超大直徑泥水平衡盾構機在半膠結粉質粘土地層掘進參數的研究

吳志輝 羅得彬 姚利軍

摘要：科學、合理、適應的盾構機掘進參數的設計對盾構機高效、安全運行有至關重要的作用，掘進參數的設置也是國內盾構施工的重要研究課題。本文以印尼雅萬高鐵1號隧道泥水平衡盾構機在掘進過程中的實際參數設置為例。通過研究比較泥水平衡盾構機在半膠結粉質粘土地層盾構機掘進參數與目前盾構機理論掘進參數的聯系與區別，以期為同類地層盾構機掘進參數設計提供應用依據。

關鍵詞：泥水平衡盾構機、參數、計算、切口壓力、注漿量、油脂消耗、速度和總推力、粘 度

1.前言：

盾構法施工自動化程度高、節省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響，施工安全、高效、環保、對地層擾動小在地鐵和高鐵隧道施工中，特別是在特殊、復雜地層的應用越來越重要。隨著國內外地鐵、高鐵建設的快速發展，國內盾構機制造業也積極發展，各盾構機應用的施工單位也大力開展盾構機掘進參數的研究。

2.工程概況

雅萬高鐵1號隧道為我國首條海外施工高鐵隧道，位于雅加達市區，距高鐵Halim車站約2.5km，分為進口明挖段、盾構隧道及出口明挖段。設計為單洞雙線隧道，全長1885m，其中盾構段起訖里程為DIK2+770.5～DIK4+239.5，盾構隧道全長1469m。盾構隧道為單洞雙向通車設計，軌下采用預制箱涵，兩側現澆混泥土，隧道采用鋼筋砼管片襯砌，每環管片沿環向分為9塊，采用6+2+1形式（6塊標準塊，2塊鄰接塊，1塊封頂塊）。襯砌環為雙面楔形通用環，楔形量根據曲線半徑R=1400m計算后綜合確定，楔形量為40mm。管片均采用錯縫拼裝。鋼筋混凝土管片設計強度為C50，抗滲等級P12。

隧道埋深 沿線范圍內地層表層覆蓋第四系全新統人工堆積層（Qml）雜填土，第四系更新統沖洪積層（Qav）粘土、粉質黏砂類土、細圓礫土為主，局部具半膠結作用。

地下水類型主要為第四系孔隙潛水和承壓水。孔隙潛水主要靠大氣降水補給，地下水埋深0.30～7.80m（高程10.78～18.01m），水位變幅一般為2～3m。第一層承壓水以粘土、粉質粘土等黏性土層為相對隔水頂板，頂板埋深約10.0～21.3m（高程5.69～-3.87m），隔水底板埋深約18.1～34.7m（高程0.13～-15.23m），承壓水主要賦存于細砂及細圓礫土中。第二層承壓水以粘土、粉質粘土等黏性土層為相對隔水頂板，頂板埋深約37.5～48.7m（高程-24.54～-25.12），隔水底板埋深約40.6～50.0m（高程-27.67～-30.36m），承壓水主要賦存于粉土、粉砂、細砂中。

3.盾構機掘進參數研究方向

印尼雅萬高鐵1號隧道盾構法施工采用中交天和的THDJ-17218泥水平衡盾構機。挖掘直徑： 13230mm;動力： 250kW×6P×12臺 （max.16臺）;扭矩：作業時（100%）45Hz 28649kNm（α=12.5），最大：（130%） 90Hz 37244kNm（α=16.2）;總長（含后配套）：96340mm;刀盤到盾尾總長：13540mm;盾構外殼總長：12530mm;

隧道內軌頂面埋深約為5.0～24.0m，盾構機主要在半膠結粉質粘土地層施工，整條隧道主要布置在空隙潛水層及第一、第二層層壓水層之間，地下水豐富。地下水、巖性、富水粉細砂層、膨脹土，地質水條件復雜容易造成涌水、涌砂，掘進與出渣困難，盾構機姿態、表形態難以控制。主要研究的方向： 1、切口水壓設定及對地下水的阻攔及地表沉降的控制。

2、掘進速度的設定。3、同步注漿量的計算。4盾尾油脂消耗量計算。5、泥漿參數對泥水攜渣能力的影響。

3.1切口水壓設定及對地下水的阻攔及地表沉降的控制

目前工程實際應用中多以隧道頂部埋深折算水柱高度設定開口水壓是最為簡易的辦法，在地層結構簡單單一的地區施工也有相當指導作用。部分項目考慮地下水壓力、靜止土壓力、變動土壓力等，再有乘以一個主觀因數很強的1.1～1.2的修正系數作為最終的切口壓力設定，這種計算方式復雜，主觀因數較強，地下地質水文條件復雜多變，計算出的切口水壓指導掘進施工存在一定的局限性。

