黄河漫滩Ⅰ级阶地富水红砂岩、卵石互层盾构掘进控制研究

黄河漫滩Ⅰ级阶地富水红砂岩、卵石互层盾构掘进控制研究

王术利

中铁六局集团有限公司，北京市， 100036

摘 要

随着全国各地城市轨道交通建设的展开，盾构工法因其具有机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点，在城市地铁、市政、电力等地下隧道修建过程中得到了越来越多的应用，盾构施工技术已在中国走向成熟，然而在兰州市黄河漫滩Ⅰ级阶地富水红砂岩、卵石互层隧道盾构过程中，由于存在某些技术控制不合理的情况，使得右线出现了掘进参数异常、地面沉降、管片错台破损现象，这严重影响了隧道工程的质量。本文就兰州轨道2号线一期2-TJ-5标盾构掘进参数左右线对比进行分析，为黄河漫滩Ⅰ级阶地富水红砂岩、卵石互层特殊地层实际施工提供了依据，仅供参考。

关键字：盾构施工；掘进参数；红砂岩；防治技术

Abstract

With the development of urban rail transit across the country,shield tunneling method, with its advantages of high mechanization degree, fast tunneling speed, small impact on the surrounding environment and relatively high construction safety, has been increasingly applied in the construction process of underground tunnels such as urban subway, municipal administration and electric power.Shield construction technology has become mature in China,however, in Lanzhou yellow flood land Ⅰ level terrace rich water red sandstone, pebble layer in the process of shield tunnel, due to some technical control unreasonable situation, makes the right line in the tunneling parameters abnormality, ground subsidence, fault segment breakage phenomenon, that influence the quality of the tunnel engineering seriously.In this paper, the Lanzhou railway line 2 issue 2 - TJ - 5 standard of shield tunneling parameters about line contrast analysis, for the yellow flood land Ⅰ level terrace special water rich red sandstone, pebble interbed formation provide a basis for the actual construction, for yellow flood land Ⅰ level terrace rich water red sandstone, pebbles and provide a basis for the actual construction, special strata are for reference only.

Keywords: shield construction; tunneling parameters; red sandstone; prevention and control technology

一、工程概况

兰州市轨道交通2号线土建工程施工05标段3个盾构区间，区间长度为：2032.5m,双线共计：3388环。区间右线曲线半径分别为450m、450m、1200m，区间左线曲线半径分别为450m、450m、1200m。区间出五里铺站后，依次以28‰、8.0‰坡度下坡，而后以9.076‰坡度上坡，最后以2‰坡度下坡至雁南路站，区间隧道埋深9.92～13.85m，线间距12.5～16.1m。勘探揭露，场地地层自上而下由第四系全新统人工填土、冲击状黄土、冲击粉细砂、粉土、粉细砂、卵石及下第三系砂岩等构成。主要穿越4-2-1强风化砂岩层，局部穿越2-10卵石层。一般粒径为40mm～120mm，勘探揭露的最大粒径为500mm，卵石层级配不良，极易发生卡刀盘、卡螺旋输送机等情况。4-2-1强风化砂岩为半成岩，遇水易软化崩解，不经扰动时强度较高。2-10层卵石土厚度大、透水性好、赋水性强，场地主要为含水层，勘察期间钻孔两侧的地下潜水埋深5.00～8.50m，流向由西南向东北，地下水主要受大气降水、山前经向径流等补给，地下水位受季节影响，水位年变化幅度约2.0m左右。

图1 区间左线地质剖面图

二、盾构机在黄河漫滩Ⅰ级阶地特殊地层掘进现状

本工程右线盾构机在红砂岩、卵石互层与全断面红砂岩的地层掘进过程中，主要存在以下几类问题。

（1）掘进参数异常，推力大，掘进速度慢，地面沉降大。

（2）中心路泡沫特别容易堵塞，泡沫共六路管路，其中有两路泡沫管堵死（2路、5路），其余正常。

（3）出渣量难以控制。

图2 掘进时的参数

三、相同地层左右线对比分析

1、左右线掘进参数分析：

目前右线地层是强风化红砂岩、卵石互层，砂岩在底部，卵石在上部。掘进情况是速度低、扭矩大、推力大，出现超方现象。同样采用左线施工经验，掘进效果差别较大。中铁号与铁建盾构机双线50-70环掘进参数对比如下：

图3-1 中铁436盾构机扭矩、总推力、贯入度速度折线图

右线总推力在开始掘进后相对于左线偏大，76环之后上升到2000t以上，最高时达到2900t，刀盘扭矩基本稳定在4500以内，掘进速度相对左线较慢，稳定在20mm/min左右，但在76环之后出现10mm/min以下的速度。

2、左右线刀盘配置分析：

图3-2 中铁装备(开口率36%) 图3-3 铁建重工(开口率35%)

