砂卵石地層盾構掘進控制

廣州軌道交通建設監理有限公司，廣東 廣州 510000

1 工程概況

長沙軌道交通1 號線施工8 標位于長沙市天心區境內，本標段兩個盾構區間，分別為省政府站～友誼路站區間，友誼路站～鐵道學院站區間。采用兩臺海瑞克盾構機自省政府站始發，掘進至友誼路站過站后，從鐵道學院站吊出。

區間盾構穿越巖層從新到老主要由全新統人工填土層、中更新統沖擊層、殘積層、第三系紫紅色泥質粉砂巖各分化帶巖石［1］。

2 地層適應性分析及盾構機選型

2.1 地層適應性分析

2.1.1 本標段區間盾構掘進大部分穿越砂卵石地層。

省政府～友誼路區間約800m，友誼路～鐵道學院區間約450m，其余部分上覆基巖為卵石層。施工過程中掘進參數、渣土改良、出土量等控制不當，容易造成噴涌、地面沉降過大、破壞沿線建（構）筑物甚至路面坍塌等危害［2］。

2.1.2 區間下穿較多管線及構筑物。

比如省～友區間下穿湘府路電力隧道及排水箱涵，木蓮沖路污水管道，不排除因污水管道存在個別位置出現細微裂縫，長時間漏水，對周邊地層沖洗，形成孔洞。

因此，針對以上地層，本區間選擇盾構機配置時主要考慮為適應砂卵石地層，需具體以下基本要求：

（1）砂卵石對刀盤、刀具、螺旋輸送機的磨損性強，該些主要部件需具備高耐磨性。

（2）合理的刀盤、刀具設計，恰當的刀盤開口率，合理的開口位置。

（3）盾構本體在高水壓狀態下的防水密封性能。

（4）管片壁厚同步注漿系統能適應高水壓。

（5）合理配置泡沫系統及膨潤土系統，并且注入管數量要足夠，易于維修，且有可靠防堵措施，并及時根據地層變化情況，合理調整渣土改良劑配比。

（6）具備處理大漂石的能力。

2.2 盾構機針對本區間適應性布置

盾構機初裝刀具為8 把17 寸中心單刃滾刀、20 把17 寸正面單刃滾刀、7 把17 寸邊緣單刃、48 把重型齒刀、8 組邊緣刮刀、1 把超挖刀。中心滾刀刀間距為90mm，正面滾刀刀間距為100mm；滾刀高出刀盤面板175mm，齒刀高出刀盤面板140mm，刀具高出35mm。滾刀可更換為羊角刀、貝克刀、撕裂刀等其他類型刀具。

針對本標段的砂卵石和粘土地層對刀盤刀具做了下列改進：

（1）保證刀盤中心位置出土順暢，防止結泥餅，原刀盤8把中心滾刀更換為4 把中心滾刀和4 把羊角刀，且滾刀與羊角刀間隔安裝［3］。

（2）正面和周邊單刃滾刀軸承為TIMKEN 公司重型軸承，金屬浮動密封選用原裝意大利GNL 品牌，刀圈采用17 寸24mm的圓弧刃刀圈，內圈硬度為HRC58-60，刀轂進行耐磨堆焊處理，

（3）在正面面板上和弧臂上焊接增加18 把貝殼刀，貝殼刀高出刀盤面板160mm，介于滾刀和齒刀之間，對掌子面渣土進行剝離破碎，對離滾刀較遠的面板部位起到耐磨保護。

（4）刀盤外圈增加焊接兩排12 把保徑刀，保護刀盤的外緣，降刀盤外緣的直接磨損，保證刀盤的開挖直徑。

（5）泡沫注入口增加注水口保護刀，保護刀高度為120mm，低于所有刀具，主要防止注入口堵塞，保證泡沫或膨潤土的正常注入。

（6）在刀盤外圈原Hardox 板上焊接8+6 復合耐磨鋼板，在刀盤面板原Hardox 板上用卡斯特林耐磨焊絲，進行網格耐磨堆焊，并對原耐磨網格處補焊，提高刀盤在砂卵石地層長距離掘進時的耐磨性能。

3 砂卵石地層掘進控制

3.1 盾構機在全斷面砂卵石層中掘進控制技術

3.1.1 砂卵石地層變形規律分析及控制措施

友誼路站～省政府站區間20～50 環全斷面砂卵石層地面沉降基本可以控制在10mm 以內。但是，在【省—友】區間右線在里程YDK277674（32 環，排水箱涵位置）處地表單日變形量為-6.53mm，累計變形為-8.06mm，變形速率超出控制值3mm/d；11 月10 日，YDK277674（32 環）處單日變形量為-9.44mm，累計變形為-18.9mm，本監測點變形速率再次超出控制值3mm/d。11 月11 日上午，YDK277484（44 環，電力隧道位置）處地表最大日變形量為-17.63mm，累計變形為-23.74mm，變形速率超出控制值3mm/d，下午YDK277484（43 環）處地表變形量為-9.93mm，累計變形為-33.67mm，本監測點變形速率再次超出控制值3mm/d，且累計變形值達-38.6m。

