杭州地鐵汽高區(qū)間全斷面圓礫層承壓水條件下盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

高廣沂

摘要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)體系越發(fā)穩(wěn)定的今天，國(guó)內(nèi)地鐵系統(tǒng)的建設(shè)速度不斷提高。國(guó)內(nèi)各地幾乎都在興建地鐵項(xiàng)目，眾多且復(fù)雜的地質(zhì)問題成為了地鐵建設(shè)最大的挑戰(zhàn)。杭州地區(qū)屬于具有高壓縮性、低承載力、高靈敏性及高觸變性的淤泥質(zhì)黏土層。但在周邊區(qū)域，出現(xiàn)了具有承壓水作用的全斷面圓礫地層，隔水層為上覆的淤泥質(zhì)土及下臥風(fēng)化基巖層，主要特點(diǎn)為圓礫石粒徑級(jí)配差且夾雜粘土，承壓水層總厚度較大且水力聯(lián)系密切。從當(dāng)前全國(guó)施工經(jīng)驗(yàn)來看屬于盾構(gòu)不適合施工地層，目前在杭州地區(qū)對(duì)全斷面承壓水圓礫地層研究成果較少。本文以杭州地鐵為例，針對(duì)杭州全斷面圓礫地層勘察研究成果，并借助于南寧、成都在相似地層的施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本工程特點(diǎn)，總結(jié)了從盾構(gòu)機(jī)選型、刀具配置、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良、沉降控制及端頭加固等方面措施，以便為更多業(yè)界人士作業(yè)提供思路上的支持。

Abstract： Today， as China's economic system becomes more and more stable， the construction speed of the domestic subway system continues to increase. In almost all over the country， subway projects are under construction， and numerous and complex geological problems have become the biggest challenges in subway construction. The Hangzhou area belongs to silty clay layer with high compressibility， low bearing capacity， high sensitivity and high thixotropy. However， in the surrounding area， a full-section boulder formation with confined water appears. The water-proof layer is overlying muddy soil and beneath weathered bedrock layer. The main feature is that the grain size of the conglomerate is poor and the clay is mixed and the total thickness of the confined water layer is large and the hydraulic connection is close. Judging from the current national construction experience， the shield is not suitable for construction strata. At present， there are few research results on the full-section confined water conglomerate stratum in Hangzhou. This article takes the Hangzhou Metro as an example， based on the survey and research results of Hangzhou's full-section gravel strata， and with the help of the construction experience of Nanning and Chengdu in similar strata and combined with the characteristics of this project， summarizes the? measures， such as， the selection of shield machine， tool configuration， driving parameters， slag improvement， settlement control and end reinforcement， which provides thought support for more people in the industry.

關(guān)鍵詞：地鐵項(xiàng)目;承壓水圓礫層;盾構(gòu)機(jī)選型;泡沫氣泡;地面沉降;端頭加固

0? 引 言

國(guó)內(nèi)很多城市近些年都在修建地鐵項(xiàng)目，尤其是一線、二線城市更是幾乎都有地鐵工程。在國(guó)內(nèi)地鐵數(shù)量、地鐵規(guī)模不斷增長(zhǎng)的今天人們意識(shí)到，不同地區(qū)的地質(zhì)需要用不同的施工思路才能夠保障安全。地鐵項(xiàng)目本身就是地下工程，施工單位需要在地下環(huán)境作業(yè)。而面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，如果缺少合適、合理的施工技術(shù)將會(huì)遇到很大的施工問題，尤其是質(zhì)量問題和安全問題。面對(duì)這樣的背景就需要用到盾構(gòu)施工方法，提高施工安全性和質(zhì)量。

1? 杭州地鐵全斷面圓礫承壓水地層工程地質(zhì)及水文條件

1.1 工程概況

杭州至富陽(yáng)城際鐵路工程土建施工SGHF-7標(biāo)汽車北站～高教路站區(qū)間左、右線全長(zhǎng)1118.031m。區(qū)間最小平曲線半徑3000m，縱坡為“人”字坡，最小縱坡4.37‰，最大縱坡6.5‰，隧道頂覆土約6.5～10.16m。區(qū)間左、右線各設(shè)一組曲線半徑為3000m的圓曲線。區(qū)間管片為外徑6000mm、內(nèi)徑5400mm、環(huán)寬1200mm，設(shè)有“凹凸”榫槽結(jié)構(gòu)形式。

1.2 工程地質(zhì)

