南京机场线复合地层盾构掘进施工技术研究

南京机场线复合地层盾构掘进施工技术研究

黄晓雯

上海隧道工程有限公司越江工程项目项管部上海200082

摘要：文章介绍了南京机场线2#盾构工作井～佛城西路站区间隧道复合地层盾构施工过程中主要施工技术难点和措施。本工程包括了全断面粉质黏土、全断面硬岩和上部黏土下部岩层三类典型地质条件。针对施工过程中开挖面结泥饼和刀具磨损两大技术难点，从复合地层盾构机选型、施工参数控制、辅助工艺等方面进行分析，为类似地质条件下的土压平衡盾构掘进施工技术发展提供参考。

关键词：复合地层；泥饼防治；刀具管理；施工参数控制。

1工程概况

2#盾构工作井～佛城西路站为南京机场线地铁区间隧道，隧道外径为6200mm，管片环宽1.2m。包括左线及右线隧道各约1089m，隧道顶覆土在6.46m～12.37m之间。采用两台6480mm复合型土压平衡盾构机掘进施工。

区间隧道左右线地质条件相近，以全断面粉质黏土为主，涉及多段上部黏土下部岩层的复合地层，以及少量全断面硬岩工况。以右线隧道为例，地质条件示意如图1所示。

图1区间隧道地质条件示意图

2地质分析

1）南京机场线场区主要包括岗地、岗间谷地和秦淮河河谷堆积平原区等地形地貌。地形低洼处分布有大量软土，场区地层裂隙、地下水较为发育，地层岩性特征、基岩埋深和上覆土厚度存在显著的空间变异性。因此，土层、岩层组合的复合地层物理力学性质差异较大，软硬不均，需要针对不同地层特性制定不同的针对性措施，同时在盾构选型和掘进参数控制时不同措施需求可能存在一定的矛盾，应当根据实际工况予以平衡及取舍。

2）本区间隧道岩层复杂多样，包括了安山岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，岩层风化程度、破碎程度不一，部分破碎状安山岩存在基岩裂隙水承压，环境地质条件十分复杂。同时，隧道断面内各岩层强度差异大，一般在2MPa～20MPa之间，但在工程勘察报告中，中风化安山岩峰值强度亦可达到79.9MPa。

表1土层试验指标统计表

表2岩层试验指标统计表

3泥饼防治

1）泥饼的形成原因：粉质黏土及强风化的泥岩、粉砂岩中富含黏土矿物颗粒，经刀具切削形成粉末状后，小块的土颗粒容易吸附在刀盘、刀具及土仓壁上。而刀盘切削土体过程中的摩擦生热会造成土仓温度升高，在高温作用下，这些未能及时排出的土体会逐步固结，从而形成泥饼。

图2常见的刀盘中心泥饼

2）泥饼的危害：首先，泥饼会降低刀盘的切削效率导致推力逐步增大而推进速度逐步减小，严重影响施工进度。其次，泥饼无法及时排出可能会导致出土量小于实际开挖量，引起超挖，造成一定的环境沉降危害。最后，当泥饼附着在滚刀上时，会造成滚刀无法转动从而严重偏磨。

3）泥饼的预防：从泥饼的成因可以看出，预防泥饼的关键在于增加土体的流动性确保出土顺畅，主要措施包括以下三个方面：

A.刀盘的设计选型：①刀盘开口率不宜小于35%但应兼顾区间隧道破岩刚度需要。②中心刀具不宜采用滚刀，并保证中心区域附近有较大开口。④刀具轨迹均匀避免产生切削盲区，刀具凸出刀盘面板一定高度以减小切削下来的渣土与刀盘面板的直接接触，并有足够空间快速流向土仓。⑤可在刀盘后壁板设置主动搅拌棒增加土体流动性。⑥刀盘面板（特别是中心区域）、土仓内设置充足的添加剂注入口及时冲刷、改良土体。

B.土体改良工艺：土体改良的目的在于将开挖面开挖下来的土体调整成一种理想塑性流动状态，同时土体改良添加剂或水能够一定程度地降低土仓温度，是预防泥饼形成的主要措施。目前，国内添加剂的应用主要包括以下几类：

图3土体改良添加剂的分类和作用

泡沫剂产生的泡沫微观上是由液膜包裹空气形成的细微颗粒，能够充分渗透到土粒周围的孔隙中，起到润滑作用，从而降低土体粘性度和附着力，提高土体流动性。并且，在土体中，泡沫和土颗粒的充分接触可以使液膜的流动受阻，减少液膜脱水泡沫破灭的可能，保持良好的稳定性。是理想的添加剂材料。但在实际的使用中，不同厂家的产品性能差异很大，应在现场通过实验确定合理的泡沫浓度、发泡倍率和注入率等参数。

C.施工参数控制：①在确保周边环境安全的前提下，宜采用欠压模式掘进。②做好施工筹划，避免不必要的停机，连续快速的施工可以保持出土顺畅，大大降低形成泥饼的风险。③监测渣土温度。施工中每环都要对渣土温度进行测量，温度高于40℃时应加水降温，必要时可采用冰水。④加强对盾构司机的交底和培训，保证施工参数和土体改良措施的执行到位。施工过程中“速度逐步降低、推力明显增大、扭矩逐渐增大”是泥饼形成的初期表征，应重视推进参数变化，第一时间发现有利于问题的及时处理。

