀盤、刀具、螺旋輸送機的耐磨性是制約盾構能否順利施工的關鍵，如何提高其在砂卵石地層中耐久性是控制施工成本和施工安全應解決的首要問題。

④所有地鐵工程線路一般是城市的中心，安全風險高，社會影響大，工程施工環境的控制是盾構在砂卵石地層施工中必須考慮的主要因素。

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