經(jīng)地質(zhì)勘察查明，在盾構(gòu)區(qū)間鉆探揭露深度范圍內(nèi)，區(qū)間盾構(gòu)段隧道主要穿越圓礫層，上部局部為淤泥質(zhì)粘土層，下部局部為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化風(fēng)化巖層。 圓礫層的構(gòu)成和特征分述如下：

灰黃、褐黃色，飽和，密實(shí)，卵礫石含量50～60%左右，粒徑一般為0.2～4cm，個(gè)別大于8cm。磨圓度較好，多呈亞圓形、橢圓狀，原巖巖性一般為石英砂巖、凝灰?guī)r、花崗巖及其他碎屑巖類為主，粘粒含量6.5%，充填物具粘著性，土體級(jí)配差，分選性差。鉆進(jìn)時(shí)鉆桿激烈跳動(dòng)，伴有聲響，采用直徑為89mm合金鉆頭鉆進(jìn)速率一般4～10min/m。整個(gè)場(chǎng)地都有分布。

1.3 水文條件

根據(jù)區(qū)間水文地質(zhì)資料及鉆探揭露：勘探深度范圍內(nèi)地下水類型主要可分為孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。孔隙潛水主要賦存于淺（中）部填土層、粘性土、粉土及淤泥質(zhì)土層中，受大氣降水與地下同層側(cè)向徑流補(bǔ)給，以豎向蒸發(fā)及地下同層側(cè)向徑流方式排泄;承壓水主要分布于中下部的粘土混圓礫、圓礫、卵石中，含水層總厚度較大。各含水層之間水力聯(lián)系密切，水量較豐富。本區(qū)間圓礫層水平及垂直滲透系數(shù)Kh/V=（8000）×10-6cm/s，具有較強(qiáng)的透水性，對(duì)盾構(gòu)施工影響較大;基巖裂隙水埋藏于第四系土層之下，主要賦存于下部基巖風(fēng)化裂隙內(nèi)，水量相對(duì)微弱，對(duì)施工影響較小。

2? 圓礫承壓水地層施工重難點(diǎn)

2.1 上軟下硬姿態(tài)難控制，易產(chǎn)生地面沉降甚至坍塌、管片破損及盾構(gòu)機(jī)損壞

該區(qū)間部分地段存在上軟下硬復(fù)合地層，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)受其影響，姿態(tài)極難控制，管片易產(chǎn)生上浮造成管片破損;同時(shí)圓礫石粒徑級(jí)配差，自穩(wěn)性較差，易產(chǎn)生刀盤前方地面沉降且管片拼裝后沉降難以控制，造成地面沉降甚至坍塌。

2.2 承壓水圓礫地層渣土改良不易控制，易造成螺旋噴涌

該區(qū)間含承壓水富水圓礫層滲透系數(shù)大，地下水位較高。若掘進(jìn)過程中參數(shù)控制不當(dāng)易產(chǎn)生噴涌等滲透變形現(xiàn)象，盾構(gòu)施工時(shí)發(fā)生螺旋噴涌，影響施工效率，處理不當(dāng)可能會(huì)造成地面沉降過大甚至地面塌陷。

2.3 長(zhǎng)距離掘進(jìn)圓礫及風(fēng)化巖層，易造成盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具及螺旋機(jī)磨損及刀盤結(jié)泥餅

該區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越地層主要為圓礫層、全風(fēng)花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，由于圓礫層粒徑級(jí)配的不均勻性，長(zhǎng)距離掘進(jìn)易對(duì)刀盤、刀具及螺旋機(jī)造成磨損。且在圓礫層中不具備常壓換刀的條件，分化巖層易產(chǎn)生刀盤結(jié)泥餅，對(duì)施工影響很大。

2.4 圓礫地層高壓旋噴樁加固質(zhì)量效果差，易造成洞門涌水涌砂

由于大部分端頭加固主要采用素墻（連續(xù)墻）+旋噴樁加固進(jìn)行加固。根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察表明，該區(qū)間含承壓水富水圓礫層滲透系數(shù)大，地下水位較高，旋噴樁在該類地層中施工無法實(shí)現(xiàn)有效的土體切割，部分土體無法被水泥漿置換，使成樁直徑縮小，加固質(zhì)量下降，同時(shí)，汽車北站南端頭中風(fēng)化花崗巖施工地墻難度大。故該區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)接收極易產(chǎn)生洞門涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，甚至造成地面坍塌。

