王 巖,錢(qián) 新,李 旸,薛建領(lǐng),閆 雷

(北京住總市政工程有限責(zé)任公司,北京 100029)

1 工程特點(diǎn)及工程環(huán)境情況

1.1 工程概況

北京地鐵10號(hào)線西局站—六里橋站區(qū)間總長(zhǎng)1 298.291 m，采用φ6.25 m 德國(guó)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)隧道采用C50、P10鋼筋混凝土管片錯(cuò)縫拼裝，彎螺栓連接，管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，每環(huán)管片寬度1.2 m。該區(qū)間多次下穿既有建筑、高壓鐵塔、雨水管、電力管等設(shè)施，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較高。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)巖土工程勘查報(bào)告(詳勘階段)資料，本工程位于北京平原地區(qū)，屬于第四紀(jì)沖洪積平原地貌，場(chǎng)地位于永定河沖洪積扇的中部，受古漯河和古金溝河故道控制。本區(qū)間范圍內(nèi)的土層主要包括：雜填土，粉土填土，粉土，圓礫卵石層及卵石⑤層、卵石⑦層、卵石⑨層以及礫巖⑾層，隧道洞身高程在21.96～30. 98 m，盾構(gòu)主要穿越卵石⑤層、卵石⑦層。根據(jù)同標(biāo)段盾構(gòu)井及暗挖段開(kāi)挖揭露的地層情況為：卵石最大粒徑達(dá)600 mm，粒徑300 mm 以上的卵石每20 m約有2～3塊，一般粒徑100～300 mm，亞圓形，級(jí)配好，充填物為中粗砂，含砂量約40%。本標(biāo)段區(qū)間盾構(gòu)地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，施工現(xiàn)場(chǎng)大粒徑卵石示意見(jiàn)圖2。

在勘察深度范圍內(nèi)，揭露一層地下水，地下水類(lèi)型為層間潛水，地下水位層間潛水水位位于隧道底板以下1～2 m，對(duì)盾構(gòu)施工無(wú)影響。

圖1 西局站—六里橋站區(qū)間地質(zhì)剖面

圖2 本標(biāo)段盾構(gòu)井及暗挖段開(kāi)挖揭露大粒徑卵石

2 盾構(gòu)掘進(jìn)中的技術(shù)難點(diǎn)

砂卵石地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定層，其主要特性是結(jié)構(gòu)松散，無(wú)膠結(jié)，呈大小不等的顆粒狀，且顆粒之間的空隙大、黏聚力為零，顆粒之間的傳力方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，圍巖體整體強(qiáng)度較低，但單個(gè)石塊強(qiáng)度高，在地層中起骨架作用[1-3]。因此，盾構(gòu)在這種地層中掘進(jìn)所受到的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 土壓平衡難以建立

加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工原理：通過(guò)向盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)內(nèi)加入設(shè)定參數(shù)的泥漿漿液，并與掌子面切削后的砟土攪拌，形成不透水的塑流體，盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中所設(shè)定的平衡壓力通過(guò)該塑流體傳遞到開(kāi)挖掌子面上，保證開(kāi)挖面穩(wěn)定。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，這種壓力在一面向前掘進(jìn)一面向外排砟的過(guò)程中保持一定數(shù)值，形成一種動(dòng)態(tài)平衡。然而由于砂卵石地層的特殊性質(zhì)，其切削后的砂和卵石在土倉(cāng)內(nèi)分離，部分土體較易堆積在土倉(cāng)下部而難以充滿整個(gè)土倉(cāng)[4-5]。根據(jù)有關(guān)資料和施工經(jīng)驗(yàn)，加入一般的泥漿，密封倉(cāng)內(nèi)往往不能在全斷面上完全形成良好的塑流體，設(shè)定的工作壓力也不能完全順利地傳遞到開(kāi)挖面，實(shí)現(xiàn)不了連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡，很難維持土壓，且每日掘進(jìn)后停機(jī)保養(yǎng)時(shí)，土倉(cāng)壓力消散很快，從而引起對(duì)地層的較大擾動(dòng)。本工程在初始掘進(jìn)過(guò)程中上部土壓力在0.08～1.6 bar(1 bar=0.1 MPa)變化，基本無(wú)法建立真正的土壓平衡，推進(jìn)速度很慢，推力很大，超挖很難控制。當(dāng)上部土壓力為1 bar左右時(shí)，下部土壓達(dá)4～5 bar，導(dǎo)致膨潤(rùn)土和泡沫劑也無(wú)法注入。

