如何保證砂卵石地層中盾構隧道安全高效施工

1、如何保證砂卵石地層中盾構隧道安全高效施工中國中鐵二局股份有限公司鄒坤秘摘要：隨著近幾年地下工程建設的不斷發(fā)展，盾構施工技術越來越成熟，特別是在城市軌道交通建設中更顯示出其優(yōu)越性。但在城市地下進行盾構隧道掘進施工，有時將因為一些硬件問題導致地面沉降過大、地下管線破損、建構筑物坍塌，采取何種措施來改善盾構機硬件問題，從而保證地面沉降、地下管線以及建構筑物安全。本文針對中國中鐵二局股份有限公司引進的羅賓斯盾構機和中鐵隧道裝備制造的刀盤所遇到的問題，提出了相應的解決方法，希望能對遇到相同或相近的盾構硬件問題起到借鑒作用。關鍵詞：盾構 硬件問題 建構筑物 安全1、 前言地鐵工程建設所選線路主要區(qū)段均在城

2、市的主城區(qū)，因規(guī)劃和歷史原因，地鐵隧道線路主要在城市道路下方穿行，或將不可避免的在既有建構筑物或地下重要管線下方穿行。但受盾構施工機理和地質情況的限制，掘進時將引起地面隆起和沉降。若沉降和隆起超過地下管線或建構筑物允許變形值，造成地下管線和建構筑物變形、開裂，甚至建筑物倒塌，造成嚴重的安全事故，不但影響施工生產和施工安全，還將造成嚴重的社會不良影響。特別是成都砂卵石地層含水量豐富且有粉細砂透鏡體，在擾動時掌子面不穩(wěn)定，造成地面沉降量和沉降速率變化較大。在硬件設計不合理時如何改進，從而確保地下管線和地面建構筑物的安全。2、 成都地質情況描述 成都地鐵隧道主要穿越砂卵石土層，卵、礫石成分以灰?guī)r、砂

3、巖、石英巖等為主，呈圓形亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。卵石含量約80%，粒徑以20100mm為主，最大粒徑500mm，圓礫含量約10，兼夾漂石，漂石最大粒徑700mm。卵石硬，最大強度可達200MPa。卵、礫石以中等風化為主。充填物主要為中細砂及少量粘性土。卵石土層頂板埋深1.422.0m。對于經過長期沉積未降水區(qū)域砂卵石層致密性較好。按地下水賦存條件，地下水分為兩種類型：第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。其中，第四系孔隙水，主要賦存于各個時期沉積的卵石土及砂層中，土體透水性強、滲透系數(shù)大（25m/d），地下水水量豐富，是段內地下水的主要存在形式。 圖1 基坑開挖情況 圖2 盾構掘進出漂石3、 盾

4、構施工中引起沉降的情形分析（1） 、盾構掘進切削面地層變形：推力過大、刀盤轉速過快和掘進速度慢，對掌子面擾動大，造成上方土體坍塌進土倉引起沉降（欠壓掘進）；推力過大和出土率小引起的擠壓隆起。（2） 、盾尾脫出后地層變形：土體與管片之間的建筑縫隙填充量不足或不能及時填充引起地面沉降；注漿壓力過高引起地面隆起。（3） 、盾構機硬件問題引起地層變形：刀盤結構形式不適應該地層，或渣土改良系統(tǒng)不合理，造成刀盤面板、土倉內結餅，從而使出土量增加，引起地面沉降。 因地層變形，鄰近的地下管線和建構筑物將會受到不同程度的影響而發(fā)生沉降、隆起、傾斜、甚至結構損壞。4、 保證盾構掘進安全高效施工措施在盾構掘進中如何

