王彥臻

(西安市軌道交通集團有限公司 陜西西安 710018)

1 引言

全斷面砂層土壓平衡盾構施工時易造成開挖面坍塌甚至地面坍塌，當地下水比較豐富時，會發(fā)生螺旋機噴涌事故[1-3]。以西安地鐵一號線二期張家村站-上林路站區(qū)間砂層盾構施工為工程背景，為適應特殊地層條件，對盾構機的刀盤、刀具和泡沫系統(tǒng)進行改造，同時配合泡沫和膨潤土對渣土進行改良，并結合監(jiān)測結果分析，進行全斷面砂層盾構施工關鍵技術研究，研究成果可為類似地層土壓平衡盾構施工提供參考和借鑒[4-6]。

2 工程概況

西安市地鐵一號線二期工程上林路站-張家村站區(qū)間，線路自上林路起沿世紀大道地下向東到達張家村站，區(qū)間左線長1 549.072 m，最小曲線半徑1 200 m，最大縱坡23.232‰；右線區(qū)間長1 503.268 m，最小曲線半徑800 m，最大縱坡23‰，盾構隧道埋深范圍為10.7～16.6 m。穿越的地層主要為中砂和細砂等土層組成的全斷面砂層。區(qū)間地下水水位埋深16.5～21.0 m，基本呈西高東低的趨勢，局部黃土狀土含水量較大，可能存在上層滯水。覆蓋層為第四系松散層，含水層主要為強透水的中砂層，潛水含水層厚度大于50 m。根據區(qū)域水文地質資料，結合西安地區(qū)降水經驗，本區(qū)段黏性土的滲透系數采用5～10 m/d，砂類土的滲透系數采用35～50 m/d，綜合滲透系數選用35～40 m/d。

3 盾構機選型

根據盾構區(qū)間地層情況，綜合考慮選用美國羅賓斯EPB6150土壓平衡盾構機。主要技術參數：最大總推力36 000 kN；額定扭矩5 128.36 kN·m；刀盤轉速0.3～2.0 r/min；推進速度0～80 mm/min；開挖直徑6 180 mm；刀盤開口率為43%。刀盤上配置62把刮刀、37把單刃貝殼刀、1把中心刮刀(魚尾刀)、1把超挖刀、1把磨損檢測刀、12把圓周保護刀、5把注射口保護刀、4把內圓保護刀、80把犁刀。盾構機自帶同步注漿系統(tǒng)，注漿速度24 m3/h。

4 重難點問題及原因分析

4.1 設備磨損

(1)重難點問題

刀盤面板和刀具磨損較大，刀盤的開挖直徑減小，同時刀具的切削能力下降甚至出現(xiàn)刀具失效等情況，造成掘進困難，影響掘進速度，嚴重時會引起地面沉降過大，甚至坍塌。

(2)原因分析

砂土摩擦系數較大，顆粒強度較高，盾構機掘進過程中，砂土與設備之間的摩擦力大，刀盤和刀具與砂土之間的摩擦作用導致盾構機刀盤、刀具等部位產生較大磨損[7-9]。同時摩擦過程中產生大量的熱量，導致刀盤和刀具溫度升高，高溫作用加劇了刀盤和刀具的磨損，甚至出現(xiàn)刀盤和刀具損壞。

4.2 掘進參數控制

(1)重難點問題

盾構掘進過程中推力較大，刀盤貫入比較困難，掘進速度慢甚至無法推進，刀盤扭矩大甚至超過額定扭矩[10]；螺旋輸送機排土不連續(xù)且排土較困難，偶爾伴隨著塊狀土排出，地下水豐富的砂層會出現(xiàn)噴涌，土倉壓力波動較大；刀盤、刀具和渣土的溫度較高，盾構掘進參數很難控制在合理的范圍。

(2)原因分析

由于砂層渣土的流塑性差，掘進過程中會導致刀盤和螺旋輸送機的扭矩增大，同時刀盤前方下部土體很難排入土倉內，進一步導致掘進速度變慢甚至無法推進；砂層渣土的摩擦系數較大且流塑性差，出土難度增加，出土所需的動力明顯增加；砂土層摩擦系數大且砂土顆粒強度較大，掘進過程中刀盤和刀具與砂土層摩擦并產生大量的熱量，而在隧道密閉環(huán)境下熱量不易釋放，最終導致刀盤和刀具溫度升高。