2.2 刀盤(pán)、刀具及土倉(cāng)隔板的不均勻磨損

無(wú)水砂卵石顆粒之間摩擦阻力大，難以獲得良好的流動(dòng)性，當(dāng)切削下來(lái)的土充滿土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)時(shí)，刀盤(pán)扭矩、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩及千斤頂推力增大，刀盤(pán)切削土體時(shí)加劇了盾構(gòu)機(jī)切削刀頭及面板的磨損；同時(shí)，砂卵石地層中石英砂等物質(zhì)對(duì)刀具產(chǎn)生一定的磨耗磨損和卵石對(duì)刀具的撞擊損傷，也加快了盾構(gòu)刀具及刀盤(pán)的損害[6]。

本標(biāo)段工程盾構(gòu)在初始推進(jìn)100 m左右后出現(xiàn)無(wú)法正常排土，必須進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證后，開(kāi)倉(cāng)發(fā)現(xiàn)，滾刀平均磨損20 mm，齒刀、邊緣刮刀以及單刃貝殼刀的合金塊碰掉嚴(yán)重，整個(gè)刀具磨損非常嚴(yán)重，大部分刀具需要更換，見(jiàn)圖3。同時(shí)，盾構(gòu)在初始掘進(jìn)100 m過(guò)程中因刀盤(pán)”卡死”開(kāi)倉(cāng)2次，開(kāi)倉(cāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)在土倉(cāng)內(nèi)及刀盤(pán)進(jìn)土口均形成泥餅，泥餅非常堅(jiān)硬密實(shí)，有時(shí)需用風(fēng)鎬才能破除，見(jiàn)圖4。

圖3 磨損后的滾刀

圖4 刀盤(pán)泥餅現(xiàn)象

2.3 盾構(gòu)機(jī)推力及刀盤(pán)扭矩過(guò)大

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)推力一般為13 000～17 000 kN，刀盤(pán)扭矩一般在180～250 bar，經(jīng)常出現(xiàn)刀盤(pán)扭矩急劇上升到無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，導(dǎo)致推進(jìn)時(shí)間延長(zhǎng)，泡沫和膨潤(rùn)土用量增大，甚至排出的砟土熱度較高[7]。

2.4 掘進(jìn)速度無(wú)法保證

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)階段掘進(jìn)速度只有1～10 mm/min，而且經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)掘進(jìn)速度的現(xiàn)象，掘進(jìn)1環(huán)耗時(shí)達(dá)6～10 h。

2.5 盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)控制困難

由于無(wú)水砂卵石地層的塑流性差，設(shè)定的工作壓力不能很好地傳遞到開(kāi)挖掌子面，很難控制開(kāi)挖面的穩(wěn)定，并導(dǎo)致無(wú)法正常出土，使大顆粒卵石滯留土倉(cāng)內(nèi)或向盾構(gòu)機(jī)四周移動(dòng)，無(wú)法確保盾構(gòu)機(jī)位置和姿態(tài)控制，推進(jìn)參數(shù)一旦掌握不好，盾構(gòu)的姿態(tài)就會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線[8]。