切口水壓最終作用是保證刀盤開挖面所在的泥水倉保持一定的壓力，阻擋地下水滲透至土倉，防止地面沉降。地表水的滲透通過排漿密度可以有準確的判斷，停機狀態下氣墊倉水位的升降也能對地下水的滲透情況得到詳細準確的數據。地面的沉降通過測量的檢測也有準確的數據。本文以盾構機泥水頂部壓力傳感位置埋設通過折算水柱高度得出的數據，結合地下水的滲透及地表沉降情況，最終得到切口水壓數據作為盾構機泥水倉頂部壓力傳感控制數據，在印尼雅萬高鐵1號隧道的實際施工過程中順利指導掘進施工。

在雅萬高鐵1號隧道試驗掘進40米為例，此時盾構機泥水倉頂部壓力傳感器埋深21米，折算水柱壓力為：

p=ρ×g× h

p是壓強

ρ是液體密度，水的密度為1×10^3kg/m^3

g是重力加速度取9.8 N/kg，h是取壓點到液面高度

p=ρ×g× h=1000×9.8×21=2.0bar，

在掘進的過程中，進漿比重為1.1g/m3，排漿比重為1.15 g/m3，進漿黏度60s，排漿黏度21s，泥漿攜渣能力急劇下降，膨潤土消耗量巨大，明顯有地下水滲透。掘進完成后在拼裝管片期間氣墊倉水位上升每分鐘2cm。地表監測無沉降和上隆。再后面幾環的掘進過程中，適當逐步提高頂部壓力傳感器壓力。排漿黏度逐步上升、停機狀態下氣墊倉水位上升趨勢明顯減緩。后續掘進過程中根據埋深適當提高頂部壓力壓力傳感器壓力0.1-0.2bar，掘進順利進行。

地下地質水文情況復雜多變，沒有兩條地質情況完全相同的泥水盾構機掘進隧道。以埋深折算水壓為基礎，以泥漿黏度、比重、氣墊倉水位升降情況及地表沉降實際數據為判斷依據，在盾構試驗掘進過程中記錄詳細數據，為后面正式掘進參數的設定提供依據是切實可行符合施工實際的辦法。

3.2掘進速度及總推力的設定

過快的掘進速度會導致刀盤對土體的擾動較大，容易造成地面沉降。并且為了提高掘進速度，勢必會增大刀盤的轉速加大總推力，不利于降低刀盤的磨損，容易造成管片的破損，提高了盾構機姿態控制的難度。過慢的推進速度又降低了施工效率。在前期的試驗掘進階段及風險系數較高的推進階段，可以適當降低推進速度。印尼雅萬高鐵1號隧道半膠結粉質粘土地層中的正常掘進速度37mm/min，掘進1467米出洞無換刀，順利穿越高速公里及立交橋。

印尼雅萬高鐵1號隧道使用的中交天和泥水平衡盾構機。總推力：175000kN，盾構千斤頂：3500 kN×50根.（25組）。盾構機總推力參數的設定對盾構機掘進速度、刀盤扭矩、管片和刀盤刀具的保護都有直接影響。始發階段，總推力還要考慮反力架可以承受的最大推力，盾構機轉彎過程中適當降低總推力避免造成管片破損。總推力參數的設定既要滿足掘進速度的要求也要考慮施工實際情況，是一個相當重要的參數。

總推力=泥水倉壓力×盾構截面積+盾構盾體表面積×土體摩擦系數+盾尾刷與管片的摩擦力+拖車及喂片機牽引力

3.3同步注漿量的計算

印尼雅萬高鐵1號隧道中交天和泥水平衡盾構機刀盤開挖直徑13230mm，管片外徑12800mm，管片寬度2000mm。盾尾同步注漿配置了12個（6個備用）具備清洗功能的同步注漿注入裝置，注入的管徑為DN65，盾尾部的管徑為2B，能夠均勻地進行注漿。該裝置為內置式構造。

盾構施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結以及地下水的滲透，是導致地表、建筑物以及管線沉降的重要原因。為了減少和防止沉降，在盾構掘進過程中，要盡快在脫出盾尾的襯砌管片背后同步注入足量的漿液材料充填盾尾環形建筑空隙。同步注漿時要求在地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不宜劈裂。注漿壓力過大，隧道將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿;而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不充足，會使地表變形增大，本工程同步注漿壓力設定為0.3～0.6MPa，并根據監控量測結果作適當調整。

單環管片理論注漿量=（刀盤開挖面積-管片外面成洞面積）×管片寬度=[13.23/2）^2×3.14-（12.8/2）^2×3.14] ×2=17.6方

實際同步注漿量為建筑間隙的150%-250%。本工程實際注漿量為：每環20方左右，注漿效果良好，地表無沉降和隆起。

3.4盾尾油脂消耗量計算

盾尾油脂在管片外表面形成的油膜厚度為2mm，考慮到管片外表面的粗糙度、盾尾與管片的相對位置關系、地層壓力的高低、管片拼裝質量（錯臺）、推進速度、油脂質量等有很大關系，依據工程檢驗富裕率設置為2得到盾尾油脂消耗數據相對比較準確。

