彭寶富，王國義

（1．成都軌道交通集團(tuán)有限公司，四川 成都 610095；2．中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都 610212）

近年來，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于地鐵工程。土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)地質(zhì)越來越復(fù)雜，出現(xiàn)的問題也越來越多，尤其是盾構(gòu)掘進(jìn)復(fù)合地層出現(xiàn)諸多問題已引起廣泛關(guān)注。何祥凡等［1］提出盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層地表沉降顯著增大，應(yīng)對(duì)較軟側(cè)地層進(jìn)行適當(dāng)加固；李振等［2］提出盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層采用“欠土壓推進(jìn)”模式，穿越重要構(gòu)筑物區(qū)間時(shí)地面沉降可控制在允許范圍內(nèi)；翟圣智等［3］提出上覆砂礫石下臥泥質(zhì)粉砂巖復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良，每環(huán)管片所需泡沫劑確定為63～82L，注水量為6～8m3，可防止結(jié)泥餅；夏杰等［4］對(duì)南寧圓礫泥巖復(fù)合地層從掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良、壁后注漿、建筑物保護(hù)等方面提出土壓平衡盾構(gòu)穿越此復(fù)合地層的成套掘進(jìn)施工控制技術(shù)；江華等［5］針對(duì)北京土砂復(fù)合地層掘進(jìn)困難，分析盾構(gòu)穿越土砂復(fù)合地層變形規(guī)律，提出盾構(gòu)土壓力、同步注漿壓力及同步注漿量的有效控制；周劉剛等［6］以大連地鐵港中區(qū)間復(fù)合地層為例，針對(duì)地層突涌水、刀具異常磨損、破巖效率低、刀盤結(jié)泥餅和穿越排樁等難題，提出刀盤刀具配置、掘進(jìn)參數(shù)選擇、渣土改良等有效解決措施。已有研究中主要針對(duì)復(fù)合地層中出現(xiàn)的難題提出綜合解決措施，未對(duì)復(fù)合地層出現(xiàn)的難題進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)對(duì)于盾構(gòu)結(jié)泥餅的真正原因分析存在不足。對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖地層施工缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

筆者針對(duì)成都地鐵盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖時(shí)出現(xiàn)的盾構(gòu)推力大、扭矩大、掘進(jìn)速度慢、易結(jié)泥餅、超方嚴(yán)重等現(xiàn)象，分析出現(xiàn)此現(xiàn)象的真正原因，并對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提出渣土改良新觀點(diǎn)，解決了此復(fù)合地層的掘進(jìn)難題。

1 工程概況及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

成都軌道交通18號(hào)線一、二期工程起于火車南站，經(jīng)高新、華陽、天府新區(qū)后穿越龍泉山至新機(jī)場(chǎng)。線路全長約58．84km，全線目前共有車站10座，8個(gè)盾構(gòu)區(qū)間。

經(jīng)前期論證盾構(gòu)全部采用直徑8．6m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，隧道管片采用內(nèi)徑7．5m、外徑8．3m、楔形量40mm的左右轉(zhuǎn)彎環(huán)管片。此工程將與天府國際機(jī)場(chǎng)同時(shí)運(yùn)營，工期緊、任務(wù)重，因此盾構(gòu)隧道正常貫通是按計(jì)劃運(yùn)營的前提條件。

1.2 地層巖性和水文地質(zhì)

成都軌道交通18號(hào)線盾構(gòu)隧道主要穿越砂卵石、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖和此3種地質(zhì)的復(fù)合地層。主要穿越地層概況如下。

1）①3-8卵石土：灰色、灰白、灰黃色、飽和、松散～密實(shí)。石質(zhì)成分以灰?guī)r、花崗巖等硬質(zhì)巖為主。粒徑4～20cm；卵石含量占55%～70%，其余為中細(xì)砂及圓礫填充；局部夾有4%～7%漂石，粒徑多為210～300mm。卵石呈圓形、亞圓形，磨圓度良好，分選性差；均勻性差。根據(jù)顆分顯示，卵石最大粒徑約180mm，漂石最大粒徑210～300mm。不均勻系數(shù)Cu＝3．4～140；曲率系數(shù)Cc＝1．1～32．2，屬不良級(jí)配土。根據(jù)N63．5超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)：①3-8可劃分為①3-8-1松散 ～稍密、①3-8-2中密、①3-8-3密實(shí)3個(gè)亞層。

