天津特殊土质对盾构机系统选型的影响

天津特殊土质对盾构机系统选型的影响

张忠帅

（天津市地下铁道集团有限公司天津300110）

【摘要】天津地区土质以软土为主，盾构机的使用通用性较强。但个别区间存在特殊土质，如果选型不当，将造成施工困难，给工程带来诸多安全隐患。本文分析几个具有代表性区间，提出特殊土质情况下的盾构机系统选型要点。

【关键词】特殊土质；系统选型

【Abstract】GeologicalconditionofTianjinareaismainlysoftsoil,theshieldmachineismorewidelyapplytoconstruction.Howeverinpidualtunnelexistsspecialgeologicalconditions,inappropriateequipmentselectionwillcausetrouble,bringmanyhiddendangerstoengineering.Thispaper,analyzetypicaltunnel,putsforwardpointsofequipmentselectiononspecialgeologicalconditions.

【Keywords】Specialgeologicalconditions;Equipmentselection

【中图分类号】U455【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2016）22-0069-03

1.前言

盾构法施工应用越来越广泛，在天津地区所有的地铁隧道都是使用盾构法修建的。但在推广与应用上出现了一些施工事故，这些事故的发生80%以上是因盾构的选型失误引起的。不仅影响了整个工程的工期，还造成了极大的经济损失和不必要的人员伤亡[1]。

盾构机的选型，国内有很多的作者都阐述过意见。大多数的观点集中在怎样选择盾构机的类型，例如根据土质和颗粒级配进行选型。天津地区土质以粉土、粘土为主，渗透系数较小，土压平衡盾构机较为合适。但这样选型比较宽泛，尤其在特殊土质条件下，不够全面和细致。

2.砂砾地层的选型要点

2.1工程概况

3号线北站-铁东路区间主要穿越新开河、北宁公园水域、快速路及铁东路立交桥等建筑物。区间大部分穿越粉土和粉砂，其中有较大比例的砂砾地层需要穿越。

2.2砂砾地层隐患风险

盾构在砂砾地层中掘进，容易发生诸如盾构机的刀具和刀盘磨损量增大等问题。螺旋机出土易造成扭矩突然增大，螺旋机过载停机。按照以往全砂砾地层施工经验，一般一个区间磨损量在10mm左右。

2.3盾构选型要点

2.3.1刀盘选型

由于本区间砂砾地层较为均匀，勘探结果无漂石，因此刀盘开口率的选择的余地比较大，40%～70%都是可以接收的。面板式和辐条式都满足工况要求。

在盾构机刀盘正面加焊耐磨堆块，均匀分布，最大限度的保持刀盘旋转的扭矩的平衡性。既要确保不过度增加刀盘重量，又要增加耐磨性，耐磨堆块厚度应在10mm左右。在焊块上面堆焊网格，进一步增加盾构机的抗磨损能力，保证刀盘结构不受破坏。

刀盘背面的土仓内增加搅拌棒，使得土仓内渣土搅拌均匀，利于增加渣土流动性，提高土压传感器测量的准确性。

在砂砾地层中，磨损量较大，一般的刀盘开挖直径比盾体至少大于10mm。但不能多大，否则影响同步注浆填充效率。

2.3.2刀具选型

刀具选型的主要问题集中在刀具类型和刀具保护层。由于提供被压阻力不足，主刀不适合滚刀，应选撕裂刀。同时，配以刮刀和边缘刮刀。仿形刀的配备也是必要的，在穿越加固区和线性控制时，可通过启动仿形刀来控制盾构机。

针对砂砾地层磨损性增大，刀具的背面也应选用堆焊保护层。保护刀具在反方向时，不因磨损过大损坏。

2.3.3螺旋机选型

在螺旋机的入口处也要增加螺旋机的堆焊网格，保证螺旋机的螺旋叶片不因磨损过度而破坏。堆焊材料采用MT焊条，进行格栅形状的焊接。

此外，螺旋机的伸缩功能对砂砾层是十分必要的。因为砂砾卡住螺旋机时，能通过伸缩松动渣土，以螺旋机再转动。伸缩长度为1000mm，采用液压控制，并与系统整合，增加限位安全功能，保证使用安全。另一个方面，为考虑出土顺畅，应加大螺旋机的出土能力。直径800mm，较适合砂砾地层的出土能力要求。

螺旋机的后闸门的紧急关闭功能，是保证出土安全的重要保证。并且后闸门必须有1MP的防水压力。

2.3.4其他问题

砂砾地层另外一个重要问题就是渣土改良。我将在下一节主要分析渣土改良系统的选型问题。

2.4粉砂、细砂土质选型要点

2.4.1渣土改良的必要性

开挖面稳定是盾构法施工安全性必须满足的条件之一。高渗透率承压性的粉砂、细砂层开挖面稳定性较差，土仓压力较难控制。螺旋机出土易造成喷涌，也影响间接开挖面稳定性。盾构机停止掘进时，粉砂和细砂沉淀，再重新推进时，推力较大。渣土改良可以提高渣土流塑性，降低透水率，保证开挖面稳定，同时降低机械负荷，提高盾构掘进效率[2]。

2.4.2渣土改良方法

改良方法是通过注入一定比率的泡沫剂来实现的。泡沫原液与水先混合，再冲入气体，形成泡沫改良剂。通过刀盘正面的喷口向开挖面喷射，与土体混合，形成改良后的渣土流动到土仓内。

