穿越泥巖地層的泥水平衡盾構推進技術與實踐

徐文平

【摘 要】盾構機在泥巖地層掘進時，會出現刀盤結泥餅、泥水滯排、刀盤扭矩大、掘進速度慢等一系列不利于施工的困擾，為解決上述問題，提高泥水盾構機在泥巖地層的適應性，文章以南寧市軌道交通3號線青市區間盾構施工為例，介紹了對泥水平衡盾構機采取針對性的優化改造，并加以相應的管控措施后，取得較好實施效果，為類似工程提供參考。

【關鍵詞】泥水平衡；泥巖地層；適應性改造；盾構推進技術

【中圖分類號】U455.43 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0153-04

0 前言

盾構機在泥巖地層掘進時[1]，會出現盤結泥餅、泥水滯排、刀盤扭矩大、掘進速度慢等一系列不利于施工的困擾，為解決上述問題，提高泥水盾構機在泥巖地層的適用性，本文以南寧市軌道交通3號線青市區間盾構施工為例，介紹了在施工中對泥水平衡盾構機進行優化改造的過程，以及采取了相應的管控措施后，取得了較好的實施效果。

1 工程概況

1.1 項目概況

本項目為南寧軌道交通3號線青秀山～市博物館站（原博藝路站）區間（簡稱青市區間），左、右線盾構下穿邕江段施工。側穿南寧大橋，穿越邕江河道段的樁號范圍為YCK21+126.66（青環路）～YCK21-846.38（龍堤路），穿越段線路長719.72 m。穿越邕江最低河床高程為46.6 m，對應的隧道頂部高程為38.2 m，埋深最小為8.4 m。

1.2 掘進地質條件

根據地質資料文獻[2]揭示，青市區間左右線穿越地層相對復雜，既存在全斷面粉砂質泥巖⑦1-2、⑦1-3、⑦2-3，也存在⑤1-1圓礫層、⑦1-2粉砂質泥巖、⑦1-3泥巖、粉砂質泥巖、⑦2-3粉砂巖、泥質粉砂巖等的復合地層。其中，穿越邕江段洞頂8～10 m范圍內，主要為不透水泥巖或者粉砂巖。

2 設備適用性改造

根據青市區間的地質特點，結合已竣工南寧軌道交通1號線白蒼嶺站—火車站區間的施工經驗[3]，針對結泥、滯排等情況，在始發前對盾構機進行了相應的改造，以達到盾構施工最佳效果。具體改造情況如下。

2.1 泥漿循環系統改造

（1）增設泥漿沖刷泵。①新增泥漿沖刷泵的主要參數：泥漿泵流量為500 m3/h；電機功率為132 kW；泵出口壓力為5.5 Bar；轉速為980 n/min。②新增泥漿沖刷系統。該系統與原泥漿循環系統互相獨立，可通過開關泥漿管路上的球閥相互切換，根據需要沖刷碎石機、刀盤、泥水艙泥漿門及P2.1泵。具體改造方案如圖1所示。

（2）刀盤沖刷改造。改進沖刷刀盤沖刷管路孔，主要是泥漿管將延長至刀盤中心附近，達到沖刷效果。刀盤注水孔、沖刷管置示意圖如圖2所示；刀盤沖刷噴口現場改造情況如圖3所示。

（3）鄂式碎石機增設攪拌樁。在鄂式碎石機部位增加1套攪拌樁（左右各焊接1根），用來攪拌碎石機前方的積渣，便于排漿排渣。攪拌樁尺寸為200 mm×150 mm×100 mm。碎石機鄂攪拌樁焊接圖如圖4所示。

2.2 刀盤改造及刀具配置

（1）增加攪拌樁。①在刀盤上對稱焊接2根攪拌樁，增加泥漿門攪拌范圍，防止泥漿門處積渣，使出渣順暢（如圖5所示）。②攪拌樁焊接情況如圖6所示。

（2）增設焊接撕裂刀。在刀盤面板焊接部分撕裂刀，為每把滾刀或撕裂刀配置一把焊接撕裂刀，焊接撕裂刀與滾刀或撕裂刀的運行軌跡相同。焊接撕裂刀高出刀盤面板160 mm。刀盤配置及焊接撕裂刀布置情況見表1。