图4渣土温度监测

4）泥饼的治理：开挖面结泥饼的问题主要重在预防，一旦形成很难有效根治，而且将耗费大量的人力财力物力以及工期成本。在目前的处理措施中，相对可行的方法主要是开仓人工清理和分散剂浸泡消解。对于环境条件复杂、开挖面自立性差的工况，必须采取相应的土体加固措施和带压进仓安全操作规程。

4刀具磨损

1）刀具磨损的原因：盾构机在岩层中掘进不可避免地产生刀具材料与岩石矿物颗粒之间的摩擦，岩石的风化程度越小、矿物硬度越大，刀具的磨损甚至断裂越严重。

2）刀具磨损的危害：刀盘切削系统是盾构掘进的前提保障，刀具的磨损及更换对硬岩工程项目的整体进度和成本起到决定性作用。甚至刀具磨损过量可能引起刀盘面板损伤，开仓换刀措施不当可能引起地面塌陷，这些都对隧道和周边环境安全有着极其重大的影响。

3）刀具管理：在一定工况条件下，刀具磨损是复合地层施工中不可避免的主要问题，因此必须通过刀具管理尽可能减小其对工程项目的危害。刀具管理就是在设计、使用、检查、更换、维修等各个环节对刀具实行PDCA全面管理。

A.刀盘布置设计：一般来说，硬岩地层主要通过滚刀挤压作用实现破岩，软土地层通过贝壳刀刮刀的切削作用实现开挖。因此，本工程盾构机采用以下四种刀具的组合布置实现三类地质条件下的综合应用，其中滚刀布置于周边范围，贝壳刀布置于中心范围。滚刀和贝壳刀采用通用刀箱背装式设计，必要时可根据地质条件变化需要相互切换。

图5本项目配置刀具

此外，刀具的轨迹和高差布置可以实现不同刀具的递进式切削和相互保护：滚刀轨迹均布于整个刀盘面板，滚刀间无法破碎的岩脊部分由刮刀完成，滚刀与刮刀的高差设计为30mm可以在保证滚刀先行破岩后刮刀才抵达岩面。刀盘面板和螺旋机叶片上加焊有耐磨条以提高耐磨性。

B.刀具工艺材质：针对本工程地层特性，富含石英砂的中风化粉砂岩和高强度的中风化安山岩分别对刀具的耐磨性和硬度具有很高的要求。因此，刀头设计采用真空熔覆碳化钨粉末复合堆层，保护层厚度为3-5mm，堆焊表面硬度HRC≥62，超硬相硬度达到HRA82-85，具有良好的耐磨性和硬度，能够很好地适应类似复合地层工况施工需要。

C.检查换刀：本工程根据地质条件计划于第一次进入全断面硬岩位置后进行刀具的检查。实际施工过程中，该位置未能实现常压开仓，在推进参数正常的情况下继续掘进。直至第二段全断面粉质黏土推进过程中发生了推力扭矩增大，推进速度减小的参数异常，在第二次进入全断面硬岩地层后开仓检查，发现外圈的滚刀磨损严重且部分刀箱结泥饼导致严重偏磨，如下图所示。

图6滚刀偏磨

因此，可以看出刀具检查更换的筹划工作必须更为严谨和细致，应增加根据磨损预测主动换刀的频率，以避免产生严重后果而被动换刀。根据经验和刀具厂家建议，检查频率应为150m~200m，磨损量大于20mm或异常偏磨时应进行更换。施工前，可以建立刀具档案对每一把刀具进行编号，记录其位置、使用日期、检查更换记录和磨损情况。对于被更换下的刀具，需仔细检查被更换刀具的状况，如被更换原因是由于刀圈磨损超标，而刀具轴承寿命（滚刀）还有相当的余量，可以送至维修厂维修后在下次换刀时继续使用，实现经济效益最大化。

4）施工参数控制：影响刀具磨损的主要施工参数是推力和刀盘转速，过大的推力和过大的刀盘转速都会加剧刀具所承受的载荷，从而加剧刀具磨损。因此，应根据盾构机能力和岩层试验指标确定贯入度，从而选择合适的刀盘转速和推力。在全断面硬岩地层可采取欠压～半敞开模式推进，施工过程中应密切关注推力扭矩和推进速度的变化和螺旋机出渣的均匀性。

5结语

1）复合地层盾构掘进施工，应重视前期筹划和盾构机选型，对软土地层和硬岩地层的不同设计需求应根据实际工况予以平衡。

2）泥饼处理重在预防，实际掘进过程中建立试验段尽快确定适合的土体改良措施并严格落实。

3）刀具管理应做好事前筹划，根据磨损分析多预设一些主动换刀的位置，为实际施工磨损的不可预测性留有余地。

4）施工参数上应密切关注推力扭矩和推进速度的变化，提前发现问题，及时处理。