5、保證地下管線、建構筑物的安全，其他地方已有詳細的施工技術措施，在此處就不再提。現(xiàn)對掘進過程中發(fā)現(xiàn)盾構機刀盤設計不合理、改良系統(tǒng)不能滿足砂卵石地層施工時，應作何改進來確保施工安全和高效完成施工任務。（1） 、我司在成都地鐵2號線二期工程引進的羅賓斯盾構機所遇到硬件問題及改進措施：1）、刀盤問題及改造措施、刀盤設計直徑為6310mm實際直徑為6350mm，周邊刮刀超過周邊滾刀高度，且刮刀不能滿足砂卵石地層的磨損。刀盤面板五孔刮刀耐磨性差，掘進不足30環(huán)，該刀具已嚴重磨損。造成刀盤面板磨損嚴重，進而使刀盤面板結泥餅，造成多出土引起地面沉降。周邊刮刀和面板刮刀不能滿足砂卵石地層刀具配置要求，做出以下改

6、進：將原裝刮刀改為四孔弧形刮刀，減短刮刀尺寸使其低于周邊滾刀，達到刀盤設計尺寸6310mm。面板刮刀采用合金刀頭，掘進200環(huán)后刮刀磨損微乎其微，且減小了刀盤磨損和防止刀盤面板結餅。保證進出土順暢，進而確保地面沉降。 圖3 羅賓斯原裝周邊刮刀 圖4 改造后加厚型周邊刮刀 圖5 羅賓斯原裝面板刮刀磨損圖片 圖6 改造后5孔刮刀圖片、掘進過程中刀箱結餅嚴重，每次開倉檢查均發(fā)現(xiàn)刀箱被泥餅楔死，刀箱中滾刀被泥餅包裹后造成嚴重偏磨，部分存在刀圈崩裂掉落現(xiàn)象。通常情況掘進30環(huán)后就必須更換刀具，該盾構機不具備帶壓換刀能力，常壓換刀安全風險大，容易造成地面沉降。為改變現(xiàn)狀，專為此刀盤設計了面板耐磨貝殼刀（替

7、代滾刀）和中心撕裂刀，掘進200環(huán)后開倉檢查刀具，刀具磨損在1cm以內，滿足該地層的磨損性能，刀盤面板也得到了有效保護。在刀箱結餅情況下也不影響刀具的正常使用，且能保證正常掘進。 圖7 滾刀偏磨情況 圖8 面板耐磨貝殼刀圖9 中心撕裂刀、盾構機刀盤牛腿數(shù)量為8個，且支撐成T字形。掘進中由于支撐背過多且間距較小，造成中心區(qū)域渣土流動性差，致中心區(qū)容易結泥餅（成傘形）；支撐成T字形，刀盤轉動阻力變大、刀盤扭矩變大，刀盤轉速也將隨之加快才能轉動刀盤，對地層擾動也將加劇，且支撐背上容易粘結泥餅。通過和設計者、制造者討論，將支撐背對稱的割除2根。割除后可減小刀盤轉動阻力和刀盤扭矩，并能增加中心區(qū)域渣土的

8、流動性（減小向下流動的阻礙），進而延長中心區(qū)域渣土結餅是的時間。 圖10 刀盤8個支撐背 圖11 支撐背以內傘形結餅 圖12 對稱割除兩根支撐背、刀盤厚度為700mm，開口率為32%，開口共12個，周邊8個，中心區(qū)域4個比之周邊大，開口均為直筒型。中心區(qū)開口在支撐背以內，該區(qū)域內渣土流動性差容易結餅，結餅后中心區(qū)開口將不能進土，實際開口率將嚴重縮小，導致進土不暢、推力增加、速度變慢，原地來回擾動造成刀盤上方土體坍塌進入土倉進而多出土，引起地面沉降。開口為直筒型且長度大，不利于渣土流動，容易造成開口處結餅。根據(jù)上述情況結合刀盤結構形式做以下改造：（一）將中心4個開口部分三角區(qū)域改為斜三角，增加開