3 施工管控措施

3.1 掘進地層動態跟蹤

（1）每天在平、縱面相應位置標注盾構機機頭和機尾的位置，查清地質和地面建（構）筑物。

（2）每天在泥漿處理設備進行渣土取樣，并對照勘察結果，判斷地質對盾構施工的影響。

（3）對圓礫層、軟硬不斷地層、泥巖都要提前預警分析。

（4）理清線路上建（構）筑物平面關系、垂直距離，以指導盾構掘進模式、土壓力設置。

3.2 掘進參數動態調整

（1）每天密切關注盾構推力（鉸接壓力要疊加計算）、盾構扭矩、盾構刀盤轉速及盾構掘進速的參數變化，結合地質、土壓及掘進速度的變化，研判參數正常與否。

（2）始發階段，推力控制以保障反力架不發生變形、位移為控制指標，盾構推力控制在1 100 t，分區推力不宜過大。

（3）推力不斷變大，而速度不斷下降，扭矩不斷增大或變小時，要分析原因，找到對策。

（4）根據不同的地層及更換刀具情況，設定不同的刀盤轉速，如在軟土地層常設定為0.5～1 rpm；而全斷面泥巖層中，經常控制在1.0～1.5 rpm。更換新刀具后，都宜放慢刀盤轉速，避免刀具撞擊損壞。

（5）通過貫入度的公式，明確掘進速度與刀盤轉度的關系[貫入度=掘進速度（v）/刀盤轉速（w）]。貫入度大時，減少渣土中磨蝕礦物接觸滾刀的時間，降低滾刀磨損量。

（6）判斷掘進的“有效推力”參數。同時，關注分區推力，并分階段地增加，避免偏壓或壓力集中損壞成型的隧道管片。

（7）掘進和糾偏過程中，對千斤頂行程參數檢查，分析上下左右4組千斤頂行程記錄。若發現行程差過大，要根據姿態情況和盾尾間隙、線路情況進行綜合分析。

3.3 注漿量及注漿壓力控制

盾構工程既可采用盾構自帶的注漿系統進行同步注漿，也可以在盾構機上增加1套補充注漿，利用管片注漿孔進行注漿。

（1）盾構隧道注漿時，要保證壁后空隙充填密實，注漿量充填系數宜為1.3～2.5。采用注漿量和注漿壓力2個參數控制填充效果。

（2）注漿易出現如下幾個方面的異常：①注漿量很大而壓力很小，這時要檢查盾尾和土倉是否“跑漿”，此刻應立即停止注漿，尤其要預防水泥凝結卡住刀盤。②注漿量很大而壓力很小，結合地勘的溶洞發育情況，要放慢掘進速度，增加注漿量，直到注漿壓力達到設定恒壓。③注漿壓力不斷上升但注漿量很少，則可能已堵管，需及時清管，更換已沉降初凝砂漿。④要控制最大注漿壓力，注漿壓力不宜大于理論隧道埋深水土壓力的1.2倍，防止注漿壓力擊穿盾尾密封，破壞隧道永久結構。

（3）在易發生管片上浮的盾構施工中，宜在盾尾3～5環進行整環補充雙液注漿，有效控制噴涌和上浮問題。

3.4 泥水加壓及泥水管理

3.4.1 切口水壓設定

在泥水加壓式盾構施工中，用泥水壓力使開挖面與作用在開挖面上的土壓保持平衡，水壓與開挖面上含水土體的重力和土的內摩擦角大小有關。切口水壓設定為自然狀態下盾構機頭部2/3高度處的水土壓力加0.01～0.02 MPa。

3.4.2 切口水壓確定及修正

工程開工前，在多個地點進行土質和地下水調查，預先決定每個地點的設定切口水壓。此外，還應對開挖面狀態予以考慮，并做相應的修正。

3.4.3 泥水性能管理

泥水材料拌制泥漿前，根據地層情況進行泥漿配合比的設計，調節其比重、黏度、塑變值、膠凝強度、泥壁形成性、潤滑性，使其成為可塑流體，以保持開挖面穩定的同時，將切削下來的渣土形成泥水并運往地面。

3.5 盾構掘進線路軸線和姿態控制

盾構掘進過程中軸線偏離設計軸線不得大于+50 mm；盾構垂直和水平偏差相鄰環變化應控制在5 mm范圍內為宜，以確保成型隧道平整度。盾構前體、中體及盾尾之間趨勢控制在0.4%的范圍內，避免糾偏困難。

3.6 盾構掘進施工監測控制

沿隧道線路軸線每5 m布置一個監測點，每隔25 m水平方向不少于5個監測斷面，并對建（構）筑物各角布置監測點。盾構掘進中，對盾構刀盤前后50 m線路范圍內的測點進行監測。盾構正上方的測點在施工過程中沉降控制±5 mm為宜，通過后地表沉降量應控制在+10～-30 mm。