2）②5-1-3中等風(fēng)化泥巖（K2g）：紫紅色，中厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊易碎，部分地段軟弱夾層或差異風(fēng)化明顯，易風(fēng)化，遇水易軟化。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)：天然密度 ρ＝2．49～2．67g／cm3，天然含水率w＝2．33%～7．11%，天然抗壓強(qiáng)度5．4～15．2MPa，天然飽和抗壓強(qiáng)度1．04～10．77MPa，飽和吸水率2．93%～29．67%，膨脹力6～162kPa，自由膨脹率6．0%～42．0%。

3）②5-2-3中等風(fēng)化砂巖（K2g）：紫紅色、磚紅色、青灰色、灰綠色，中厚層狀，細(xì)粒結(jié)構(gòu)（少量粉粒結(jié)構(gòu)）。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀。巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊易碎，部分地段軟弱夾層或差異風(fēng)化明顯。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)：天然密度 ρ＝2．23～2．73g／cm3，天然含水率w＝0．64%～11．7%，天然抗壓強(qiáng)度24．5～56．1MPa，天然飽和抗壓強(qiáng)度23．84～48．9MPa，飽和吸水率6．60%～17．65%，膨脹力0～706kPa，自由膨脹率12%～34%。

根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料及地下水的賦存條件，地下水主要有3種類型：①賦存于填土層的上層滯水；②第四系砂卵石層的孔隙水；③基巖裂隙水。①3-8卵石土為孔隙水，滲透系數(shù)約25m／d，屬于強(qiáng)透水層；中風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化砂巖為基巖裂隙水，滲透系數(shù)約為0．44m／d，屬于弱透水層或不透水的隔水層。

2 土壓平衡盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖地層的困難及原因分析

1）盾構(gòu)中心不結(jié)泥餅的前提下，盾構(gòu)推力大（25 000kN以上），刀盤扭矩大（5 500kN·m），掘進(jìn)速度慢（5～10mm／min）［7］。

2）出土量增大［8］，超方嚴(yán)重，地表易塌陷。

3）刀盤中心易結(jié)泥餅［9］。

盾構(gòu)穿越此復(fù)合地層的掘進(jìn)參數(shù)與盾構(gòu)穿越全斷面砂卵石地層或全斷面中風(fēng)化砂巖地層等掘進(jìn)參數(shù)截然不同（掘進(jìn)參數(shù)見表1），經(jīng)充分討論研究，最終分析原因如下。

表1 直徑6.25m盾構(gòu)穿越不同地層掘進(jìn)參數(shù)匯總

1）盾構(gòu)掘進(jìn)此復(fù)合地層，上部砂卵石地層有擾動(dòng)帶，擾動(dòng)帶范圍內(nèi)砂卵石較松散；下部中風(fēng)化砂巖地層，抗壓強(qiáng)度較高（約40MPa），滾刀碾壓破碎為平面（刀盤面板與開挖面之間間距為175mm）（見圖1）。為防止超方，盾構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)保壓掘進(jìn)，上部粒徑≤175mm的卵石會(huì)由于重力作用等原因部分進(jìn)入刀盤面板與中風(fēng)化泥巖開挖面之間。只有當(dāng)刮刀刮到卵石或渣土間擠壓作用時(shí)卵石才能進(jìn)入土艙。當(dāng)進(jìn)入刀盤面板與中風(fēng)化砂巖開挖面之間的卵石粒徑不小于刀盤面板與開挖面之間間距減去刀盤貫入度的值時(shí)，此卵石將卡在刀盤面板與開挖面之間，阻止盾構(gòu)向前推進(jìn)，其間的卵石也參與破巖，并抵消大部分盾構(gòu)的推力和刀盤扭矩，最終導(dǎo)致盾構(gòu)推力大、刀盤扭矩大、掘進(jìn)速度慢。因此提高掘進(jìn)速度的唯一辦法是盡量減少刀盤面板與中風(fēng)化泥巖開挖面之間卵石的數(shù)量。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢，對(duì)上部砂卵石地層擾動(dòng)大，無法達(dá)到真正的土壓平衡掘進(jìn)模式，導(dǎo)致上部砂卵石掉入土艙，超方嚴(yán)重，最終導(dǎo)致地表塌陷。