2.6 螺旋輸送機(jī)磨損及抱死

在砂卵石層中掘進(jìn)時(shí)，螺旋輸送機(jī)容易磨損，對(duì)于本工程的大粒徑卵石進(jìn)入螺旋輸送機(jī)后，會(huì)對(duì)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)生更嚴(yán)重的磨損，主要表現(xiàn)為螺旋機(jī)的磨損以及外部鋼圈的磨損；同時(shí)，在施工過(guò)程中，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)會(huì)發(fā)生被“卡死”的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次開(kāi)倉(cāng)發(fā)現(xiàn)，“卡死”的主要原因?yàn)榇蟮穆训[石進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，將螺旋桿卡住，這種情況很難預(yù)防，因?yàn)檫M(jìn)入螺旋輸送機(jī)前無(wú)法得知土倉(cāng)內(nèi)土體情況，只有在螺旋輸送機(jī)被抱死轉(zhuǎn)不動(dòng)之后才能被發(fā)現(xiàn)[9-10]。

2.7 地表沉降難以控制

由相關(guān)參考資料和施工經(jīng)驗(yàn)可知，盾構(gòu)施工期間在盾尾脫出前階段的地表沉降或隆起主要取決于土壓力大小，推進(jìn)速度和推力大小，出土量及土體塑流性程度等因素。本工程由于地處砂卵石地層，土壓平衡無(wú)法建立，超挖現(xiàn)象難以控制，土體未較好地進(jìn)行塑流化改造，導(dǎo)致了地表沉降較大，無(wú)法很好地控制。

3 施工對(duì)策

3.1 刀盤(pán)改造及優(yōu)化

在砂卵石地層中，刀具的磨損形式主要包括石英砂對(duì)刀具產(chǎn)生的磨耗磨損和卵石對(duì)刀具的撞擊損傷。因此，為了更好地適應(yīng)本工程的地質(zhì)條件，盡量減少換刀次數(shù)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)[11]，在盾構(gòu)掘進(jìn)100 m左右后，人工挖孔至刀盤(pán)面板處對(duì)海瑞克盾構(gòu)機(jī)原裝刀盤(pán)(圖5)進(jìn)行了改造，具體為：對(duì)刀盤(pán)刀圈和所有齒刀均增設(shè)了耐磨層和硬質(zhì)合金耐磨保護(hù)板，采用碳化鎢合金替代硬質(zhì)欽合金鋼做為刀頭，更換了原裝21把滾刀，增加了17把貝殼刀、16把導(dǎo)流小齒刀以及16把周邊保徑刀，并將滾刀刃寬從18 mm增加到30 mm。改造后的刀盤(pán)見(jiàn)圖6。

圖5 海瑞克盾構(gòu)機(jī)原裝刀具

3.2 土體改良

本工程在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)階段，先后各自使用了泥漿、泡沫劑及膨潤(rùn)土等對(duì)土體進(jìn)行改良，但是實(shí)踐證明單純用一種方法均無(wú)法將土體調(diào)成理想的流塑狀態(tài)，難以建立真正的土壓平衡，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中仍然造成刀盤(pán)扭矩過(guò)大、掘進(jìn)速度緩慢、土壓不穩(wěn)定及易結(jié)泥餅的情況[12]，具體見(jiàn)圖7。因此，在后續(xù)的施工過(guò)程中著重分析砂卵石地層的力學(xué)特點(diǎn)及工程性質(zhì)，根據(jù)砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性控制原理，經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化了泡沫劑類(lèi)型，注入泡沫劑的種類(lèi)，并向土倉(cāng)內(nèi)同時(shí)注入泥漿、泡沫劑、分散劑及發(fā)泡聚合物，具體如下。

(1)優(yōu)化膨潤(rùn)土注入?yún)?shù)，改用鈉基優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土，并調(diào)整了膨潤(rùn)土的發(fā)酵時(shí)間及黏稠度，一般在每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，向土倉(cāng)內(nèi)注入5～7 m3發(fā)酵至少24 h以上黏稠度為 60 s的膨潤(rùn)土。

(2)采取了多種改良材料共同對(duì)掌子面土體進(jìn)行塑流化改良的措施，將以前單純的泡沫劑更換為SLF30+10%SLFP1型泡沫劑，同時(shí)加入了Rheosoil143發(fā)泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫劑，按照一定比例調(diào)配了泡沫劑的黏度、膨脹率及注入比，具體如下：