9、口渣土的流動性。（二）刀盤周邊割除刀箱4個，開口率從原來的32%增至約40%，增強渣土在刀盤周邊開口的流動性。并在割除的刀盤筋板上增加12把面板刮刀。 圖13 中心開口未改造前 圖14 中心開口改造后 圖15 周邊4個刀箱割除位置和中心三角區(qū)域改造位置2）、渣土改良系統(tǒng)原盾構機泡沫系統(tǒng)中的空氣流量十分不穩(wěn)定，時有時無，并且泡沫的實際流量跟操作面板上面顯示的流量不一致，且泡沫管道經常堵塞。導致渣土流塑性變差，久而久之造成土倉結餅、出土量變多，引起地面沉降。從日本進口一臺泡沫系統(tǒng)，對原有的泡沫系統(tǒng)進行更換，使之能根據(jù)需要調節(jié)發(fā)泡氣體流量，并能確保流量的穩(wěn)定。并對沫噴頭進行以下改進，防止管道堵塞：（

10、一）將止回板通孔加大，即使加注含有雜質的膨潤土溶液,也能盡可能讓其減少堵塞幾率；（二）將止回板通孔部位改造為半球形，從而改善止回膠片的活躍度和密封性能；（三）將原來中心噴射改為四周噴射，從而增加止回膠片是使用壽命，盡量減少因止回膠片磨損造成管路堵塞。 圖16 原裝泡沫噴頭止回板 圖17 改造后泡沫噴頭止回板 （2）、我司在成都地鐵4號線一期工程引進中鐵隧道裝備制造的刀盤所遇到問題及改進措施：S394為海瑞克盾構機，在投入4號線之前已完成了4條地鐵線的施工任務，掘進里程達10000m。投入4號線之前進行了較為徹底的檢修，并跟換了刀盤。海瑞克刀盤和中鐵隧道裝備刀盤結構形式見圖18、圖19。海瑞克盾

11、構刀盤開口率為28%，中鐵裝備刀盤開口率為36%。 圖18 海瑞克盾構刀盤 圖19 中鐵裝備刀盤掘進效率低、出土量大、地面沉降超限的情況下經過幾次開倉,均發(fā)現(xiàn)刀盤牛腿和環(huán)梁形成的閉合區(qū)域內以及刀箱中結有泥餅，面板環(huán)梁區(qū)域內結餅,且中心刀完全被泥餅覆蓋，并向前突出近10cm的圓餅，造成環(huán)梁區(qū)域以外的刀具大部分未接觸到掌子面。牛腿范圍內的土體未能快速流動,刀具也不能有效地切削土體，故掘進控制非常困難，造成地面沉降連續(xù)報警并引起地下管線變形。上述情況原因分析如下：、由于地下水位較低，推進過程中加泥加水設施未能有效到位，導致碴土改良不及時（特別是牛腿及環(huán)梁內），造成刀盤面板、土倉、刀盤牛腿間結泥餅嚴重

12、。、刀盤面板全部使用雙刃滾刀，過多地破碎了卵石，形成粉末，改良不及時，更加重了泥餅的形成。、牛腿內無加泥加水設施，導致泥餅從圓心逐漸向面板四周堆積和擴散，最終整個面板被“糊”。 、膨潤土溶液中，膨潤土量偏大（偏稠），土倉內溫度偏高時，會使膨潤土溶液失水，與渣土結合后加劇了土倉內泥餅的形成。 圖20 牛腿結餅情況 圖21 刀盤面板中心區(qū)域結餅情況圖22 刀箱結餅情況盾構推進時，刀盤轉動對掌子面土體擾動較大， 掘進速度緩慢時（土倉及刀盤面板結泥餅），對掌子面擾動更加嚴重，從而使刀盤上方土體坍塌，造成地面沉降過大。為改變這種狀況，結合刀盤和中心回轉接頭的結構形式，改進方案如下：1） 、增加中心沖刷裝

13、置 、原有泡沫及膨潤土通道保持不變，在此基礎上增加一個液壓回轉接頭及一個中心沖刷回轉接頭，其串接在原有回轉接頭尾部，具體結構見下圖圖23 中心回轉接頭細部構造圖、利用4路液壓回轉接頭通道分別對刀盤四個中心開口處進行沖刷，利用串接的中心沖刷回轉接頭對刀盤牛腿之間進行沖刷，同時利用前盾土倉隔板上的上部左右各一個被動攪拌棒的通道對牛腿之間進行沖刷。圖24 牛腿及環(huán)梁內部沖刷效果圖 2)、為改善刀盤盤面中心區(qū)域的流動性，同時適當減少中心開口的進渣量以降低土倉中心泥餅的產生幾率，適當減少了刀盤中心區(qū)域刮刀安裝數(shù)量。 圖25 中心刮刀摘除前 圖26 中心刮刀摘除后（紅色區(qū)域刮刀拆除）3)、中心滾刀更換為撕

