中風化泥質粉砂巖盾構施工技術

摘 要：以長沙市軌道交通6號線東段土建一標韶龍區間全斷面地層為中風化泥質粉砂巖的土壓平衡盾構機掘進過程為例進行分析總結，在對盾構總推力、掘進速度、刀盤扭矩及轉速、土倉壓力、泡沫、同步注漿、刀具配置等與地層因素緊密聯系的相關參數進行統計分析比對的基礎上，重點研究了在長沙區域普遍性的中風化泥質粉砂巖地層條件下盾構掘進參數的合理控制范圍及各系統的優化配置，以確保處理好施工重難點的同時保證高質高效的完成盾構施工，有效規避安全風險，為今后類似地層的盾構施工提供一定的參考作用。

關鍵詞：盾構施工；盾構掘進參數；刀具磨損；中風化泥質粉砂巖

中圖分類號：U455.43" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2025）01-0004-04

0 引言

隨著城市軌道交通建設規模的不斷擴大，盾構法以其穩定的沉降控制和成熟的技術體系受到廣泛應用。在復雜地層中進行掘進，對盾構機選型、刀盤刀具設計、參數控制等要求較高，盾構掘進參數需根據地質情況的不同實時調整優化。

針對中風化泥質粉砂巖地層盾構施工的特點，國內已有許多專家和學者對其展開了多方面的研究和實踐。如王星鈞[1]就盾構在中風化泥質粉砂巖地層中施工刀盤極易結泥餅、效率低等問題進行分析研究。張磊[2]對長距離強-中風化泥質粉砂巖地層盾構掘進施工各類主控參數進行總結研究。聶彬、黨亞杰[3]為了解決江底盾構區間涌砂涌水風險技術難題，通過現場經驗總結和注漿方案改進，證明該施工技術的可行性。葉新宇[4]在泥質粉砂巖地層盾構掘進過程中，為了使盾構掘進順利、減小對地層擾動，并有效維持掌子面穩定等，對渣土改良進行研究分析。

1 工程概況

長沙市軌道交通6號線土建一標項目韶龍區間分左、右的兩條單線隧道。隧道縱斷面均為V型坡，左、右線的最小坡度均為2.0‰，最大坡度均為26.0‰，區間隧道埋深在11.45～22.32 m，豎曲線最小半徑為3 000 m。

2 工程地質

2.1 地形地貌

長沙市軌道交通6號線工程韶光站-龍華站盾構法施工區間長1 786 m，平均覆土埋深在18.2～22.6 m，盾構區間穿越地層主要為中風化泥質粉砂巖，屬軟巖，遇水易崩解。左、右線區間地質剖面圖如圖1所示。

2.2 隧道區間地質概況

根據韶龍區間巖土工程勘察報告，區間穿越地層較一致，主要以lt;8-2gt;中等風化泥質粉砂巖為主。沿線中等風化泥質粉砂巖巖質較軟，天然狀態下抗壓強度為0.96～6.68 MPa，覆土厚度在18.2～22.6 m。

3 盾構刀盤刀具預防磨損措施

3.1 刀具配置

刀具的配置主要以滾刀和刮刀為主。本區間單線長度為1 786 m，根據隧道均處于泥質粉砂巖的巖層特征，決定采用以滾刀為主的配置。以韶龍區間左線盾構機DG543為例，刀具配置為中心滾刀8把、正面滾刀23把、17寸單刃滾刀4把、切刀64把、邊刮刀16對、偏心滾刀4把。

根據施工區間隧道地質資料，刀盤選型采用復合式中心支撐。刀盤采用Q345B型鋼，直徑為6 460 mm。開口率為37%，開口均勻分布。為使渣土能夠穩定輸入土倉內，需充分保證刀盤在本標段地層掘進時的耐磨性能。

面板均勻設計6個泡沫注入口，為單管單泵配置，與膨潤土共用，具有較強的渣土改良能力，切削渣土改良效果好，具備較強的流動性和穩定性，防止刀盤掘進升溫結泥餅。

3.2 刀具改良

周邊滾刀采用鑲齒滾刀，鑲齒滾刀采用金屬元素鈮的滲入，刀圈的剛性及韌性都得以提升，更好地保證了刀圈的耐磨性以及耐撞擊性。刀圈兩側涂焊有大面積的WC碳化鎢耐磨層，以加強刀具的耐磨性。

鑲齒合金邊的尺寸為15 mm×20 mm，合金邊的鑲嵌深度達到25 mm，外尺寸只有4 mm，防止鑲齒脫落，保證了盾構機的長距離掘進。鑲齒滾刀如圖2所示。

3.3 刀盤耐磨配置

具體配置如下：①面板焊接10 mm厚的Hardox500型耐磨板。②外周焊接50 mm厚的合金保護刀。③底部堆焊網格（50 mm×50 mm，高5 mm，寬5 m）。④邊緣過渡區域堆焊耐磨網格（50 mm×50 mm，高5 mm，寬5 m）。

4 盾構掘進施工參數分析

本文以韶龍區間左線掘進前100環為例分析。

4.1 總推力分析

通過統計分析，區間盾構在中風化泥質粉砂巖的地層掘進過程中，盾構總推力基本呈現出直線均勻分布規律。始發時根據覆土深度和巖層性質經過計算總推力控制在8 000 kN以下， 20環以后總推力逐步上升。在前100環總推力最小為6 200 kN，最大推力為12 400 kN，后期平均穩定在9 220 kN。前100環推力圖如圖3所示。

4.2 扭矩分析

通過統計分析，區間盾構在中風化泥質粉砂巖的地層掘進過程中，刀盤扭矩最小為1 560 kN·m，最大為3 080 kN·m，平均在2 550 kN·m，控制扭矩在3 000 kN·m以下。前100環扭矩圖如圖4所示。

