張佳興，劉金祥

ZHANG Jia-xing, LIU Jin-xiang

（中鐵隧道集團有限公司 專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009）

采用泥水盾構(gòu)開挖過江隧道已不是單一選擇，土壓平衡以其施工所用空間小，工程造價相對低更具有競爭性。但采用土壓平衡盾構(gòu)開挖過江隧道在技術(shù)層面而言，特別是大直徑的土壓平衡盾構(gòu)要比泥水盾構(gòu)要求更高。比如長株潭城際鐵路綜合I標(biāo)開福寺-濱江新城區(qū)間盾構(gòu)過建筑物、過江時，為保證工程安全性采用全土壓掘進就是一種要求相對較高的掘進模式。

1 工程情況

長株潭城際鐵路綜合Ⅰ標(biāo)盾構(gòu)段位于長沙市岳麓區(qū)和開福區(qū)。在銀杉路以盾構(gòu)工作井開始，沿開福寺路西行，設(shè)開福寺站并下穿過湘江后，沿杜鵑路向西，止于銀杉路與杜鵑路交叉口的濱江新城站。盾構(gòu)在濱江新城站下井，沿杜鵑路向東，并下穿湘江后到開福寺站。開福寺站-濱江新城站區(qū)間具體起止里程為WDK8+550～WDK5+839.3。

根據(jù)鉆探結(jié)果，區(qū)間內(nèi)WDK6+860～WDK7+100段分布有K2礫巖與Ptln板巖的不整合接觸帶。先期沉積、抬升、受剝蝕的元古界冷家溪群板巖與后期沉積的白堊系上統(tǒng)礫巖、泥質(zhì)粉砂巖呈角度不整合接觸關(guān)系。

開濱盾構(gòu)區(qū)間左、右線地質(zhì)情況相近，主要存在白堊系上統(tǒng)泥質(zhì)砂巖、礫巖，元古界冷家西群砂質(zhì)板巖(9)4-1全風(fēng)化砂質(zhì)板巖、(9)4-2強風(fēng)化砂質(zhì)板巖和(9)4-3弱風(fēng)化砂質(zhì)板巖。區(qū)間隧道各地層所占比例詳如圖1所示。

圖1 開濱區(qū)間盾構(gòu)隧道各地層所占比例餅圖

2 工程施工掘進情況（全土壓模式）

長株潭城際鐵路綜合Ⅰ標(biāo)開福寺站－濱江新城站區(qū)間第一臺盾構(gòu)（左線）S657從第9環(huán)開始建立土壓，第15環(huán)起逐步建立起全土壓模式。全土壓掘進模式下土倉壓力保持在2.2bar左右。9～100環(huán)掘進速度一般維持在20～25mm/min（24、25、29、30環(huán)糊刀盤速度降至6～13mm/min），刀盤轉(zhuǎn)速維持在1.8rpm，扭矩3000～9000kNm，扭矩逐漸增大，70環(huán)后主要集中在7000kNm左右。

期間掘進至第24、25、29、30環(huán)時參數(shù)發(fā)生異常主要體現(xiàn)在碴土為褐黃色（根據(jù)地質(zhì)圖分析為強風(fēng)化板巖），碴溫超過40℃，刀盤扭矩上升至8000kNm，掘進速度下降至3～5mm/min，開倉發(fā)現(xiàn)刀盤中心區(qū)域已全部糊住?？紤]前3次開倉后地層的自穩(wěn)能力，項目組織開會分析后采用半土倉掘進模式。

半倉掘進至第63環(huán)時發(fā)現(xiàn)異常有憋倉情況，為改善掘進狀態(tài)以及防止憋倉開始出碴量大于掘進速度模式掘進，出現(xiàn)地表沉降問題，且對地面建筑造成影響。之后掘進嚴(yán)格采用全土壓平衡模式。

1）土壓 為防止螺旋輸送機噴碴，同時為保證掌子面的穩(wěn)定性，在掘進過程中，土倉內(nèi)壓力應(yīng)保持在1.8bar左右，停機時，將壓力升至2.0bar。

2）推進速度 掘進速度可控制在20～25mm/min。

3）刀盤轉(zhuǎn)速 隨著掘進速度的提高，為避免貫入度過大，刀盤轉(zhuǎn)速提高至2.0rpm，且較高的刀盤轉(zhuǎn)速可加速刀盤內(nèi)碴土與水及泡沫劑的混合，改善碴土性狀。

4）貫入度 S657盾構(gòu)邊滾刀僅比邊緣刮刀高出15mm，考慮到邊滾刀磨損量，因此貫入度不宜超過15mm，避免切刀、刮刀參與破巖。

5）推力 有效推力控制在1000t以下，即總推力∑F=FM(盾殼與地層摩擦力)+FS(尾刷與管片摩擦力)+FNL(拖車?yán)?+FSP(反力)+FEPB(有效 推 力 )=850t×0.5+23t+70t+4.672×3.14×15+1000t=2545t以下。

6）扭矩 根據(jù)盾構(gòu)刀盤扭矩曲線圖，刀盤轉(zhuǎn)速在2.0rpm時，最大扭矩可達12000kNm，但是為防止刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，掘進扭矩不宜過高，應(yīng)控制在5000kNm以下。

7）加強碴土改良與出碴量控制 根據(jù)碴土改良情況及碴土粘量來確定泡沫劑用量，每環(huán)盡量控制在400L，每環(huán)出碴量控制在220m3左右。碴溫控制在40℃以下。

8）加強同步注漿控制，每環(huán)注漿量控制在13m3以上。同步注漿保持其與掘進的同步性，保證管片背后空隙的即時填充。掘進2環(huán)后，對脫出盾尾管片立即進行二次補強注漿。

