圓礫泥巖復合地層盾構(gòu)掘進控制技術(shù)探討

孫昌利 鐘恒 盧園

中交一公局第三工程有限公司 北京 101102

1 工程概況

本工程名稱為成都軌道交通30號線一期工程土建二工區(qū)一分部，位于四川省成都市雙流區(qū)和高新區(qū)。主要施工內(nèi)容為“三站三區(qū)間”，其中“三站”為大同站（原順風村站）、石羊站、新園大道站，“三區(qū)間”分別為大同站（原順風村站）～石羊站盾構(gòu)區(qū)間、石羊站～新園大道站盾構(gòu)區(qū)間、新園大道站～市一醫(yī)院站盾構(gòu)區(qū)間[1]。

本區(qū)間工程表層多為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）覆蓋，以雜填土為主，其下依次為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）粉質(zhì)黏土、砂類土、卵石土，強風化泥巖，中等風化泥巖。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為中等風化泥巖，巖石強度在4.5～10.1MPa。其中區(qū)間始發(fā)段約172m穿越地層為<3-8-3>卵石土（密實）。大同站（原順風村站）～石羊站區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖如圖1所示。

圖1 大同站（原順風村站）～石羊站區(qū)間地質(zhì)縱剖面圖

圖2 地表沉降主斷面監(jiān)測點剖面圖

2 圓礫泥巖復合地層盾構(gòu)掘進施工中存在的問題

2.1 盾構(gòu)掘進效果不佳

2.1.1 卵石地層掘進困難

（1）區(qū)間始發(fā)段穿越卵石層，盾構(gòu)掘進速度緩慢，刀盤及刀具磨損嚴重，極易卡刀，保壓更換難度大。螺旋輸送機在使用過程中，葉片、軸受到了嚴重的磨損。

（2）轉(zhuǎn)矩小（額定轉(zhuǎn)速1.4-1.6rpm時，α系數(shù)在17-24左右），刀盤中部開孔不合理，刀具選擇與設(shè)計要結(jié)合地質(zhì)條件進行選擇，強化刀盤、盾體及螺旋輸送機的耐磨設(shè)計。

（3）砂卵石層沉降控制難度大：鉆進過程土壓控制難度大，刀盤轉(zhuǎn)矩小，土倉土壓力與螺旋輸送機排土量不匹配。

2.1.2 刀盤磨損嚴重

隧道掘進機在刀盤邊緣和輻臂上設(shè)置油壓式磨損探測裝置，該探測裝置能在巖石破壞刀盤盤體之前，先將圓盤磨碎。這樣就可以了解刀盤的磨損情況，從而達到保護的目的。其中一套液壓磨損裝置設(shè)置在刀盤邊緣，當滾刀磨損超過15 mm時，磨損檢測裝置就會發(fā)出報警信號，以確保刀盤的掘進直徑。另外一個磨損點在30刀軌上，一般來說，30刀軌處前滾刀磨損最嚴重，所以在這個位置設(shè)置磨損點是最有效的保護刀盤的方法。當該軌跡的磨損點磨損超過20mm時，磨損點將被磨損。操作者應(yīng)視具體情況采取相應(yīng)措施，以保證刀盤的完整性。

2.1.3 渣土改良不佳

（1）采用膨潤土進行渣土改良，但膨潤土的用量較大，在刀盤扭矩及開挖面土壓力較大時，大量膨潤土進入刀具刀盤縫隙，會使刀具在切削過程中粘結(jié)在刀具上，造成刀具異常磨損；同時膨潤土在隧道內(nèi)會產(chǎn)生一層“土殼”，增加了隧道的風險。

（2）采用土工布進行渣土改良，由于該工法所用的土工布較厚，在泥膜形成后無法順利清理刀具刀盤縫隙內(nèi)的土渣，會使刀盤上的“土殼”越積越厚，刀盤切削難度增大。

