砂卵石地层盾构施工技术

砂卵石地层盾构施工技术

兰大玮

中铁城市发展投资集团有限公司 四川成都 610030

摘要：砂卵石地层盾构施工风险较大，长距离穿越砂卵石地层，往往会产生刀盘刀具磨损严重，同时如出土量控制、背后注浆控制不当，会引起地面沉降，甚至塌陷等问题。本文在北京地铁16号线某区间施工中采取了控制排土量、紧凑衔接各工序、及时同步注浆与二次补浆等控制措施，大大减小了土体沉降量，保证了施工安全。

关键词：砂卵石地层；盾构隧道施工

1 工程介绍

北京地铁16号线苏州街站后停车线～苏州桥站区间为叠落区间，盾构机从苏州桥站北端始发，至苏州街站后施工横通道接收。区间右线841.35米，左线长度841.484米。右线埋深范围为13.6m~28.4m，左线埋深范围为21.6m~38m。

盾构穿越地层由上而下揭示的地层分别为：杂填土层、砂质粉土层、粉质粘土层、粉细砂层、卵石层、粉质粘土层。盾构区间主要穿越卵石圆砾⑤层、粉质粘土⑥层、卵石圆砾⑦层。卵石⑤层一般粒径10-30mm，最大粒径不小于300mm，粒径大于20mm的含量大于55%；卵石⑦层最大粒径不小于350mm，一般粒径15～25mm。

砂卵石在该区间的盾构掘进整个长度及断面范围内中占了约^1/2，由于地层物理力学性质的特殊性^，并且存在承压含水层^，导致盾构在掘进过程中容易产生以下问题^。

¹⁾ 砂卵石地层具有相对较高的压缩模量及较大的内摩擦角^，盾构在掘进过程中容易出现推力大^、推进速度缓慢^，进而引起盾壳及刀盘^、刀具磨损^，影响盾构施工的安全^。

²⁾承压含水层中的盾构施工^，由于地层含水量高^，容易出现螺旋机喷涌^，危及地面及周边环境安全^。

² 盾构设计上的调整

^2．1盾构壳体采用阶梯型

原盾构壳体采用直筒型设计^，即盾构的刀盘^、切口环^、支承环及盾尾的外直径相同^。此时盾壳及刀盘与周边的土体全面接触^。根据砂卵石层特点，盾构掘进的摩擦阻力明显增大^。为了减少盾壳与周边砂土的摩 擦力^，特将盾壳由原直筒型改造成前大后小的阶梯型^，从而可将盾构穿越砂卵石的总推力控制在^{22000～35000kN,}比原直筒型盾壳减少约^30%。

^2．2加大刀盘开口率

^{针对砂卵石内摩擦角大的特点，}将刀盘的开口率从基本型的^35%加大至52^%，刀盘结构为辐条式^，采用中间支承式结构^，从而减小盾构掘进时的阻力^。

^2．3提高刀具和刀盘的耐磨性

^{刀头材质采用耐磨性高的合金材料，}并焊接牢固^。刀盘面板与砂土直接接触的部位堆焊耐磨材料^，以提高掘进砂层过程中刀盘^、刀具的耐磨性^;增加刀盘上周边刀的数量^，刀具采用高低位布置^，刀盘及刀梁上配耐磨钢板且堆焊耐磨材料^。从而有效减少盾壳的磨损^，并将贝壳刀高于切削刀不小于^5cm。

³ 盾构施工技术

^3.1盾构机推力及扭矩计算

^3．1．1土压计算

作用在壳体上的土压分为上部土压^P₁^、侧压^P₂及下部土压 ^P₃ ，平均土压^{: P =(P}₁+2×P₂+P₃)/4，根据设计提供地质资料^，查找盾构主要通过的地层指标^{，根据覆土厚度、水头压力以及地面荷载等参数，计算出P=}39．058t/m²

^3．1．2推力计算

盾构机推力由壳体外周摩擦阻力^、、胸板所受的 土压与水压^、后续设备的牵引力^、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成^。

壳体外周摩擦阻力的推力^{: F}₁ ⁼ π ^{× d × L×}P×f=1907．095t

胸板所受的土压与水压的推力^{: F}₂ ^{= A×}( P₂ + Pw) = 903t

后续设备的牵引力的推力^{: F}₃ ^{= GB ×} μ⁼45t

^{管片与盾尾密封摩擦阻力的推力: F}₄ ⁼ π ^×Ds×μ^s×n(PT+α^{×Pw×lT)=2．662t}

计算出推进 时 所 需 推 力^{: F = F}₁ ^{+ F}₂ ^{+ F}₃ ^{+ F}₄ ⁼ 2 857．757t

^由此盾构机装备推力=1.2^{× F =3 428t}

^3．1．3盾构机刀盘扭矩计算

^{盾构刀盘扭矩由刀具的切削阻力矩、}面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩^、滚刀的运转阻力矩等组成^。

刀具的切削阻力矩^:T₁^=n×H_α^×R_k^{=7．133kg·m}

刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩^{: T}₂ ^{= 2 /3 ×} π^×P₂^×f×(1－ξ^)×rc₃^{=310．236t·m}

所需扭矩^:T=T₁^+T₂^{=317．4t·m=3174kN·m}

根据以上计算，选用主推力及刀盘扭矩合适的盾构机，满足施工要求^。

^3.2掘进参数的控制

¹⁾土压力控制^。土压力设定时^，侧压力系数采用^{0。6～0。7，}在掘进过程中^，应注意盾构土 舱内各个区域的土压力数值^，并根据其他掘进参数来控制螺旋机的开启度^。

