全斷面中風化泥質粉砂巖地層中盾構施工技術

高麗峰 馬思偉 鐘恒

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號線一期工程二工區（1分部），位于四川省成都市雙流區和高新區。主要施工內容為“三站三區間”，其中“三站”為大同站（原順風村站）、石羊站、新園大道站（原慶云村站），“三區間”分別為大同站～石羊站盾構區間、石羊站～新園大道站盾構區間、新園大道站～市一醫院站盾構區間。

30號線隧道主要穿越地層為<5-1-3>中等風化泥巖，局部穿越地層為<3-8-3>卵石土（密實）、<5-1-3>中等風化泥巖復合地層。詳細分部情況如下表所示。

圖1 30號線下穿9號線左線，入場線地質斷面圖

表1 地質分布情況表

本工程表層多為第四系全新統人工填土（Q4ml）覆蓋，以雜填土為主，其下依次為第四系全新統沖積層（Q4al）粉質黏土、砂類土、卵石土，強風化泥巖，中等風化泥巖。盾構區間主要穿越地層為中等風化泥巖[1]。

2 全斷面中風化泥質粉砂巖地層中盾構施工技術

2.1 刀盤結泥餅處理技術

在掘進過程中，當刀盤到達某一位置后，會出現刀盤結泥餅的情況，造成刀具損壞或盾構機無法正常掘進。根據盾構機在泥質粉砂巖地層中掘進時的具體情況，為避免刀具損壞，應采取以下措施：

2.1.1 刀盤結構和土倉中心高壓水沖刷設計

刀盤中心部位有較大開口，刀盤開口位置在盤面上均勻布置，利于防止泥餅產生。刀盤上和土倉中心前盾固定隔板上設有4根固定攪拌棒，另外在土倉中心的攪拌棒設有通道，前端設有噴水口，盾構設有高壓水系統，主控室內可控制沖刷系統操作，需要時可按鈕控制沖刷，在土倉中心已經結有泥餅時可沖刷解除。

土倉中心高壓水沖洗設計，主要由主水路、控制室及噴頭組成。①主水路由一根高壓水泵提供壓力水，通過安裝在土倉中心的高壓水泵輸送至控制室，經加壓后從控制室的出水口噴出，向土倉內進行沖刷，從土倉內噴出的水流在重力作用下沿土倉壁和前盾后盾間的間隙向外排出，形成一道高壓水幕，將土倉內的泥餅全部沖刷掉，使土倉內形成一個穩定的水墊，同時使刀盤周圍的地層得到加固；②控制室設置在盾構機前方，主要對土倉中心高壓水沖洗系統進行操作控制；③噴頭布置在刀盤前、后盾固定隔板上，在土倉中心頂部還設有1個噴水口，噴頭距前盾約20 cm。

2.1.2 單管單泵泡沫、膨潤土（或清水）注入系統設計

盾構配置4路單管單泵單噴口泡沫注入系統，泡沫混合液通過4個混合液泵泵送到泡沫發生器，在泡沫發生器里泡沫混合液與空氣混合形成泡沫，泡沫通過管路注入到刀盤上4個泡沫噴口及土倉內，也可以通過刀盤上2個膨潤土注入口注入清水，以改善渣土的和易性，增強渣土的流動性，防止刀盤和土倉內結泥餅。

泡沫的注入方式：當盾構穿越全風化泥質粉砂巖地層時，由于砂粒含量高，對刀具磨損嚴重，所以在盾構穿越該地層前，需要先注入泡沫進行刀盤內的初步加固，待加固效果達到要求后，再向刀盤上4個泡沫噴口和土倉內注入泡沫。

當盾構穿越中風化泥質粉砂巖地層時，由于刀盤上2個膨潤土注入口注入清水效果不明顯或根本不起作用，因此為了防止刀盤上的渣土在出土倉時結泥餅，采用泡沫注入系統后可減少刀盤結泥餅現象的發生。在出土倉之前向刀盤上2個膨潤土注入口注入清水，通過改變渣土的流動性以防止刀盤結泥餅。當刀盤上的泡沫噴口被堵住后，通過開啟泡沫發生器來解決[2]。