（3）采用泡沫進行渣土改良，由于泡沫在管道中的輸送距離較長，容易產(chǎn)生“堵管”現(xiàn)象；同時泡沫對刀具的磨損較大，會降低刀具壽命。

2.2 掘進面穩(wěn)定難以控制

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，在大同站～石羊站區(qū)間的地層中，巖層為圓礫狀的泥巖、粉砂巖和石英砂巖，遇水極易軟化、崩解，不利于盾構(gòu)掘進。在泥巖與圓礫巖間存在強風化層的復合地層中，盾構(gòu)掘進時會受到多種因素的影響。具體如下：

（1）掘進面巖石抗壓強度低，泥膜難以形成。（2）由于刀盤切削土體時，土體抵抗切削的能力較低，極易造成盾構(gòu)機推進過程中刀盤局部磨損，影響掘進效率。（3）盾構(gòu)機推進至巖石層時，會受到巖石自身強度、摩阻力的影響，導致掘進速度及土壓控制困難。（4）在土倉壓力波動的情況下，對刀具磨損程度也有較大的影響。（5）在砂層中掘進時，刀盤扭矩會隨著砂層厚度的增加而增大，刀盤扭矩的增加會對盾構(gòu)機推力有一定的影響。（6）由于砂層中存在一定的空隙和軟弱夾層，在掘進過程中易造成渣土含水量增大，造成掘進速度降低、土壓難以控制等問題[2]。

2.3 地表沉降與周邊環(huán)境影響大

地表沉降與周邊環(huán)境關(guān)系密切，在盾構(gòu)掘進施工過程中，由于掌子面壓力大、推進速度慢、同步注漿量不足，以及掘進過程中未采取有效的預支護措施，導致地層損失過大，易造成地面沉降。

（1）盾構(gòu)施工造成的地層損失主要包括兩部分：一是由于開挖面失穩(wěn)、土體流動等原因，引起地面出現(xiàn)隆起變形；二是由于掘進時未進行有效的地層預支護，導致土層松弛、地層損失過大。

（2）在盾構(gòu)施工過程中，由于推進速度過快、注漿壓力過大，導致產(chǎn)生的地層損失主要包括兩部分：一是由于掘進時未進行有效的地層預支護，導致土體在施工過程中流失過多，造成地面隆起變形；二是因掘進速度過快造成土體損失過多。

3 圓礫泥巖復合地層盾構(gòu)掘進控制技術(shù)

3.1 掘進控制參數(shù)

由于地質(zhì)因素、土層改良方法、掘進參數(shù)等一系列因素的影響，在盾構(gòu)參數(shù)計算的方法上存在很多的不確定因素。在成都軌道交通30號線一期工程土建二工區(qū)（1分部）大同站（原順風村站）～石羊站區(qū)間，盾構(gòu)設(shè)計參數(shù)取值采用了經(jīng)驗公式法和理論公式法相結(jié)合的方式。經(jīng)驗公式法：根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告提供的地層分布情況，考慮到盾構(gòu)自身重量、盾構(gòu)推進速度、刀具配置等因素，得出盾構(gòu)機在該地層中的重量，并將盾構(gòu)機重量乘以盾構(gòu)刀盤直徑，再乘以刀具配置系數(shù)，最后再乘以所需推力；理論公式法：根據(jù)地層分布情況、地質(zhì)勘察報告中提供的地層分布情況，考慮到盾構(gòu)自身重量、推進速度，得出盾構(gòu)機在該地層中的重量。

3.2 渣土改良優(yōu)化

通過盾構(gòu)機土倉及刀盤面板注入泡沫、水、膨潤土等進行渣土改良防止刀盤結(jié)泥餅。

（1）在刀盤前方設(shè)置泡沫發(fā)生器，通過控制泡沫的發(fā)泡倍率和泡沫的加入時間來調(diào)節(jié)盾構(gòu)機掘進參數(shù)，改善刀具磨損和土體流失，提高隧道管片的粘結(jié)強度，降低隧道內(nèi)土塊和土倉內(nèi)渣土的流動性，以利于渣土改良。

（2）在土倉內(nèi)設(shè)置膨潤土改良劑，通過對膨潤土進行改性處理來增加土體強度、改善土體結(jié)構(gòu)，減少泥漿滲漏，降低泥餅形成的幾率。

（3）在盾構(gòu)機頭上設(shè)置土壓平衡螺旋輸送機。通過土壓平衡螺旋輸送機，對刀盤前方的土倉內(nèi)渣土進行螺旋式輸送，改變土體顆粒分布，減少因渣土流動性差造成的結(jié)泥餅現(xiàn)象。