²⁾ 掘进速度^。在满足同步注浆要求的前提下^， 一般控制在 ^{3 ～ 5 cm /min。}

³⁾出土量控制^。盾构机在穿越富水砂卵石层时^，控制每环的出土量与理论出土量之间相匹配^。如果出现较大的超挖现象

^，就可能导致正面土体失稳^、坍塌^。

3.3土体改良措施

为了提高砂卵石在盾构掘进时的流动性，本工程用泡沫剂和膨润土进行渣土改良

¹⁾ 压注膨润土浆进行土体改良^。膨润土浆可以从刀盘正面注入^，也可以在土舱内进行压注^，通过搅拌棒的搅拌改善土舱内砂土的流动性^; 当螺旋机扭距过大时^，也可以向螺旋机中注入适量的膨润 土浆^。压注膨润土浆时^，应观察螺旋机的排土状态

及正面土体的沉降状况^，确保正面土体稳定^。

2) 压注泡沫剂进行土体改良。该注入工艺的 流程是: 启动空压机→启动注水泵→空气、注水压力达到要求→开启泡沫装置→压注泡沫。泡沫剂的压注量应按实际施工时的需要进行调整，通过向 刀盘前方压注泡沫，来增加砂性土的流动性、和易性。

在本工程中中^，泡沫剂原液经过掺入大量的水 ^(97%)以及通过高压空气充分发泡用量每环^5～7m3，泡沫剂用量每环^{0．04～0．05m3}可达到渣土最佳改良的要求^。通过在推进过程中逐渐减少添加剂用量观察 盾构机掘进参数的变化和分析改良后的土体样本 发现^，当泡沫剂︰水≥^2%，膨润土泥浆浓度≥^20%时^，泡沫剂每环用量^{0．03 m3，}膨润土泥浆每环用量^{4 ～ 5 m3} 可满足渣土改良最低要求。

3.4沉降控制

由于苏苏区间穿越北京海淀区，两侧既有建构筑物较多，在盾构施工过程中，对地表沉降作了严密监测。施工完成后，实测沉降量如图所示。

实测地表沉降量比预测地表沉降量小。主要采取以下沉降控制措施。

1）在盾构机掘进过程中加强排土量的控制，通 过调节盾构机的掘进参数，做到既不超挖，也不欠挖。 超挖必然导致较大的土体损失，也会增大对土体的扰动，最后导致产生较大的土体沉降；欠挖导致掘进前方 的土体堆积，产生向上的推力，引起土体隆起。通过调查工程地质条件，利用经验公式和岩土工程数值模拟 软件事先对盾构隧道的土体沉降进行预测分析，并把 模拟结果反馈给盾构机控制室，调整相应参数，即可预 先选择合适的掘进参数，减小掘进过程中土体的损失量，以保证土体的稳定。

2）各工序衔接紧凑，避免土体受扰动时间过长。 首先是加强盾构机始发到达和掘进的管理工作，注意机电设备的调试以及刀具的检查与更新，减少发生停机检修的工况。及时更换刀具，按工程单元进度划分更换刀具的时间，能减少停机 更换刀具的时间，从而减少土体受扰动的时间。其次， 在掘进过程中及时协调出土、盾构机推进、管片安装等 各工序，能最大限度保证上覆土体得到及时支撑，减小 土体的沉降量。

3）及时同步注浆以及二次补浆。 同步注浆是盾 构隧道施工加固土体、减少土体沉降的重要辅助工法， 根据地层特点，选择合适的注浆材料、浆液配合比和恰 当的注浆方法、工艺是保证注浆效果的关键。

3.5特殊情况下的处理措施

¹⁾ 对盾构长时间停机的处理^。由于盾构施工中有各种不确定的因素^，导致盾构长时间停止施工^。在盾构停止施工前^，需让刀盘按正反方向旋转一段时间^，使刀盘正面的土层松动^，降低正面土层的强度^;同时应对刀盘正面和土舱压注一定量的膨润土浆液^，让刀盘正面和土仓的土体具有一定的流动性和保水性^。在盾构机停止施工期间^，还应定时启动刀盘^，并转动一段时间^，使刀盘正面土体不结块或结硬^。

²⁾ 刀盘轴承降温措施^。盾构长距离施工过程中^，可能出现盾构总推力和刀盘负荷增大^、掘进速度减慢而导致盾构机推进液压系统及刀盘驱动系统^，特别是刀盘回转轴处的温度持续上升的情况^。为了防止刀盘密封圈因高温而加速老化 甚至损坏^，必要时^，在回转轴周围放置冰块进行降温^，以确保施工的顺利进行^。

4 结束语

^{( 1)}通过对本盾构机合理选型^，渣土改良的研究和精确的土仓平衡建压^，解决了盾构穿越砂卵石地层的难题^，为今后类似施工提供了资料和经验^。

^{( 2)} 最佳渣土改良配比和最经济的渣土改良方法是渣土改良的关键技术^，同时掺入泡沫剂和膨润土浆液才能达到理想的改良效果^，在满足安全快速掘进的同时又节约了成本^。

^{( 3)} 盾构机 ^52% 的刀盘开口率设计非常适应类似地层的盾构施工^，可以作为国内同类地质条件下盾构机选型的参考。

（4）控制好各项掘进参数，针对不同地层采用不同的注浆材料及工艺，及时做好背后注浆工作，同时根据现场实测沉降值来指导施工，确保周边建筑结构安全。

参考文献：

^[1]姜晨光^．地铁工程建造技术^［M］．北京^:化学工业出版社

^[2]施仲衡^．地下铁道设计与施工^［M］．西安^:陕西科学技术出版社

[3]王洪新^．土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究^［J］．土木工程学报^，2010(3)