2.4.3渣土改良系统选型

本节选取两个不同区间施工工况进行对比，阐述渣土改良系统选型要点。

2.4.3.1月-幸区间渣土改良分析

（1）区间概况

盾构隧道埋深约9.5m～15.5m，洞身位于第一承压含水层中，水层主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密。500环～583环穿越全断面砂层，穿越⑧2粉砂、⑧23粉土、⑧25粉砂层。

（2）泡沫系统配置

泡沫原液比率恒定，且泡沫系统不予盾构操作系统集成，给操作带来困难，只有启动和停止功能。遇到土层和土仓压力变化时，不能随时进行参数调整。无法控制流量、发泡率和原液比率等参数，刀盘启动时，直接注入即可。

泡沫泵、泡沫发生器以及滤芯集成为一套总成。一根主管路敷设至盾体内分为4个分管路，分管路与4个刀盘注入口连接，如图1所示。当刀盘旋转时，各个注入口标高是不断变化的，喷口面对的阻力不均，就会造成出入压力和流量不均匀，土体改良达不到理想效果。

在施工过程中，螺旋机也时常出现喷水的情况，这是由于土仓内渣土不均，改良材料没有很多与渣土混合，直接随着土体中间直接喷出。这也进一步验证渣土改良的效果不佳。

2.4.3.2黑-梅区间渣土改良分析

（1）区间概况

覆土厚度为9.76～17.6m，区间长度1202.54m，穿越⑧1、⑧2、⑨2粉质粘土、⑨21粉砂，存在开挖断面内70%以上存在密实承压水砂层的情况。

（2）系统配置对比

泡沫系统操作与盾构机人机界面充分整合。每一个分路都能独立调整比率、发泡率和流量。能根据注入口在刀盘面板的位置，针对工况有选择性地注入操作。

该盾构机的泡沫系统配置区别于其他的设备是在每个泡沫原液分路增设一台柱塞泵，能克服刀盘表面各个喷嘴由于受到土压不均而导致注入压力不足等问题。每个管路压力和流量可控，可以充分根据工况进行控制和调整。

刀盘表面有6个注入口，增加喷射密度，使改良液体能更好的、更快速与开挖土体混合，也是保证良好效果的一个原因，如图4所示。

2.4.4渣土改良小结

泡沫改良剂成分包括泡沫原液、水和空气，其配比、流量和压力的快速精确控制是泡沫系统主要性能指标。配比可调、流量较大，刀盘喷口较多且均匀分布、每个喷口独立控制压力、流量和发泡率，是满足砂层和细砂施工的理想选型。

液化黏土、粉土选型要点

（1）区间概况

中～李井区间隧道穿越主要地层③1、③2粘质粉土、⑥3粘质粉土、⑥4粉质粘土、⑦粉质粘土和⑧1粉质粘土等地层。其中③1、③2粘质粉土为古河道沉积层，土层呈褐黄～褐灰色，总体呈软塑～可塑状态，局部为流塑状态，土层含水量较高。局部夹粉砂、砂质粉土、淤泥、淤泥质土透镜体。淤泥质透镜体属流塑状态。

（2）施工情况分析

根据覆土埋深设定合理的土压，严格控制出土量，不超挖，合理的同步注浆量是保证地面良好沉降的三个要素。该区间60环至100环的区段里，出现了连续多环沉降过大的情况，最大累计量达到-220mm，肉眼观测地面沉降明显。

分析原因，发现有两点没有做好。一是土压设定不合理。埋深11m左右，土压设定在超过2.2bar,压力设定偏高，土体扰动过大。管片拼装和停机时保压措施不足，土仓压力波动较大，如图7所示。

二是个别环数同步注浆量没有达到设计值，在盾构机通过之后形成工后沉降。

针对原因，施工措施做如下调整。根据土质和埋深调整土仓压力。同步注浆量增加，每环在6m3以上，注入率达到250%左右。沉降有一定缓解，但还是超过预警值。

二次补浆效果不明显，对沉降没有明显抬升的作用。同步注浆泵的能力有限，不能注入含砂率较高的同步浆液材料。2个注浆管路安装在2点和10点钟方向，注入地方集中，不利于浆液迅速均匀填充盾构间隙。该盾构未配置注浆压力传感器，故无法得知注浆压力。在中度-重度液化粘土层，注浆压力太小不能平衡土体导致地层损失。压力过大容易产生“劈裂现象”，就是浆液进入围岩[3]。

（3）液化软土系统选型小结

液化粘质粉土地层土体较软，承载力较差。扰动过后，如果不及时填充空隙，地面就会在较短的时间内形成较大沉降。解决这一问题除了同步浆液有初凝速度快地要求之外，系统还应有较强的注浆能力。具备4个注浆口同时注浆的系统才能起到快速填充空隙的目的，而且每个管路要具有流量和压力控制功能。注浆泵应具有泵送稠度值较小的浆液的能力。这样，才能在对沉降要求苛刻的工况下，满足控制地面沉降的基本要求。

3.总结

盾构施工的目的是完成进度、质量和安全目标，同时对周边干扰降到最小。天津地铁的线网已全面铺开，逐渐把特殊土质暴漏出来，做好特殊土质的盾构选型是完成盾构施工目标的前提。目前在施和即将施工的盾构机绝大多数是老旧设备。在应用到新隧道施工时，要根据新工程特点，进行选型评估。尤其在特殊土质中，要总结经验教训，把盾构机系统选型做好、做细。

参考文献

[1]陈馈，洪开荣，焦胜军.盾构施工技术（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2016：59.

[2]鲍绥意.盾构技术理论与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2012：124.

[3]宋天天，周顺华，徐润泽.盾构隧道盾尾同步注浆机理与注浆参数的确定[J].地下工程学报，2018，（1）：130-133.