3 全土壓掘進遇到的問題及應(yīng)對措施

全土壓掘進因滿倉的碴土，倉內(nèi)壓力增大泡沫等用于碴土改良的添加劑的注入會變的困難。因倉內(nèi)壓力增大螺旋輸送機經(jīng)常性噴涌，噴涌使的出碴量不好控制的同時，刀盤因碴土置換不及時也容易結(jié)泥餅。特別是中心區(qū)域，因局部線速度較小且相對開口率較小更易結(jié)泥餅。經(jīng)研究采用全土壓滿倉掘進模式主要會有以下的問題出現(xiàn)：①推力增大，扭矩增大且掘進速度變慢；②倉內(nèi)壓力大，泡沫注入困難，泡沫管路容易堵塞；③正常刀盤加水無法滿足掘進需求，碴溫較高且容易噴碴；④碴土改良不佳，刀盤容易結(jié)泥餅（特別是中心區(qū)域）。

針對工程施工過程中出現(xiàn)的問題和遇到的困難，在長時間掘進過程中總結(jié)出以下應(yīng)對措施，以緩解全土壓掘進帶來的問題：①適當(dāng)?shù)臏p小推力和刀盤的貫入度，放慢掘進速度以確保刀盤扭矩控制到一個合理的范圍內(nèi)（根據(jù)實際情況掘進速度一般控制在20～25mm/min）；②針對泡沫注入困難容易堵泡沫管路造成碴水改良不好的問題，增加注入量的同時選擇性的進行泡沫注入。以刀盤中心為主（防止中心區(qū)域結(jié)泥餅），周邊輔助的方式；③還是以土壓平衡原有的理念加水、加氣與出碴量達到壓力動態(tài)平衡，增加刀盤加水量（以S657為例正常掘進一環(huán)加水35～40m3左右，全土壓時80m3左右）；④保證碴土的及時置換和動態(tài)平衡，刀盤切削下的新碴置換原土倉的舊碴，螺旋輸送機的出碴量和刀盤切削下的碴土量達到動態(tài)平衡。

4 全土壓掘進輔助措施

針對全土壓掘進施工中突出的噴涌、結(jié)泥餅等問題，經(jīng)長期的施工作業(yè)總結(jié)出較為有效的對應(yīng)措施。

1）噴涌預(yù)防措施 ①保持盾構(gòu)連續(xù)快速作業(yè)，在水量較大的地段掘進時采用螺旋輸送機雙閘門點動控制；②利用二次注漿設(shè)備及時注漿，在管片外周形成連續(xù)的封閉環(huán)，防止管片周圍的地下水串通，避免噴涌；③若出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，立即關(guān)閉螺旋輸送機的后門，適當(dāng)向前掘進，使土倉內(nèi)建立平衡，通過刀盤的轉(zhuǎn)動，將土倉內(nèi)的土體攪拌均勻。然后才將螺旋輸送機的后門慢慢打開，一邊掘進一邊出土，始終保持土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定。

2）防結(jié)泥餅措施 ①在施工過程中，根據(jù)出碴情況，及時添加適量的碴土改良劑—泡沫劑，進行土體改良，以減小土體粘性度和粘著力。②根據(jù)實際操作作調(diào)整。在施工過程中觀測分析盾構(gòu)穿越地層的特性?？刂坪猛七M速度，減少“泥餅 ”產(chǎn)生的機率。③快速均衡施工，盾構(gòu)施工要求“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”，長時間的停機會導(dǎo)致土艙內(nèi)土壓逐步升高、流動性減弱、刀盤及刀具面板結(jié)泥餅的可能性增加；掘進速度太慢，通常掘進一環(huán)(1800mm)需要3h以上，生成泥餅的可能性也就增加了。④定期開艙、清艙。盾構(gòu)施工中的開艙檢查好比人的體檢一樣，要定期進行。定期的開艙可以較準(zhǔn)確地掌握前方地層的地質(zhì)狀況和刀具的磨損情況，對刀盤結(jié)泥餅可起到預(yù)防作用，當(dāng)檢查出刀盤有泥餅粘著的情況時應(yīng)及時、徹底清理。

5 結(jié)論與討論

1）大直徑土壓盾構(gòu)掘進過江中，當(dāng)?shù)叵滤^大，且富含承壓性時，宜采用全土壓平衡模式。這種模式可以有效控制掘進過程中的噴涌，即使地下水與土倉貫通，滿倉土能減少地下水涌入倉內(nèi)，從而控制噴涌。但全土壓平衡模式最大的弊端是易造成刀盤被糊，刀具損壞較大，如何更好的應(yīng)用全土壓模式掘進還需進一步探索。

2）大直徑盾構(gòu)掘進碴土管理是洞內(nèi)參數(shù)控制的重點，也是保證施工安全的重中之重，本工程在掘進前應(yīng)建立嚴(yán)格的出碴管理制度、嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量守恒原則，掘進中通過實時測試碴土比重方法來計算出碴量，但由于碴土比重的試驗存在誤差，且大直徑盾構(gòu)出碴量，體積統(tǒng)計不精確，碴土比重如相差0.1t/m3，則最終出碴量體積就能相差5m3以上，所以該方法只能大概判斷出碴量是否正常。如何精確判斷出碴量還需進一步研究。

3）大直徑土壓平衡盾構(gòu)的總掘進理念依然是借助土倉壓力來平衡開挖面水土壓力的，為了使土倉壓力波動較小，必須使挖土量和排土量保持平衡。即人們常講的“新土”置換“舊土”，達到動態(tài)平衡。

4）采用全土壓模式掘進理念仍沒有變，只是在很多細節(jié)方面如掘進速度、碴土改良、出碴量等細節(jié)方面要求更為精細，更為合理。

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