每環管片盾尾油脂消耗量=管片外徑×3.14×管片寬度×油膜厚度×富裕率=12.8×3.14×2×0.001×2=320L

盾尾油脂按200L/桶計算，每掘進一環消耗油脂1.6桶。實際掘進統計盾尾油脂的消耗量為2.8桶/環，計算數據具備一定的參考價值。按歷年大直徑泥水平衡盾構盾構掘進消耗油脂統計數據管片外表面每平米消耗盾尾油脂6-9L，按此數據計算印尼雅萬高鐵1號隧道每環管片消耗油脂482.4L～620L（2.4桶-3.1桶）。影響盾尾油脂消耗量的相關因素較多，且多為不確定量，故而按歷年工程消耗油脂數量計算數據較為準確。

3.5泥漿參數對泥水攜渣能力的影響。

泥漿攜渣能力就必須涉及到泥漿黏度，目前國內泥水平衡盾構機泥水處理系統大多數使用1006型漏斗黏度計，泥漿黏度計的流出管為孔徑 5mm，長 100 mm的圓管，清潔的水注入黏度計，流出 500 ml所需的時間為 15 秒，有隔層的量杯其一端的容量為 500 ml，另一端的容量為 200ml。

目前泥水平衡盾構機泥漿的配置主要使用膨潤土及CMC。膨潤土是一種粘土巖、亦稱蒙脫石粘土巖、常膨潤土含少量伊利石、高嶺石、埃洛石、綠泥石、沸石、石英、長石、方解石等;一般為白色、淡黃色，因含鐵量變化又呈淺灰、淺綠、粉紅、褐紅、磚紅、灰黑色等;具蠟狀、土狀或油脂光澤;膨潤土有的松散如土，也有的致密堅硬。主要化學成分是二氧化硅、三氧化二鋁和水，還含有鐵、鎂、鈣、鈉、鉀等元素，Na2O和CaO含量對膨潤土的物理化學性質和工藝技術性能影響頗大。蒙脫石礦物屬單斜晶系，通常呈土狀塊體，白色，有時帶淺紅、淺綠、淡黃等色。光澤暗淡。硬度1～2，密度2～3g/cm3。按蒙脫石可交換陽離子的種類、含量和層間電荷大小，膨潤土可分為鈉基膨潤土（堿性土）、鈣基膨潤土（堿土性土）、天然漂白土（酸性土或酸性白土），其中鈣基膨潤土又包括鈣鈉基和鈣鎂基等。膨潤土具有強的吸濕性和膨脹性，可吸附8～15倍于自身體積的水量，體積膨脹可達數倍至30倍;在水介質中能分散成膠凝狀和懸浮狀，這種介質溶液具有一定的黏滯性、觸變性和潤滑性;有較強的陽離子交換能力;對各種氣體、液體、有機物質有一定的吸附能力，最大吸附量可達5倍于自身的重量;它與水、泥或細沙的摻和物具有可塑性和黏結性;具有表面活性的酸性漂白土（活性白土、天然漂白土-酸性白土）能吸附有色離子。CMC溶于水時呈現極高的黏性，是一種能增加膠乳、液體黏度的物質，增稠劑可以提高物系黏度，使物系保持均勻穩定的懸浮狀態或乳濁狀態，或形成凝膠。CMC可分為天然和合成兩大類，泥水盾構機泥漿使用化工合成CMC，CMC價格較貴在泥水盾構特別是大直徑的泥水盾構泥漿制作過程中使用量較大，經濟效果不好，并且CMC配置材料各個廠家區別較大，性能效果區別也比較大。

印尼雅萬高鐵1號隧道泥漿配置主要使用鈣劑膨潤土和鈉基鵬潤土，試驗掘進階段添加過CMC，印尼本地制作CMC效果較差，價格較貴，在始發階段少量使用后取消。在有效抑制地下滲水的半膠結粉質粘土地層掘進過程中，基本不需要制作膨潤土泥漿。泥漿制作主要在始發階段泥水倉無法建立有效壓力止水和地下水突變泥水倉滲水加大的情況下使用。

黏度適中的泥漿攜渣量加大，既能加快盾構機的掘進速度，又能減輕排/送泥漿泵的工作載荷，減少泵的磨損。且泥水分離系統分離效果好，能減少壓濾機的工作量。各地各廠膨潤土、CMC配置和性能，以及地層條件，地層水文情況各異。在盾構掘進前對泥漿制作等進行多方面試驗，在試驗掘進階段詳細記錄影響泥漿黏度和攜渣能力的各種數據，找到最適合本工程的泥漿配比是最行之有效的辦法。

4.結論

泥水平衡盾構機對地層擾動較少，在復雜、含水量較大地層的隧道施工中安全可靠，經濟效果顯著。在國內外盾構施工中應用也越來越廣泛，必定會遇到的各種較少遇到甚至未曾遇到的地層。盾構機參數設置，油脂、同步注漿料、膨潤土配置也不盡相同。我們既要廣泛收集比較已有的盾構機掘進參數設置，也要因地制宜廣泛試驗找到適合本工程特殊的掘進參數設置，并做好記錄，為后續盾構施工提供強有力的技術支持。

參考文獻：

[1]王德福 《超大型泥水平衡盾構機掘進參數研究》技術探討2015年6月第18期

[2]王光輝，蔡軍峰 《泥水平衡盾構泥漿漏斗黏度分析》隧道建設2008年12月第6期