14、裂刀刀盤環(huán)梁內的8把滾刀更換為撕裂刀，撕裂刀伸出刀盤面板比滾刀高30mm，具有一定的先行作用。采用先行刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低滾刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少滾刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。 圖27 滾刀 圖28 撕裂刀5、盾構施工參數(shù)控制與渣土改良 （1）、羅賓斯盾構機經過改造恢復掘進制定了以下參數(shù)和渣土改良措施： 1）、根據(jù)羅賓斯盾構機機理，以及砂卵石地層掘進經驗，對掘進參數(shù)做以下設定： 出土量V=切削面半徑2××管片幅寬×F，根據(jù)成都地鐵2號線二期工程（西延伸線）地質探勘以及補勘資料顯示，該區(qū)域內的渣土松散系

15、數(shù)值取F=1.2。因此出土量控制在45m³（管片幅寬為1.2m）、55m³（管片幅寬為1.5m）以內。掘進中每出一廂土都要對推進的行程進行一次校核，統(tǒng)計多出土的情況，并做好出土記錄。如果實際出土量超出理論出土量的5%，出土量無法控制，必須立即停機，并及時采取洞內二次補注漿及地面跟蹤注漿措施，防止地面沉降。同步注漿的注入率應控制在130%250%之間，注漿壓力控制在23bar，最大程度利用同步注漿將建筑間隙填滿。注漿過程中應嚴格控制注漿壓力，壓力過大將使地面隆起，反之亦然。為確保間隙填滿，管片脫出盾尾23環(huán)后進行二次注漿，注漿壓力控制在2.53bar。2） 、渣土改良 使用膨

16、潤土溶液+泡沫溶液 膨潤土溶液 水：膨潤土=100kg：52kg，即1m3水加520kg膨潤土； 泡沫溶液 使用CF=3%的泡沫，泡沫膨脹倍率FER=10； 以上兩種溶液，膨潤土溶液的注入率為20%，泡沫溶液的注入率為10%，合計注入率為30%，使用刀盤最外側的兩個管路注入泡沫溶液，其余管路注入膨潤土溶液。按照上述泡沫及膨潤土溶液的配比及注入率，下表給出了1050mm/min速度值下對應的膨潤土及泡沫流量： 每環(huán)（1.2m)掘進行程泡沫注入量參數(shù)表序號12345速度(mm/min）1020304050時間（min)12060403024總注入量（L/min）3.136.259.3812.515

17、.63 每環(huán)（1.2m)掘進行程膨潤土溶液注入量參數(shù)表序號12345速度(mm/min）1020304050時間（min)12060403024總注入量（L/min）62.5125187.5250312.5 （2）、S394盾構機渣土改良系統(tǒng)改進后恢復掘進參數(shù)設定如下:推力（kN）扭矩（kN.m） 刀盤轉速（rpm） 土倉壓力（bar）螺旋機轉速（rpm）80001500045001.01.30.50.8（1#土壓傳感器）與土壓相匹配根據(jù)成都地鐵4號線3標地質探勘以及補勘資料顯示，該區(qū)域內的渣土松散系數(shù)值取F=1.2。因此出土量控制在42m³（管片幅寬為1.2m）、52m³（管片幅寬為1.5m）以內。掘進中每出一廂土都要對推進的行程進行一次校核，統(tǒng)計多出土的情況，并做好出土記錄。如果實際出土量超出理論出土量的5%，出土量無法控制，必須立即停機，并及時采取洞內二次補注漿及地面跟蹤注漿措施，防止地面沉降。同步注漿及二次注漿按照常規(guī)進行注入。渣土改良：中心部位的沖刷裝置，從開刀盤啟動到停止，不間斷的向土倉內以每小時8至10