根據44 環地面沉降變形數據變化曲線圖反應，盾構機在掘進參數設置合理情況下，地面沉降主要分為以上三個階段：

第一階段：刀盤到達時，盾構機在刀盤通過該地層時沉降量為-1.6mm，由此可得，盾構機土倉壓力設置比較合理；

第二階段：筒體通過該地層時，地面沉降量為-9.9mm；

第三階段：在該環管片脫出盾尾后，至施工方采取二次補充注漿前（該環管片脫出盾尾8 環后方可進行），地面沉降量最大達到-27.1mm；

第四階段：二次補漿結束后，該環地面沉降數據在下一次測量間隙期內（8h）收斂，甚至出現地面上隆情況。

綜合整個沉降變化時間，累計達30h 左右。由此可得，砂卵石地層中掘進，盾構機地面沉降在第三階段沉降最大，即主要發生在同步注漿之后和二次補漿前這個時間間隙期內，經分析，主要原因為：同步注漿不飽滿，砂卵石地層因透水性系數較大，加之，漿液首先從底部凝固，造成管片頂部間隙未填充，因此同步注漿與二次補漿時間間隔越小，地面沉降量越小。施工中，須根據地層需要，及時調整同步注漿及二次補漿初凝時間。

3.2 盾構機通過大漂石地層中技術控制

【鐵道學院站～友誼路站】區間左線里程ZDK26+227.12 時（第156環過程中推進油缸行程450mm），盾構機掘進狀態和掘進參數突變：刀盤噪音較大，盾體有明顯振動，渣土含水量較大；刀盤工作壓力增大，鉸接油缸壓力增大，螺旋機扭矩瞬間增大導致螺旋機油泵跳閘，掘進速度降至25mm/min。該異常情況持續至ZDK26+198.85（第162 環），在該段掘進時盾構姿態垂直無法控制，盾體嚴重上漂。同時，隧道內拼裝管片在158 環～180 環位置，管片拱頂均出現開裂情況，管片環縫之間錯臺達10～20mm，另外，162、164、169、170 環管片2、10 點位出現滲漏情況。

3.2.1 盾構機姿態上漂原因分析

（1）左線盾構機在掘進進ZDK26+216.88～ZDK26+227.12時，推力增大、刀盤和螺旋機扭矩增大、刀盤轉動時異響并伴有盾體異常振動，渣土中卵石含量明顯增大，疑該地層中卵石含量大且密實，刀盤周圈尤其是隧道底存在強度大的漂石，致使刀盤切削困難造成異響和盾體振動。

（2）地質圖中顯示該段上部砂卵石下部含有部分粘土。地質詳勘的探孔M1Z3－TYD -029距離該區域17.1m，M1Z3－TYD -030 距離該區域28.9m。該段地層實際出渣為卵石和大量經刀盤、螺旋機擠壓破碎的漂石，卵石粒徑為80～140mm，最大漂石為370mm×240mm×120mm。

（3）雷達物探報告顯示該段地層中上部土質比較松散，下部的較密實，形成上軟下硬的地質斷面。

（4）在掘進ZDK26+198.85～ ZDK26+216.88 時，頂部和底部的油壓差達到280bar 也未能將盾體前點姿態穩定住，致使盾構姿態再次上浮，分析原因盾體底部的存在連續的漂石或原漂石卡在盾殼底部未拖出盾尾。而盾構在掘進ZDK26+198.85 以后的區段時姿態逐漸可控，可采取較小的壓力差控制姿態。

經各項綜合分析，疑似刀盤在掘進過程中底部存在大漂石，致使盾體上漂。

3.2.2 采取控制措施

（1）根據具體情況調整推進油缸的壓力差，確保抑制盾體的前點的上漂，具體控制措施為：推進油缸A 組油缸油壓加大至220～240bar，C 組油缸油壓減小到40～50bar，D 組油缸油壓略大于B 油缸壓力。在抑制盾體前點上漂的同時減緩盾體后點的上浮，確保盾尾的姿態平緩的沿盾體的姿態調節，減小盾尾與盾體之間的夾角，確保盾尾的鉸接油缸等設備的安全完好。

（2）根據盾尾間隙和油缸行程差，以及盾體的掘進線性嚴格選擇管片的拼裝點位，使管環線性為與盾體的開挖線性保持一致。減小因某側盾尾間隙過小，當盾尾通過時造成管片擠裂。

