李雅林

（上海建通工程建設有限公司， 上海 200030）

1 工程概況

某隧道工程采用盾構法施工。隧道布置為上下層雙層斷面，每層布置二車道；單車道寬度為 3.5 m，凈高為 4.5 m。下層車道車流方向自西向東，上層車道車流方向自東向西。隧道管片環(huán)外徑 14.5 m，內(nèi)徑 13.3 m，壁厚 0.6 m，環(huán)寬 2 m；混凝土強度等級 C60，抗?jié)B等級 P12。隧道盾構段長約 1.1 km，采用泥水平衡盾構機推進，盾構機外徑 14.93 m。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1.1 地質(zhì)特性

盾構段地基土分布，見表 1。

表 1 盾構段地基土分布

盾構主要穿越③1黏土層。該層土體遇水易崩解，土的黏性較大，盾構施工極易發(fā)生結泥餅等事故，施工難度大。

1.1.2 水文地質(zhì)條件

擬建隧道場地的地下水主要為第 4 系松散巖類孔隙潛水。與隧道工程關系密切的主要為孔隙潛水。第 4 紀孔隙潛水主要賦存于沿線淺部雜填土及粉、砂性土層內(nèi)，地下水分布連續(xù)，其富水性和透水性具有各向異性。隧道孔隙潛水含水層主要分布于表層雜填土、②1層粉土和②2層粉砂層內(nèi)；土層水平向呈廣泛而連續(xù)，垂向上具有一定的水平層狀沉積韻律變化；潛水含水層的滲透系數(shù)為 2.08E－3 cm/s～2.66E－3cm/s，屬中等透水性。潛水位埋深標高為 2.636 m～8.817 m。地下水補給主要是地表徑流的入滲、地表人工河流的滲透以及人類活動用水的滲漏補給。局部較深部位夾有薄層粉土和粉質(zhì)黏土，造成局部地下水具有微承壓性。

2 掘進情況

盾構出加固區(qū)后，第 6～7 環(huán)掘進出現(xiàn)了推進速度大幅波動、刀盤扭矩增大、排渣不暢的情況，開挖艙及氣泡艙內(nèi)二次堆積嚴重；泥水處理場出現(xiàn)超過 40 cm 的泥塊，設備堵塞嚴重；P2.1 吸口出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，掌子面支撐壓力出現(xiàn)超過 1 bar 的壓力波動。后來采取了每掘進 20 min 就停機循環(huán)再推進的策略，完成了第 8～11 環(huán)掘進；每環(huán)掘進時間 6 h～12 h。但在第 12 環(huán)的推進過程中，堵塞現(xiàn)象更加嚴重。

3 原因分析

根據(jù)這一區(qū)段反映出的問題，分析原因有以下幾點。

(1)預篩分使用的篩板孔徑較小，刀盤切削下來的黏土容易造成篩孔堵塞。

(2)泥水分配器及分配管的分布不能適應土質(zhì)，渣土分配不均勻。

(3)推進速度快造成切削下來的黏土結成大的泥餅。

(4)當進漿比重較大時，黏土塊容易聚集在開挖艙內(nèi)，不容易分解成小顆粒。

(5)大塊分離機的擠壓作用形成泥餅。

(6)黏土粘結在刀盤上，造成刀盤扭矩增大。

4 針對性措施

4.1 泥水處理設備的改進

(1)調(diào)整分配器及分配管，使渣土分配更加均勻。

(2)調(diào)整大塊分離機，更改鏈條傳動系統(tǒng)。

(3)預篩分使用較大孔徑篩板，減小堵塞。

(4)割除預篩上的部分加強筋，減少堵塞。

4.2 刀盤轉(zhuǎn)速及掘進速度的控制

由于黏土地層硬度較大，采取較快的刀盤轉(zhuǎn)速及較小的推進速度，快速切削土體，保持較低的扭矩以減小對掌子面的擾動，使土體以小碎塊的形式自掌子面剝落下來并通過泥水環(huán)流系統(tǒng)排出，是比較理想的做法。盾構機設計刀盤轉(zhuǎn)速在 0～1.5 r/min 之間。經(jīng)過一段時間嘗試，刀盤轉(zhuǎn)速超過 1 r/min 時，主驅(qū)動電機經(jīng)常出現(xiàn)個別電機負載過大的情況，導致經(jīng)常性的跳停，無法實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定掘進。綜合上述情況，設定刀盤轉(zhuǎn)速在 1 r/min。