（4）在盾構(gòu)機土倉內(nèi)設(shè)置泡沫發(fā)生器，通過添加泡沫的方式對渣土進行改良。

在本工程項目中采用4路單管單泵泡沫，與2路膨潤土注入管路，管路可公用，進一步增強了渣土改良效果，提升了施工效率。同時采用1臺大功率膨潤土泵，可注入刀盤、土倉、螺旋機和盾殼，對刀具和盾殼進行沖刷，增強刀具的耐磨損性能，提高盾構(gòu)掘進效率。

3.3 壁后注漿優(yōu)化

盾構(gòu)在強風化泥地層和<5-1-3>中風化泥巖層中，這類地層遇水易軟化，巖石松軟，掘進過程中掘進姿態(tài)難以控制，管片脫離盾尾后，盾尾空隙約115 mm，周圍土體暫處于無支護狀態(tài)，管片上浮或者錯臺極易產(chǎn)生，需要進行同步注漿填補盾尾空隙，并盡快形成強度，以防引起上部地層下沉或管片上浮。但是，盾尾間隙可能被各種液體所包覆，在上浮力大于自重和上覆土荷載的情況下，管片局部出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。隧道開挖卸荷引起地基回彈，使盾構(gòu)隧道發(fā)生局部或整體上浮。在施工過程中，由于盾構(gòu)千斤頂對管片產(chǎn)生縱向偏載，使管片產(chǎn)生縱向彎曲變形[3]。

如何有效地控制管片上浮，防止連續(xù)錯臺，是該工程的關(guān)鍵所在。二次注漿法就是利用盾尾3～5圈管片上的開孔，將雙液泥漿壓入圍巖中，從而達到控制管片上浮的目的。

在開挖面失穩(wěn)或突水地層中，為防止開挖面塌陷引起地面沉降，需加強地質(zhì)加固。根據(jù)超前注漿影響范圍，在中部盾殼周向上部180°處設(shè)置10根超前注漿管，實現(xiàn)超前鉆進和注漿加固。同時，在防護墻上設(shè)置6+1個超前灌漿孔，從刀盤的開孔向隧道前方進行鉆孔加固。

而盾尾則是由鉸接密封環(huán)和殼體構(gòu)成，外殼直徑為Φ6230mm，盾尾長度為3890mm，外殼厚度為50mm。所有的灌漿和潤滑脂管道都是嵌入式的。采用4×2+2的注漿管，4支常規(guī)注漿管，6支備用注漿管。有12根潤滑脂管，每個潤滑脂管6根通到兩個尾刷密封腔內(nèi)。尾刷密封是由三列焊接于殼體內(nèi)的三排密封刷構(gòu)成，既能防止灌漿料及水滲漏，又能在土壓力達到平衡的情況下保持各自的壓力。盾尾間隙為30mm，滿足管片的安裝和導向的要求。盾尾尾部設(shè)有一排止?jié){板。本工程案例在實施過程中提供了一種由耐磨鋼板制成的止?jié){板，它能有效地阻止灰漿充填在擋土墻的前部，并能有效地防止擋土墻前的泥漿對灌漿效果的影響。

期間還需要配置兩個注漿泵，每個泵有兩個出口，注漿系統(tǒng)使用4根注漿管。盾尾置4×2＋2條注漿管，其中4用6備，為了實現(xiàn)自動注漿的功能，在管路的注入端安裝了壓力傳感器，用于檢測注漿壓力。為了適應(yīng)不同的注漿量（掘進速度），整個設(shè)備根據(jù)壓力控制注入量。最小和最大注漿量可以預先選擇。

設(shè)備由電力液壓動力站提供動力。通過控制液壓油的流量，可以調(diào)節(jié)泵送量。4個排氣口均安裝有壓力表。每一個活塞上都有一個指示器，可以檢查泵的行程。活塞速度可根據(jù)液壓而改變，因此，可根據(jù)掩護的推進速度，在每一條線路上的注漿量都是可變的。通過對各注漿點壓力的計算，可對灌漿過程進行控制。操作室的控制面板上的開閉位置可各不相同。