2.1.3 盾構掘進施工中采取的措施

（1）加入土體改良劑

為減小土之間的內聚力，減小土艙內土壓密的可能性，減小掘土與盾構機刀盤、結構之間的粘結力，需要改進土倉的和易性，確保土艙內的土壓力穩定，并使掘進順利進行。在施工期間，要對開挖后的地基進行觀測，對其粘性、沙粒含量等指標進行分析，并根據實際情況適時加入一種名為“泡沫”的土壤改良劑，降低其粘滯程度，降低其粘結力。

（2）盾構掘進參數的設定

在軟土地層中進行土壓平衡式盾構施工段，其土壓力的設置應基于理論土壓力，并進行相應的減小，具體參數可根據工程實踐情況進行調整。但是，施工中需要對盾構穿越地層特征進行觀察和分析，并掌握盾構掘進速度、盾構掘進性能、土體溫度三者之間的能量轉化規律，以及它們對“泥餅”生成的作用機理。在保證鉆井液性能的同時，要注意泥漿的流速，以降低“泥餅”的發生。

（3）土壓力傳感器的設置

在土倉中放置土壓力傳感器，利用兩點土壓力差值測量土的視密度；在觸到泥餅之前，先對其進行粘合性和渣溫度的測定，若粘度指數高于12 S，則需加大注泡沫劑、膨潤土以改善其工作性。

（4）控制循環水溫度

在室外溫度大于30℃且通風性能不佳的情況下，單環掘進周期越長，越易引起土室溫升升高，必須對其進行降溫，如有需要，可采用冰水降溫。

（5）快速均衡施工

盾構法是一種“連續、快速、穩定”的掘進方式，長期的停機會引起土倉內部土壓力逐級升高，流動性降低，刀盤和刀具容易產生泥餅。

2.2 刀具預防磨損關鍵技術

2.2.1 加強盾構始發

針對全斷面中風化泥質粉砂巖地層中的盾構機，根據隧道周邊的地質情況，采取盾構機刀盤前、后壁涂高耐磨材料，有效降低刀具的磨損。在始發前，對盾構始發刀具進行檢查、更換，并對盾構機的刀盤、刀具進行全面檢查；同時盾構機刀盤前、后壁涂高耐磨材料，降低盾構機在始發過程中由于刀具磨損而產生的刀盤與刀具間的間隙。在盾構始發過程中，根據現場實際情況，采用地面注漿加固措施對盾構機刀具進行加固，有效降低刀盤與刀具間的間隙，避免刀具磨損。除此之外，還需要在始發過程中根據地面注漿加固效果情況對盾構機的掘進參數進行適當調整，有效控制掘進參數[3]。

2.2.2 接收端及線路加固

在盾構機接收端頭加固范圍內，地表將采取如下措施：

（1）進行地層加固，加固區域位于盾構機前方及側面，加固厚度不小于10m；

（2）在盾構機后方約15m范圍內進行地表注漿，注漿壓力控制在0～0.5 MPa；

（3）在盾構機接收端頭的管片焊接、拼裝處采取止水措施，止水帷幕采用C15混凝土，厚度不小于15m，同時設置止水環，止水環與盾構機環頂面之間的間隙不小于4 cm；

（4）盾構機始發及到達階段設置自動注漿系統，注漿壓力控制在0.1 MPa～0.2 MPa；

（5）盾構機始發階段設置接收門止水結構。

2.2.3 控制刀盤轉速

針對30號線穿越泥質粉砂巖地層掘進時，由于泥質粉砂巖具有遇水膨脹特性，若刀盤轉速過快，易造成刀具損壞或刀具偏磨等情況。因此，在施工過程中，通過對盾構推進參數進行調整，使刀盤轉速在正常范圍內波動。具體調整情況如下：

（1）在推進過程中，嚴格控制盾構機掘進速度及刀盤轉速。①根據實際情況，將盾構機刀盤轉速控制在1～1.5r/min，并保持穩定。②將刀盤轉速調整到合適范圍，控制推進速度不大于10 cm/min。③在推進過程中，每掘進100～200m時進行一次監測，并及時對監測數據進行分析，確定最佳的掘進速度。

（2）當出現較大的刀盤轉速波動時，應及時分析原因并進行調整。①當刀盤轉速波動較大時，可適當增加同步注漿量，從而降低刀盤轉速；②若發現刀盤轉速波動較大且有異常聲響，可適當降低掘進速度或對掘進參數進行調整，但需確保掘進速度的穩定，以防止因刀盤轉速過快造成的刀具磨損情況加劇。