①1 kg砟土加入水后充分?jǐn)嚢?，使砟土的含水量達(dá)到35%～40%；

②取SLF30+10% SLFP1型泡沫劑溶液10 g配成3%～5%濃度的泡沫劑溶液；

③按體積比將砟土內(nèi)摻入30%左右的泡沫，確保充分?jǐn)嚢?，加入的水與砟土和泡沫充分融合在一起呈流塑狀。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次的調(diào)配，上述措施使砟土的性狀發(fā)生明顯的改變，砟土的黏性明顯降低，增加土體之間的黏聚力與流動(dòng)性。

(3)向土倉(cāng)內(nèi)分別注入HHZ-Z高分子、HHZ-A分散劑溶液等發(fā)泡聚合物，使所注入的溶液充分混合，有效控制土倉(cāng)內(nèi)及刀盤(pán)進(jìn)土口泥餅的形成，將泥餅對(duì)正常掘進(jìn)的影響降至最低。

經(jīng)過(guò)泡沫劑、分散劑及發(fā)泡聚合物改良后的土體見(jiàn)圖8。

圖7 未改良的土體

圖8 改良后的土體

3.3 盾構(gòu)注漿

同步注漿：因刀盤(pán)開(kāi)挖半徑為6.28 m，管片外徑為6 m，管片與開(kāi)挖土體間存在空隙。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中利用其自身的注漿管進(jìn)行同步注漿填充，注漿采用緩凝早強(qiáng)的惰性漿液，漿液?jiǎn)畏脚浔?kg)為：水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶砂子∶水=70∶250∶75∶550∶300。

二次補(bǔ)漿：根據(jù)地面沉降數(shù)值，對(duì)沉降點(diǎn)較大部位進(jìn)行二次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿漿液比與同步注漿相同。

后期多次徑向補(bǔ)償式注漿：根據(jù)盾構(gòu)施工地表沉降規(guī)律，為了更好地填充同步注漿空隙，對(duì)刀盤(pán)擾動(dòng)的周?chē)鷱较?～4 m的土體進(jìn)行有效加固，減小隧道在施工過(guò)程中的沉降量，在管片脫離盾尾后進(jìn)行多次注漿。注漿比例(體積比)：A液，90%；B液，10%。水玻璃濃度控制在19～21 Be′，A、B液的凝固時(shí)間控制在15～ 20 s。如表1所示。

表1 徑向補(bǔ)償式注漿液漿配比 kg

3.4 調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)改造及土體改良后，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)掘進(jìn)了10環(huán)之后，盾構(gòu)上土壓力基本控制在0.8～1.2 bar，盾構(gòu)刀盤(pán)油壓和螺旋輸送機(jī)油壓及總推力都降低了1/3左右，刀盤(pán)的扭矩由以前的250 bar降至140 bar，盾構(gòu)掘進(jìn)平均速度控制在25～40 mm/min，并且排土順暢，效果明顯，掘進(jìn)速度由開(kāi)始的3～5 m/d提升到現(xiàn)在的10～12 m/d，日平均掘進(jìn)8～10環(huán)，確保了區(qū)間隧道的順利貫通。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本區(qū)間隧道砂卵石地層施工過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)及刀具的選取和優(yōu)化及采用泥漿、泡沫劑、表面活性劑及其他高分子聚合物改良地層后，確保了開(kāi)挖面的穩(wěn)定，增加了砂卵石地層土體的塑流性和保水性，大大減輕了刀盤(pán)的磨損，且刀盤(pán)“卡死”與結(jié)泥餅現(xiàn)象發(fā)生頻率極少，地表沉降由初始掘進(jìn)的無(wú)法控制到現(xiàn)在的沉降量10～15 mm，在安全可控范圍之內(nèi)，為北京類(lèi)似無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)施工提供了成功范例。

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