3）渣土改良采用泡沫和水的改良方式，水加在土艙中心，防止結(jié)泥餅。但刀盤前方只注入泡沫（注入率100%）的渣土流動(dòng)性差，在土艙內(nèi)相互擠壓，雖然土艙中心在加水，但土艙中心附近是流動(dòng)性差的渣土與水的混合體，無法進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，往往是中心加水口土艙隔板附近未結(jié)泥餅，但中心其他位置易結(jié)泥餅。同時(shí)砂卵石和中風(fēng)化砂巖含細(xì)顆粒少，停機(jī)久，泡沫失效，滲透率高，渣土中水分流失，渣土板結(jié)，再次掘進(jìn)渣土間相互擠壓，也容易結(jié)泥餅。卵石在刀盤面板與開挖面之間摩擦，產(chǎn)生大量熱量，加劇泥餅生成。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)復(fù)合地層示意

3 盾構(gòu)穿越復(fù)合地層解決措施

1）盡量降低刀盤面板與中風(fēng)化砂巖開挖面之間卵石數(shù)量，可降低盾構(gòu)推力、刀盤扭矩，提高掘進(jìn)速度。選用遼寧三三盾構(gòu)機(jī)刀盤，刀盤12個(gè)開口刮刀為整排刮刀，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤面板與中風(fēng)化砂巖之間的卵石能以最快速度進(jìn)入土艙，大大降低刀盤面板與中風(fēng)化砂巖之間卵石的數(shù)量。

2）采用泡沫和低濃度聚合物水溶液的綜合渣土改良方式，提高渣土的流塑性、低滲透性和保水性，預(yù)防渣土停機(jī)失水造成板結(jié)。刀盤前方6路注入泡沫，注入率為40%，刀盤前方2路（1路在刀盤中心，1路在刀盤外側(cè)）注入低濃度聚合物水溶液（質(zhì)量比為水∶聚合物 ＝10 000∶2），注入率為20%～30%。渣土改良全部在刀盤前方進(jìn)行，進(jìn)入土艙的渣土經(jīng)過充分改良，其坍落度為16cm。

3）掘進(jìn)過程適當(dāng)保壓，通過增加推力盡量提高掘進(jìn)速度，同時(shí)滾刀切削下來的渣土與螺旋輸送機(jī)的出渣量相匹配，防止超方。

4 案例應(yīng)用

成都軌道交通18號(hào)線一、二期工程世紀(jì)城～海昌路站盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)此復(fù)合地層時(shí)采用遼寧三三優(yōu)化的刀盤刀具配置，泡沫和低濃度聚合物水溶液的綜合渣土改良方式，掘進(jìn)參數(shù)與盾構(gòu)掘進(jìn)砂卵石地層參數(shù)對(duì)比基本正常（見表2）。實(shí)踐證明，盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖地層采取的措施簡單、有效。

表2 直徑8.6m盾構(gòu)穿越不同地層掘進(jìn)參數(shù)匯總

5 結(jié)語

1）土壓平衡盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖地層時(shí)，通過優(yōu)化刀盤刀具布置（刮刀設(shè)計(jì)為整排刮刀），降低部分推力和扭矩，提高掘進(jìn)速度。

2）通過泡沫和低濃度聚合物水溶液的綜合渣土改良方式，可提高渣土流塑性、降低渣土滲透性，可預(yù)防渣土失水造成板結(jié)。

3）合理的泡沫和低濃度聚合物水溶液的注入位置及數(shù)量，可有效防止刀盤及土艙結(jié)泥餅。

4）盾構(gòu)穿越復(fù)合地層應(yīng)重點(diǎn)根據(jù)地層特點(diǎn)，從盾構(gòu)設(shè)備、渣土改良、掘進(jìn)參數(shù)等方面找到行之有效的解決措施。

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