4.3 沉降控制

(1)重難點問題

盾構隧道下穿既有西安繞城高速高架橋，掘進過程中易產生超方，出現(xiàn)地面沉降，甚至發(fā)生地面坍塌，最終造成橋樁變形失穩(wěn)，影響高架橋樁基安全；隧道距離樁基較近，盾構掘進過程中對土體的擾動會導致樁基兩側土壓力不平衡，從而造成樁基傾斜失穩(wěn)。

(2)原因分析

全斷面砂層掘進，盾構機較難實現(xiàn)連續(xù)的動態(tài)土壓平衡，出土不受控制，同時砂層黏聚力小幾乎為零，自穩(wěn)性較差，開挖面上部土體較難形成穩(wěn)定的土拱，容易出現(xiàn)開挖面坍塌，最終造成地面沉降過大甚至坍塌，影響周邊建(構)筑物、高架橋和管線等安全。當砂層中地下水豐富時，極易產生噴涌，甚至造成地面坍塌。

5 施工關鍵技術研究

5.1 渣土改良措施

目前，盾構施工中渣土改良的添加劑主要有泡沫劑、膨潤土和高分子聚合物，不同添加劑的適應性如表1所示。

表1 渣土改良添加劑適應性對比

試驗中按照一定配比將膨潤土、CMC(羧甲基纖維素鈉)[11-12]干粉、水充分攪拌配置成泥漿。對配制而成的泥漿采用1002型泥漿比重儀和馬氏漏斗粘度計分別測定不同配比泥漿的比重和粘度，試驗結果如表2所示。

表2 不同配比膨潤土泥漿參數

由表2可知，當膨潤土與羧甲基纖維素鈉(CMC)含量增加時，膨潤土泥漿的比重基本不變，粘度隨之增加，膨潤土和CMC含量對泥漿粘度影響非常明顯。在一定范圍內，膨潤土泥漿粘度越高，濾水量越小，成膜時間越短，泥膜的質量越好且密實，其攜帶渣土的能力越強，但配制泥漿的成本增高，泵送難度也越大；而泥漿粘度太低，其形成泥膜和攜帶渣土的能力差，同時泥漿滲漏量較大。由于泥漿濃度的選擇需綜合考慮地層、泥漿泵送設備、成本和地下水等因素，結合試驗結果和類似工程經驗，膨潤土泥漿配比為：膨潤土質量占比為13.7%，CMC質量占比為0.03%，加入膨潤土的體積為砂土體積的10%～20%。

根據試驗和類似工程經驗，泡沫溶液中泡沫添加劑的含量為3%。泡沫由90%～95%壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合而成，泡沫的注入量按開挖方量及渣土實際方量確定，為300～600 L/m3。

5.2 刀盤和刀具改造

5.2.1 刀盤改造

盾構掘進過程中，砂層對刀盤圓周部位磨損最為嚴重。刀盤圓周磨損后，盾構掘進施工難度增加，同時隧道開挖尺寸也隨之變小。改造后刀盤的圓周為溜槽式，可以減少刀盤與砂層之間的摩擦作用，從而降低盾構掘進過程中的推力和扭矩，提高盾構施工效率。

5.2.2 刀具改造

(1)貝殼刀

為降低砂層對刀具的磨損作用，貝殼刀材質為重型高耐磨碳鎢合金，同時對貝殼刀的尺寸進行改造。改造后的刀具如圖1所示，貝殼刀的高度由140 mm增加到175 mm，從而增加了刮刀和貝殼刀的高差，盾構掘進過程中，貝殼刀最先接觸開挖面，并對砂層進行破碎開挖，可以有效減少掌子面對刮刀的磨損，同時有利于減小刀盤扭矩，滿足全斷面砂層掘進要求。