在確定刀盤轉(zhuǎn)速的同時，施工時也對掘進速度進行了嘗試。初始控制掘進速度在 8 mm/min～12mm/min，掘進期間刀盤扭矩控制較為理想，出渣也以小碎黏土塊為主，出渣量連續(xù)穩(wěn)定。過程中對推進速度逐漸進行了提升。發(fā)現(xiàn)當平均速度大于 15 mm/min 時，又出現(xiàn)了二次堆積的現(xiàn)象，大黏土塊較多，掘進困難。為此，將掘進速度控制在10 mm/min～15 mm/min、平均速度不大于 13 mm/min 的掘進參數(shù)，適應全斷面黏土地層掘進的需要。

4.3 泥漿比重的控制

根據(jù)專家提出的建議，嚴格控制進漿比重在 1.08 kg/cm3以內(nèi)，經(jīng)過大約 15 環(huán)的掘進，排出了之前在開挖艙內(nèi)及刀盤壁上堆積的渣土塊。經(jīng)過嘗試發(fā)現(xiàn)，當進漿比重大于1.10 kg/cm3時，掘進較為困難。為此，確定了掘進完成后棄漿加清水的方法進行調(diào)漿，確保盾構的每 1 環(huán)掘進前的比重控制在 1.06 g/cm3～1.08 g/cm3，掘進過程中進泥比重不大于1.08 g/cm3的泥漿參數(shù)，取得了較為良好的效果。

4.4 進排泥流量的控制

在全斷面黏土地層中掘進中，采用大流量的泥水循環(huán)，及時將開挖出的小塊渣土排出以避免出現(xiàn)沉積，是必須的措施。在確保進出漿泵負載在合理范圍內(nèi)的前提下，盡量提高泥水環(huán)流流量。實踐證明，進泥流量控制在 1 900 m3/h～2 100 m3/h 的范圍內(nèi)，排泥流量基本穩(wěn)定在 2 300 m3/h ～2 600 m3/h (含清水沖刷量)，P2.1 泵負載在可控范圍內(nèi)，出渣情況也比較穩(wěn)定。

4.5 沖刷系統(tǒng)的控制

對關鍵位置的沖刷也是確保環(huán)流系統(tǒng)效果的關鍵。開挖艙及氣泡艙的擁堵主要集中在刀盤面板及中心體、前閘門及P2.1 泵吸口。針對這些位置，分別有著對應的沖刷管路及沖刷系統(tǒng)。

刀盤面板及中心體沖刷屬于進泥系統(tǒng)的一部分，由 P0.1泵進行沖刷。

前閘門沖刷由 V11V12 氣動閥組控制的兩路進泥管提供。在泥漿循環(huán)過程中要確保兩路管路始終保持開啟狀態(tài)。

P2.1 泵吸口沖洗系統(tǒng)由新加的 4 個水槍完成；水槍由 2臺 90 kW 清水泵自地面供水，經(jīng)過 4 臺 35 kW 水泵加壓后沖洗吸口左上、右上、左下、右下四個位置。沖洗水槍壓力控制在 25 Bar 上下，每個水槍的流量約 70 m3/h，合計約280 m3/h。

4.6 盾尾油脂的注入

為了確保盾尾密封效果，油脂的注入采用行程控制。每180 mm 完成一個循環(huán)注入，每環(huán)注脂量控制在 250 kg 左右。取得了較好的效果，過程中未出現(xiàn)大范圍漏水及漏漿現(xiàn)象。

通過對盾構機的改造和優(yōu)化施工參數(shù)，在保持刀盤轉(zhuǎn)速1 r/min、進泥流量 2 000 m3/h～2 100 m3/h、進漿比重不高于1.08 kg/cm3、清水沖刷流量 250 m3/h 的前提下，盾構掘進速度穩(wěn)定在 10 mm～15 mm，刀盤扭矩為 2.5 MNm～5 MNm，出渣以小于 10 cm 的泥塊為主，地面沉降也得到較好控制。盾構完成改造后達到了最大日進尺 10 m、平均日進尺 7 m～8 m的施工效率，盾構機在全斷面黏土地層中順利推進。

5 結 語

泥水平衡盾構機經(jīng)過改造，可以滿足全斷面黏土地層施工的要求。采用“高轉(zhuǎn)速，小進尺，少擾動，強沖刷，低比重，大循環(huán)”的掘進思路，是保證泥水平衡盾構機在全斷面黏土地層順利掘進的有效辦法。