3.4 地表沉降控制

（1）盾構(gòu)區(qū)間地表監(jiān)測點按如下方法布設(shè)：

①盾構(gòu)隧道左右線上方監(jiān)測點均按5m一點設(shè)置，不與監(jiān)測主斷面沖突；

②盾構(gòu)井（始發(fā)或接收）100m范圍內(nèi)重點監(jiān)控，始發(fā)（或接收）端按5m設(shè)置一大斷面并逐步過渡至30m；始發(fā)或接收30～50m范圍內(nèi)每10m一大斷面，常規(guī)區(qū)段按30m布置一監(jiān)測主斷面；

③盾構(gòu)隧道下穿既有9號線、5號線區(qū)域加密布設(shè)沉降監(jiān)測點。

（2）雙線隧道拱頂及兩拱腰正上方地面各設(shè)一個沉降監(jiān)測點，線路中線設(shè)置一個測點，左右線外邊緣按3m、4m、5m 、10m各設(shè)一個測點，按此，每個監(jiān)測斷面雙線布設(shè)不少于11個沉降監(jiān)測點。

3.5 提高管片拼裝質(zhì)量

（1）先清理，再做防水處理，待清潔、干燥后再粘貼防水橡膠條。

（2）管片拼裝完成后，應(yīng)及時用液壓油缸對管片進行頂緊，以防止因工作面土壓而回撤。同時，采用整圓機對已安裝成型的管片進行整圓，并及時將連接管片的縱向和橫向螺栓擰緊。管片從盾尾脫出后，重新擰緊縱向和橫向連接螺栓。

（3）掩護式推進時，推進油缸向管片施加力，產(chǎn)生頂進推力；為了確保管片不受擠壓破壞，盾構(gòu)推進特別是在隧道糾偏過程中，盡可能采用盾頭與盾尾鉸接的方式，實現(xiàn)盾構(gòu)推進力在管片上的均勻作用。隧道糾偏過程中，首先要控制一次糾偏的大小，并通過在管片和推進油缸之間粘貼一層薄彈性材料，緩解千斤頂推進過程中的壓力，避免管片局部及角部的損傷開裂。

（4）加強對地面沉降的監(jiān)測，及時對監(jiān)測結(jié)果進行分析，對注漿參數(shù)及注漿工藝進行修正。

（5）加強對注漿設(shè)備的維護和維護，每次注漿結(jié)束后對管線及設(shè)備進行清洗，以確保注漿設(shè)備的正常運行，并保證注漿過程中的連續(xù)工作。

4 結(jié)束語

總而言之，盾構(gòu)掘進控制技術(shù)在地鐵施工中的應(yīng)用越來越廣泛，而如何根據(jù)盾構(gòu)施工現(xiàn)場條件合理選擇盾構(gòu)機選型、合理布置盾尾密封裝置，優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)，則是盾構(gòu)施工過程中需要解決的重要問題。本文以成都軌道交通30號線一期工程土建二工區(qū)（1分部）大同站～石羊站區(qū)間為例，詳細分析了在圓礫泥巖復合地層中進行盾構(gòu)施工的過程中存在的問題及解決方法。主要結(jié)論如下：（1）采用增加盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速的方法，可以有效提高盾構(gòu)機的掘進效率，并在一定程度上控制地表沉降；（2）盾尾密封裝置的安裝對保證盾構(gòu)機正常掘進至關(guān)重要，尤其是在復合地層中掘進時，盾尾處的密封裝置必須安裝好；（3）在圓礫泥巖復合地層中進行盾構(gòu)掘進時，應(yīng)當結(jié)合地質(zhì)條件及周圍環(huán)境情況合理選擇盾構(gòu)機，同時應(yīng)根據(jù)實際掘進情況對盾構(gòu)機參數(shù)進行合理調(diào)整，并可通過適當增加螺旋機轉(zhuǎn)速的方法來提高掘進速度。