3.7 隧道管片拼裝質量控制

每天巡查，控制隧道成型管片的質量，填報《盾構施工工程師日報表》形成盾構施工記錄。記錄每環隧道管片錯臺、破損、裂紋及滲漏的位置和狀況，并在日報表中對質量問題進行分析，提出預防的對策。

4 實際施工問題及處理

4.1 盾構機姿態偏差過大

4.1.1 情況簡述

盾構機掘進至461環開始持續向左偏轉，474環開始刀盤向左位移較大，最大位移17 mm/環。此外，根據盾構掘進姿態及管片成型姿態進行對比，除467、469環與盾構機盾尾姿態較吻合外，其余成型管片姿態在脫出盾尾后均不同程度地向右偏移，最大達到50 mm。該區域地表為江濱公園與邕江河堤交界區域，為江濱公園綠化草坪，邕江沿岸岸堤，無建筑物，地面空曠。

掘進該區域縱斷面主要為⑤1-1圓礫層、⑦1-2粉砂質泥巖復合地層，埋深30.3 m，盾構掘進壓力為2.8 bar。

4.1.2 原因分析

盾構機姿態出現偏差后對其周邊地質、線路、刀具磨損、盾構機自身情況及管片選項等進行分析，得出如下結論。

（1）根據偏移段地質資料（如圖7所示）揭示，該區域地質由全斷面圓礫層⑤1-1向圓礫泥巖復合地層轉變，且泥巖橫斷面存在“左低右高”結構面，盾構機向左轉彎難度較大。

（2）根據設計線路顯示，該區域線路平面位弧形（左轉彎R450 m），縱斷面方向為“V”形變坡點（30‰與2‰變坡），空間組合曲線導致盾構機左轉彎姿態，盾構機轉彎偏移量跟不上左轉趨向。

（3）盾構機刀具有一定的磨損。根據本線路274環帶壓進倉更換刀具情況，盾構刀具磨損非常嚴重。本次掘進區域主要為圓礫、泥巖、泥質粉砂巖等復合地層，刀具磨損導致盾構機開挖空間減小，在上述2個原因作用下更難以調整。

4.1.3 糾偏處置

分析原因后，采取了調節盾構機調壓閥、增加輔助泵及合理選擇管片選項等措施，通過增加左側推進壓力、增加左側同步注漿量、盾尾管片二次注漿加固、降低管片與盾構機之間夾角等措施進行姿態調整，于382環開始，盾構機姿態與盾構管片走向基本趨于一致。

此外，通過參數判斷刀具有一定磨損，為確保邕江邊施工安全，在470～475環（全斷面粉砂質泥巖地層）進行進倉更換刀具。

4.2 下坡段盾尾漏漿

4.2.1 情況簡述

線路下坡段處于圓礫富水地層，該區域線路豎向坡度30‰且向左以半徑450 m轉彎，出現了盾尾漏氣、漏漿情況。

4.2.2 漏漿原因分析

（1）同步注漿壓力過大或掘進過程中盾尾油脂量不足導致漏漿。

（2）氣倉及土倉可能串氣，導致氣體進入土體的壓力過大，從而漏氣、漏漿。

（3）管片拼裝未跟上盾構機姿態變化，盾尾間隙過大導致漏漿。

4.2.3 處理措施

（1）加強對注漿壓力的管控并及時記錄。

（2）每環注入足量油脂，以保障盾尾密封效果，管片拼裝成后掘進前以大于注漿壓力先注入油脂，最后一道盾尾刷壓力大于注漿壓力2 bar。

（3）合理的管片選型能確保盾尾間隙大小均勻。

（4）調整同步砂漿配比，加快凝結時間。

（5）盾尾漏漿持續發生時，停機堵漏，同時做好抽水措施確保及時排水。具體如下：①在盾構機內部盾尾處涂滿油脂，并沿著盾構機與管片之間填充盾尾間隙。②注入雙液漿進行管片壁后封堵。③在相鄰盾尾最近的管片注漿孔注入聚氨酯進行封堵，以形成隔水層。

5 結語

南寧軌道交通3號線青市區間目前已順利貫通。根據前述實例，針對以泥巖為主的穿越地層，應根據地層情況，對盾構機進行相應的改造，并結合施工現場實際出現的問題，動態調整管控措施，以達到安全順利施工的目的。

參 考 文 獻

[1]曾垂剛.泥巖地層中泥水盾構掘進施工技術[J].建筑機械化，2017（6）：48-52.

[2]寇寶慶，趙鄢鵬，張華芬，等.泥水平衡盾構機復合破碎模式改造技術[J].油氣儲運，2017（9）.

[3]張海彬.泥水平衡盾構機泥巖地層適應性優化改造探索[J].山西建筑，2017，43（19）：151-152.