3? 全斷面圓礫地層承壓水條件下盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及措施

3.1 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性選型及刀盤刀具選擇

3.1.1 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性選型

該區(qū)間部分地段存在上軟下硬復(fù)合地層，巖層強(qiáng)度達(dá)到20MPa以上，優(yōu)選了復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。施工選用的盾構(gòu)機(jī)適合于富水卵石、漂石、軟硬復(fù)合地層、全斷面巖層，滿足本區(qū)間地質(zhì)情況要求。盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為6480mm，最小掘進(jìn)半徑250m，最大掘進(jìn)坡度50‰，刀盤開口率為38～40%，螺旋機(jī)設(shè)雙閘門結(jié)構(gòu)，可以很好的適配于此地層掘進(jìn)施工。

3.1.2 刀盤刀具選擇

該區(qū)間圓礫地層占比達(dá)到65%左右，風(fēng)化巖層占比達(dá)到25%左右，粒徑小的圓礫及淤泥質(zhì)土層主要以撕裂刀剝落方式切削，粒徑大的圓礫及風(fēng)化巖層以滾刀擠壓破碎方式切削。盾構(gòu)掘進(jìn)通過刀盤切削地層擠壓剝落為主，滾刀的破巖機(jī)理是擠壓剝落破巖;在刀圈擠壓力作用下，使刀圈兩側(cè)巖石產(chǎn)生剪切裂紋而破壞。

本工程選用的刀盤基本結(jié)構(gòu)為輻條面板式，4個(gè)主輻條+4個(gè)次輻條+8個(gè)面板結(jié)構(gòu)，刀盤開口率為38～40%，可安裝滾刀，滾刀的刀座可實(shí)現(xiàn)滾刀與撕裂刀更換。同時(shí)具備刀具磨損探測(cè)功能。刀盤本體全部采用Q690高強(qiáng)度合金鋼焊接，其中刀盤法蘭整體采用鍛造件，提高了刀盤的強(qiáng)度和剛度。

本工程選用的刀具中心區(qū)配備4把中心雙聯(lián)重型撕裂刀、正面區(qū)及邊緣區(qū)配備35把單刃重型鑲齒滾刀（高度165mm）、64把刮刀和16把邊緣刮刀、8把焊接保徑刀。

本區(qū)間部分穿越為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖，且需穿越4道地連墻，采用重型鑲齒刀圈滾刀。重型鑲齒滾刀主要靠硬質(zhì)合金來保證破巖，母材沖擊韌性遠(yuǎn)高于刀圈，可以保證刀圈的沖擊韌性，鑲齒刀圈上合金釘會(huì)切入開挖掌子面，增大滾刀與開挖掌子面的摩擦力，提供滿足滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩;合金耐磨性遠(yuǎn)高于普通刀圈材質(zhì)，延長(zhǎng)了刀圈的耐磨損時(shí)間，大大增加了滾刀的使用壽命，減少了換刀次數(shù)，降低了施工成本。

本區(qū)間地層主要為圓礫層為主，重型撕裂刀具有良好的貫入能力同時(shí)還有耐撞擊能力，刀具采用刃口位置倒圓角的大合金形式，兩側(cè)采用大合金形式，具有較強(qiáng)的抗沖擊性能及耐磨性，也可適用于抗壓強(qiáng)度較低的全、強(qiáng)風(fēng)化巖的破碎及軟硬土層的掘進(jìn)。針對(duì)區(qū)間地層粉質(zhì)黏土、圓礫為主對(duì)刀具磨損較嚴(yán)重的問題，刀盤外周位置易磨損，設(shè)置8把保徑刀進(jìn)行保護(hù)。

3.2 渣土改良

3.2.1 泡沫劑等化學(xué)材料的渣土改良

渣土改良是防止噴涌的有效措施，渣土改良的主要方法是泡沫劑使用，同時(shí)應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)情況，必要時(shí)使用高分子聚合物配合泡沫劑一起使用，將圓礫層中的小顆粒物質(zhì)膠結(jié)懸浮，填充圓礫之間的空隙，阻礙涌水通道，能起到很好的防噴涌效果。

3.2.2 空氣與泡沫劑形成的“氣泡”作用

盾構(gòu)掘進(jìn)中往土倉(cāng)注入一定量的氣體與泡沫劑作用，可形成“泡沫氣泡”，在實(shí)際施工中應(yīng)充分并重視“泡沫氣泡”的作用。在汽高區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，“泡沫氣泡”占整個(gè)土倉(cāng)壓力的80%左右，既可以形成比較穩(wěn)定的土倉(cāng)壓力，又可以改善圓礫渣土的和易性和流動(dòng)性，并在一定程度上減少了圓礫對(duì)刀盤的沖擊，減少了盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)泥餅及螺旋機(jī)噴涌，對(duì)整個(gè)承壓水圓礫層掘進(jìn)施工起到至關(guān)重要的作用。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)推進(jìn)涉及到的參數(shù)影響盾構(gòu)施工較大的主要參數(shù)是土倉(cāng)壓力、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、同步注漿量等方面對(duì)全斷面圓礫層承壓水條件下的參數(shù)進(jìn)行總結(jié)分析：總推力控制在10000～12000kN，刀盤扭矩控制在2000～2800kN·m，土倉(cāng)壓力控制在理論水土壓力的1.1～1.2倍，掘進(jìn)速度控制在40～50mm/min，同步注漿量控制在4.0～5.0m3/環(huán)，同步注漿量壓力控制在0.15～0.3MPa，出土量（1.2m）控制在50～53m3;利用此參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)可有效降低刀盤刀具磨損、控制地面沉降、提高掘進(jìn)效率。（圖2-圖5）