通过对比我们不难得出：中铁装备配置的刀高更高，有利于对土体的切削，更加适合快速掘进，刀盘配置原因可以排除。

3
、盾构推力计算分析

图3-4 盾体受力分析示意图

盾构的推力主要由以下五部分组成：

式中：F₁为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；

F₂为刀盘上的水平推力引起的推力；

F₃为切土所需要的推力；

F₄为盾尾与管片之间的摩阻力；

F₅为后方台车的阻力。

:

式中：C为土的粘结力，C=4.5t/m

²

式中：W_C 、μ_C为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m3，管片宽度按1.2m计时，每环管片的重量为19.29t），两环管片的重量为38.59t考虑。μ_C=0.3

式中：G_h为盾尾台车的重量，G_h≈160t；

θ为坡度，tgθ=0.017

μg为滚动摩阻，μg=0.05

盾构总推力： ，盾构机在掘进过程中，实际推力高达2900t，与理论值明显不符。

假设一：地表沉降，在盾体上方及周围有砂卵石（不排除有大粒径卵石）地层包裹盾体，使地层与盾体摩擦力增大F₁，导致推力过大。我们通过连续快速掘进，注入盾壳膨润土，未取得明显改善效果。地层包裹土体因素可以排除。

假设二：土体过于坚硬。详勘报告表明，该地层中风化砂岩最大抗压强度为51kPa，并不会使刀盘上的水平推力引起的推力F₂，切土所需要的推力F₃增大，该假设可排除。

假设三：盾尾摩擦力于后配套拖拽力过大。盾尾间隙最小为58mm，盾尾上没有附着物，不可能是由于管片与盾尾的摩擦力F₄增大，引起推力增大。同样也不是由于拖车拖拽力增大，引起推力增大，该假设可排除。

4、成型管片分析

图3-5 成型管片于盾构机姿态曲线表

从上表我们不难得出：本地层成型管片相对于盾尾姿态正常上浮3-5cm，自70环至85环，管片姿态突然下沉。

5、渣土改良

前观察通过刀盘扭矩和螺机排渣情况来看，渣土改良效果比较理想，每环泡沫用量约70L左右，刀盘加水每环约17方左右，膨润土管注水量约6方/环，本地层掘进用适量较大。

图3-6 出渣情况（砂岩、卵石）图片

（1） 渣土改良试验

本次试验主要计算水、泡沫剂与渣土的配比，到达渣土改良的初始配比，以

指导前期盾构施工。具体实验步骤为：①在施工场地取与隧道所处地质条件相同的渣土；②分别做水、泡沫剂与渣土的配比；③得到水和泡沫剂与渣土的最佳配比。水、泡沫、渣土配比试验：

四组试验图样如下：

（a） （b） （c） （d）

a、b组渣土流动性不好，不适合盾构机在改地层中掘进，不做考虑。c、d组渣土具有很好的流动性能。

（2）渣土改良分为刀盘面板区改良与土仓内部改良

刀盘面板渣土改良优于土仓内部渣土改良，实验a模拟的就是刀盘面板区域的渣土改良，刀盘切削的土体无流动性，呈可塑状，粘度高，很容易黏贴在刀盘上，在高温作用下很快结成泥饼，导致泡沫喷口堵塞。刀盘面板区域需打入足量的水（如实验c），使渣土具有很好的流塑性。

四、采取解决措施

1、重新计算土仓压力值，在掘进过程中，地表监测实时监测沉降信息，将信息及时传达主司机，主司机根据监测数据结果调整土仓压力，确保地表稳定，减小沉降速率。

2、对堵死的泡沫管路再次进行疏通，增加刀盘面板中心管路水与泡沫的注入量，确保渣土改良在面板区域就能取得很好的效果。

3、现场渣土改良根据刀盘扭矩及螺机排渣情况及时调整，密切观察渣土温度，避免糊刀盘现象。

五、结论

本工程中，右线掘进调整参数之后，有效的提高了掘进施工效率，使得整个掘进施工连续、快捷，无需停机进行专门的加固处理，相对大大节约了施工工期。同时在此不良地段中掘进一次性通过，过程中未开仓实施换刀，不仅节省了刀具更换成本，而且避免了开仓安全风险。通过不断的试验总结，盾构机穿越上述地层时，没有发生较大的问题，各项掘进参数平衡稳定，地面未发生异常沉降和塌方。其结果得到各级领导的好评，取得了良好的经济和社会效益。

参考文献：

[1] 苏斌,苏艺，江玉生.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术[J].人民交通出版社,2013.4（1）：ISBN 978-7-114-10445-9.

[2] 陈馈,洪开荣.盾构施工技术[J]. 人民交通出版社,2016.3（2）：ISBN 978-7-114-12800-4.