（3）當出現刀盤轉速波動過大時，應根據刀具磨損情況及周邊圍巖穩定情況對刀盤轉速進行適當調整。①當刀具磨損情況較嚴重時，可適當提高刀盤轉速，從而減緩刀具磨損速度；②當周邊圍巖較穩定時，可適當降低刀盤轉速，以防止因刀盤轉速過快造成的刀具磨損情況加劇；③若周邊圍巖不穩定，且刀盤轉速過快易造成刀具損壞時，應及時停止掘進。

2.2.4 提高刀具耐用度

在全斷面中風化泥質粉砂巖地層中，由于地層軟硬不均、刀具磨損快，對刀具的選擇和維護提出了更高要求，除在刀盤上選擇合理的刀具外，還需在掘進過程中對刀具的磨損情況進行監控和分析，采取相應措施保證刀具的使用壽命。

（1）盾構機防磨損技術的應用。針對本工程中風化泥質粉砂巖地層特點，采取了以下措施：①通過在刀盤上設置防磨圈、增加刀盤密封裝置、合理選擇刀具等方式，減少刀具磨損；②在盾構機上設置了4道防磨圈，使刀具在掘進過程中始終處于最優的受力狀態，避免刀具發生較大的磨損[4]。

（2）采用改良土壓平衡盾構機進行盾構施工。通過在盾構機上加裝不同直徑的刀具，使得盾構機在不同地層條件下，通過改變刀盤刀具配置和盾構掘進參數，有效的提高了盾構施工效率。同時通過調整渣土改良裝置，將改良后的渣土注入到刀盤前倉和盾體后面，有效的減少了刀盤外壁的磨損。

（3）對刀盤扭矩、土壓、土壓差等進行實時監測和分析，對刀具磨損情況及時作出調整。本工程在刀盤上設置了傳感器，對刀盤扭矩、土壓、土壓差等進行實時監測和分析，當發現刀盤扭矩波動較大時，立即停止掘進，檢查刀盤狀態是否正常，并及時調整參數，避免因刀盤扭矩過大而導致的刀具磨損。

2.3 防止管片上浮關鍵技術

（1）嚴格控制注漿時間及速度：盾構機掘進的同時，進行同步注漿，同步注漿的速率與盾構機掘進速度相匹配。

（2）注漿順序：采用4孔同時注漿，在每個注漿孔出口設置壓力檢測器，以便對各個注漿孔的注漿壓力和注漿量進行檢測和控制，從而實現對管片背部間隙的對稱均勻注漿。為防止管片上浮，而且考慮漿液的流動性，上部每孔的壓力應比下部每孔的壓力略大0.05～0.10MPa。

（3）注漿結束編組和注漿效果檢查：采用雙指標標準，即注漿壓力到達設計壓力或注漿壓力未達到設計壓力，但注漿量達到設計注漿量，即可停止注漿。

（4）同步注漿完成后，要進行開孔檢查，對開孔檢查的情況進行記錄，判斷管片壁厚注漿是否飽滿在進行二次注漿，二次注漿主要控制注漿壓力。

（5）同步注漿料漿液質量控制，首先由質檢員每50環進行一次取樣做同條件實驗。注漿料進場驗收按規范要求每2000t進行送檢復試，確保注漿量的凝結時間、結實率等各項指標滿足要求。

（6）通過二次注漿可有效控制管片上浮，二次注漿是指在洞內通過脫出盾尾3～5環管片上的開孔向壁后壓注雙液漿[5]。

3 結束語

總而言之，本文通過對成都軌道交通30號線一期工程大同站～石羊站、新園大道站～市一醫院站盾構區間下穿9號線地鐵及5號線地鐵，針對其復雜的地質條件，結合工程實際，通過加強盾構始發、接收端及線路加固、控制刀盤轉速、提高刀具耐用度等措施，在全斷面中風化泥質粉砂巖地層中確保了盾構安全掘進。同時，通過采用同步注漿+二次注漿+盾體注漿+洞內注漿施工工藝，確保了盾構穿越期間的隧道穩定和運營安全。由于受篇幅所限，本文僅介紹了大同站～石羊站、新園大道站～市一醫院站盾構區間下穿9號線地鐵及5號線地鐵的部分，對其余盾構區間的施工技術研究工作將在以后的工程實踐中進行深入探討。