4.3 掘進速度分析

通過統計分析，區間盾構在中風化泥質粉砂巖的地層掘進過程中，刀盤掘進速度最小為7 mm/min，最大為49 mm/min，平均值約為32 mm/min。左線掘進速度圖如圖5所示。

4.4 掘進姿態分析

通過統計分析，區間盾構在中風化泥質粉砂巖的地層掘進過程中，水平及垂直姿態控制波動較大，百環內盾構掘進姿態穩定在±50 mm以內，整體成型管片水平偏差在-48～48 mm。左線垂直姿態偏差圖如圖6所示，左線水平姿態偏差圖如圖7所示。

4.5 上土倉壓力分析

通過統計分析，盾構在始發時因洞門剛進行注漿封堵，上土倉壓力不宜高于0.04 MPa，否則易造成洞門噴涌。20環以后，上土倉壓力保持在0.08～0.15 MPa，盾構下穿排水箱涵及人民路地下通道等風險源時，將上土倉壓力提高至0.15 MPa。在長時間停機時，上土壓力維持在0.12 MPa左右。上土倉壓力分析圖如圖8所示。

5 盾構掘進姿態控制

在韶龍區間左線的推進過程中，掘進到+89環時，盾構機姿態體呈現上浮趨勢且盾頭上抬幅度遠大于盾尾。對于左線盾構的姿態問題可能的原因進行分析，并制定了相應措施如下：①加大土壓，維持在0.18 MPa以上，推進速度調整到30 mm以下。②在前盾處增設5 t配重。③加大上部油缸壓力，范圍保持在23～28 MPa。④在盾體潤滑孔注水清洗盾體。⑤調節鉸接油缸上下行程差，形成新趨勢。

嚴格落實以上措施后，左線盾構姿態仍呈現出一種整體持續上浮，且盾頭上抬的趨勢。因左線盾構姿態的不可控性暫停掘進進行分析，并采取了以下措施：①改造刀盤。前盾直徑6 430 mm，將38A、38B（開挖直徑6 460 mm）邊滾刀更換為撕裂刀（更換后開挖直徑為6 480 mm，略大于18寸滾刀），增加4把收土刀和4把保徑刀（開挖直徑6 480 mm）。②控制掘進參數。將刀盤轉速控制在2.5 r/min，推進速度控制在5 mm/min，屏蔽油缸情況（使用14/15/16/1/2號油缸）。③將注漿量控制在4 m3，初凝時間控制在6～8 h。④在拼裝機托梁下部增加反力裝置，兩側各50 t千斤頂，推進中隨時頂緊。

嚴格落實以上措施后，盾構姿態已恢復正常，目前穩定可控，俯仰幅度由+17 mm/m變化到-18 mm/m，抬頭上升趨勢已變為向下，盾構機整體不再上浮。

6 盾構姿態及管片上浮控制技術研究

在全斷面中風化泥質粉砂巖地層中，因水位線普遍高于區間隧道，圍巖性質較穩定，盾構掘進過后的成型孔洞不會將管片立即進行包裹，管片與掘進隧道間會形成空間，且同步注漿漿液凝固時間較長，底部裂隙水積累易將管片抬起。通過多次實驗確定了同步注漿配合比（質量比），注漿配合比見表1，初凝時間為6～8 h。

每間隔30環開始注水泥漿-水玻璃雙液漿施做止水環，水泥漿：水玻璃質量比為1：1，漿液凝固時間為3 h，在盾構隧道豎曲線坡度為26‰的條件下有效避免了裂隙水匯集在管片底部，導致管片上浮。

在上浮段的每環管片之間采用φ16的短鋼筋，通過連接螺栓相互焊接牢固，通過硬質連接將管片聯系在一起避免上浮，取得了較好的效果。

7 結束語

本文針對長距離穿越全斷面中風化泥質粉砂巖地層，結合長沙市軌道交通6號線土建一標韶龍區間盾構施工經驗進行探討。該圍巖總體性質較為穩定，盾構施工主要面臨刀盤刀具磨損過大、推進姿態上浮難以控制等問題。通過對土壓平衡盾構在該地層盾構掘進參數的控制、姿態調整、渣土改良及同步注漿管理的關鍵技術研究分析，及時優化了相應設備配置和技術參數，使盾構在中風化泥質粉砂巖中單線日掘進達到了14～20環/天，管片拼裝無滲漏、無破損、無明顯錯臺，地面沉降控制在3 mm以內，有效保障了韶龍區間的盾構掘進的穩定高效，為今后類似情況的土壓平衡盾構穿越中風化泥質粉砂巖施工提供一定參考。

參考文獻

[1] 王星鈞.全斷面中風化泥質粉砂巖地層中盾構施工技術[J].建筑機械化，2019（9）：38-39.

[2] 張磊.長距全斷面強～中風化泥質粉砂巖地層盾構掘進參數研究[J].中國水運（下半月），2020（7）：132-134.

[3] 聶彬，黨亞杰.中風化泥質粉砂巖層江底聯絡通道施工技術[J].隧道建設，2015（S2）：162-166.

[4] 葉新宇.泥質粉砂巖地層土壓平衡盾構渣土改良試驗研究與應用[D].長沙：中南大學，2014.

[5] 鄭彥飛.新建重慶至黔江鐵路長江隧道盾構施工關鍵技術研究[J].鐵道建筑技術，2021（7）：106-110.

收稿日期：2024-06-06

作者簡介：戴天琪（1991—），男，湖南岳陽人，本科，工程師，研究方向：城市軌道、地下空間。