3.4 端頭加固

汽高區(qū)間盾構(gòu)端頭處于圓礫層中，承壓水圓礫層始發(fā)接收易發(fā)生涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，旋噴樁加固及降水井在該類地層中施工無法實(shí)現(xiàn)有效的土體切割及成孔，加固質(zhì)量下降，增加了盾構(gòu)始發(fā)接收風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)盾構(gòu)始發(fā)接收?qǐng)A礫地層旋噴樁加固及成井效果不良的情況，對(duì)端頭加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化：旋噴樁加固深度及降水井成井深度優(yōu)化調(diào)整至圓礫層頂部，將始發(fā)、接收洞門位置鋼筋混凝土地墻變更為玻璃纖維筋混凝土墻，能夠利用盾構(gòu)機(jī)直接破碎洞門，實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)出洞，降低洞門鑿除和始發(fā)接收風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，汽～高區(qū)間接收方式變更為鋼套筒接收，避免了在承壓水圓礫地層中素墻止水帷幕施工難度大、施工工期長(zhǎng)、功效極低、質(zhì)量差的風(fēng)險(xiǎn)，鋼套筒接收避免洞門長(zhǎng)時(shí)間裸露發(fā)生險(xiǎn)情。通過一系列針對(duì)承壓水圓礫層不利地質(zhì)條件的優(yōu)化，成功完成盾構(gòu)始發(fā)接收。

3.5 同步注漿配合比

同步注漿是盾構(gòu)掘進(jìn)中必不可少且對(duì)地面沉降控制極其有效的一道工序，針對(duì)杭州地區(qū)同步注漿漿液為厚漿的特性及圓礫層擾動(dòng)后不穩(wěn)定特性，在注漿量、漿液配比、漿液坍落度等方面進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定最佳的同步注漿配合比及注漿量，以控制地面沉降及管片上浮。

因在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了控制住地面沉降，但無法控制管片上浮現(xiàn)象，對(duì)杭州地區(qū)特有的厚漿漿液進(jìn)行改良，摻入一定量的水泥以加快凝結(jié)時(shí)間，加強(qiáng)對(duì)管片外部建筑空隙的穩(wěn)固，效果極佳。并為杭州地區(qū)相似地層后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供了指導(dǎo)性措施。（表1）

4? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)全斷面圓礫地層承壓水條件下的土壓平衡盾構(gòu)施工難題，通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性分析和評(píng)估，并針對(duì)性的對(duì)刀盤刀具進(jìn)行改造加強(qiáng)，有效控制了長(zhǎng)距離圓礫層及復(fù)合地層掘進(jìn)對(duì)刀盤刀具的磨損及使用壽命。泡沫劑等化學(xué)材料及合適的參數(shù)有效解決了圓礫地層施工噴涌難點(diǎn)，“泡沫氣泡”對(duì)土倉(cāng)壓力控制、減少圓礫對(duì)刀盤的沖擊及刀盤結(jié)泥餅及螺旋機(jī)噴涌為圓礫地層承壓水條件下盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供了新思路。針對(duì)承壓水圓礫層的特點(diǎn)，優(yōu)化端頭加固施工方案可極大的提高盾構(gòu)始發(fā)接收的成功率。通過對(duì)同步注漿配合比的改良及優(yōu)化，可有效的控制地面沉降及管片上浮，有效減少因管片上浮可能引起的管片破損及軸線超限等。

絕大多數(shù)盾構(gòu)作業(yè)中的事故都是因?yàn)闆]有充分考慮水文條件、地質(zhì)條件所引起的。為了消除負(fù)面影響，工程技術(shù)人員需要嚴(yán)格按照掘進(jìn)施工的技術(shù)要點(diǎn)做好參數(shù)控制、技術(shù)支持、掘進(jìn)狀態(tài)調(diào)整，以保障工程質(zhì)量、工程效益。

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