（3）調整同步注漿的配比和注漿量，縮短漿液的初凝時間，減少管片的上浮量，增大注漿量，對因盾體橢圓超挖所造成的間隙及時填充，同時推進過程中加大頂部的注漿量，實現對拖出盾尾的管環向下的壓力來控制管環姿態。

（4）盡可能的減小推力，減少推進對地層的擾動，減小大部分推力作用在頂部管片時對管片造成崩角和裂縫等質量缺陷。盡可能減緩掘進速度，降低刀盤轉速使刀盤能充分的多大漂石的切削。

（5）掘進過程中往刀盤前方和土倉內注入膨潤土，改良渣土的流塑性和卵石的懸浮性，盡量減小刀具的磨損。

（6）增加地面的監測頻率，加密監測，及時反饋檢測信息，并安排人員24h 進行路面巡視。

當盾體趨勢穩定住后，為確保隧道線性和控制管片的錯臺和裂縫等質量缺陷，需要緩慢的調整盾構姿態，每環管片下調量為5mm，已在ZDK26+2188.37（183環）盾構姿態恢復至界限范圍（100mm）以內。

4 盾構機在砂卵石地層中通過建構筑物掘進控制

鐵友區間隧道下穿木蓮沖立交橋東南側匝道，匝道采用重力式擋土墻。該段覆蓋4～8m 的人工填土層，隧道斷面主要為卵石層，底部分布有少量粉質粘土層，隧道與匝道擋墻關系下圖。

盾構通過前期，巡檢發現木蓮沖立交引橋在沿左線區間里程ZDK26+272.97～ZDK26+286.97，長約14m，寬3.75m，深0～5m范圍，在左線區間里程ZDK26+216.28～ZDK26+237.28，長約21m，寬3.79m，深5m 左右范圍，共計兩處土質比較松散，并存在孔洞。左右線中心線間距11m，該引橋擋墻結構為重力式擋墻，該擋墻及路面位置已經出現多條裂縫，并且擋墻墻面出現向外側傾斜情況。

4.1 左、右線盾構機通過該位置時掘進參數對比

考慮左、右線盾構機均下穿該木蓮沖立交引橋段，右線盾構機先通過該地段，左線后通過，通過地層主要為＜3-9＞沖擊卵石層，隧道上覆主要為人工填土層，土質松軟。本節選取左右線在120環～130環掘進參數對比，以及YDK26+273（126環）和ZDK26+273（125 環）統一處斷面沉降情況對比，來分析該段地層的掘進控制要點。

表1 左、右線盾構掘進參數對比情況表

表2 二次補漿情況對比情況表

4.2 原因分析及措施

左線盾構通過該地段時，地面沉降數據累計值（58.9mm）卻遠遠大于右線盾構（11.1mm）。分析原因為：

（1）對右線盾構通過后進行地質雷達掃描，發現右線盾構經過該區段沿線地質更加密實，左線盾構在區域段出現兩處土質比較松散，并存在孔洞，下雨天，雨水有可能沿著空洞不斷沖刷該地層，造成地質條件進一步變差［4］。

（2）考慮左右線盾構中心線間距只有11m，盾構機輪廓間距5m，右線盾構通過該位置時，對周邊地層存在一定程度擾動。

（3）左線盾構通過時，掘進參數還需進一步優化，根據左線沉降曲線及I 對應工況分析，沉降發生最大區域仍為第三個階段，即同步注漿后至二次補漿開始前這個期間，但是工況反應，改時間間隙較之以前正常砂卵石段補漿時間沒有進一步縮短（仍為10 環管片）；同時，對同步注漿漿液品質沒有進一步優化。反而，在該斷面監測點，沉降在二次補漿后出現反復情況，更加證實左線地質中空洞及不密實地層的存在性。

（4）針對建構筑及地質條件復雜情況，有必要提前采取預加固及處理措施。

5 小結

結合本區間砂卵石地層掘進情況，作者認為：

（1）本區間卵石含量、粒徑、強度遠遠小于成都類似地質，對盾構機刀盤及刀具磨損要求不是很高，但是，考慮比如大粒徑漂石的特殊地段，本區間配置的盾構機刀具還存在一定的優化空間，可以適當減少滾刀配置，增加貝殼刀。

（2）掘進過程中，應合理設定土倉壓力、推進速度、總推力、出土量等掘進參數，尤其是同步注漿品質、用量、壓力控制以及二次補漿間隔時間。

（3）加強盾構施工精細化管理，及時發現異常情況苗頭，盡早采取控制措施。

（4）重視渣土改良的重要性，合理調整泡沫及膨潤土的使用量。

（5）重視前期對特殊地段地質條件勘察及確認，做好風險評估工作，必要時，考慮對風險點進行提前處理。