(2)魚尾刀

全斷面砂層盾構施工中，中心魚尾刀磨損速度較快，而原魚尾刀頭為普通單條合金刀頭。為了提高魚尾刀的耐磨性，將魚尾刀頭進行改造，改造后的魚尾刀頭為雙層合金刀頭。

圖1 貝殼刀改造

5.3 泡沫系統(tǒng)改造

由于羅賓斯EPB6150盾構機泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，為了適應全斷面砂層掘進時對泡沫劑的需求，對原泡沫系統(tǒng)進行改造。改造后泡沫系統(tǒng)共6路，泡沫各個管路為單管、單泵、單閥。將泡沫原液和水按比例混合，通過擠壓泵送入泡沫發(fā)生器與空氣混合，形成泡沫，再通過管路注入刀盤掌子面，從而減小砂層對刀盤和刀具的摩擦作用，同時可有效地降低扭矩。

6 實施效果評價

(1)設備磨損

由于對渣土進行改良，同時對刀盤、刀具和泡沫系統(tǒng)進行必要的改造，經過1 550 m全斷面砂層掘進，中途未開倉換刀并順利出洞。盾構機出洞后進行檢查，刀盤圓周部位磨損7 cm，圓周保護刀無磨損，刀盤面板刀具磨損量相較于未改造前明顯減小，刀具仍具備切削能力。盾構機的刀盤和刀具磨損在有效控制范圍內，均屬于正常磨損。

(2)掘進參數控制

區(qū)間左線80～99環(huán)未進行渣土改良，掘進參數如圖2所示；右線100～119環(huán)采用渣土改良技術，掘進參數如圖3所示。由圖2和圖3對比可知，渣土改良后，推力、扭矩、掘進速度有一定的變化，其中推力下降4.6%、扭矩下降15.2%、掘進速度提高29.3%。利用渣土改良技術后，掘進速度有明顯提高，刀盤扭矩下降幅度較大，推力有一定的下降。通過泡沫和膨潤土改良后，渣土的表面張力降低，渣土流塑性較好，同時由于泡沫和膨潤土的潤滑作用，砂土對刀盤和刀具的摩擦作用降低，膨潤土對刀盤和刀具也具有一定的降溫作用。

圖2 渣土未改良掘進參數

圖3 渣土改良后掘進參數

(3)沉降控制

全斷面砂層盾構施工地表沉降曲線如圖4所示，累計沉降量控制在10 mm以內，部分累計沉降量大于10 mm，但均未超過15 mm；沉降速率主要分布在0.01～0.02 mm/d范圍內。地表管線以及建(構)筑物整體沉降在可控范圍內，達到了土壓平衡盾構機在長距離全斷面砂層掘進中無需開倉換刀順利出洞的目的。

圖4 盾構掘進沉降曲線

7 結論

復雜地質條件下盾構施工會遇到各種技術難題，從而影響盾構施工的順利進行。對于全斷面砂層盾構施工，由于砂土摩擦系數大、顆粒強度高、流塑性和自穩(wěn)性差，導致刀盤和刀具磨損嚴重、掘進推力和扭矩大、掘進速度慢、地表沉降過大甚至出現(xiàn)地面坍塌。通過對渣土改良，刀盤、刀具和泡沫系統(tǒng)改造等施工關鍵技術進行研究，并對施工關鍵技術實施后的效果進行評價，得出以下結論：

(1)渣土改良是全斷面砂層盾構施工中的核心技術。根據地層條件利用膨潤土和泡沫劑對渣土進行改良，改良后渣土的流塑性好，掘進過程中推力和扭矩減小，掘進速度提高，同時降低了渣土對刀盤和刀具的磨損作用。

(2)通過對盾構機刀盤和刀具進行改造，提高了刀盤和刀具的切削能力，同時延長了刀盤和刀具的使用時間，刀盤和刀具的磨損得到有效控制。

(3)將泡沫系統(tǒng)中單泵多管改造為單管單泵，改造后泡沫系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提升，提高了渣土改良效果。

(4)采用渣土改良、刀盤和刀具改造及泡沫系統(tǒng)改造等施工關鍵技術后，地表管線以及建(構)筑物整體沉降在可控范圍內。