宋亞偉

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030000）

目前國家水利工程建設(shè)飛速發(fā)展，尤其是在城市水利工程建設(shè)中，盾構(gòu)工法得到迅速推廣。由于受到城市規(guī)劃及周邊建筑物影響，盾構(gòu)輸水隧洞小半徑曲線掘進(jìn)施工越來越多。小半徑全斷面無水大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)施工遠(yuǎn)比黏土、砂土等地層中困難，因此對(duì)無水大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)施工的研究有著重要意義，對(duì)同類型盾構(gòu)施工具有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程背景

北京市南水北調(diào)配套工程河西支線工程自大寧調(diào)蓄水庫取水，加壓輸水至三家店調(diào)節(jié)池，為豐臺(tái)河西及門頭溝區(qū)提供生活用水，設(shè)計(jì)規(guī)模10m3/s。施工第八標(biāo)段位于北京市豐臺(tái)區(qū)，包含兩段盾構(gòu)區(qū)間約3.4km，其中一段盾構(gòu)輸水隧洞長度約1820m，從北京市園博園5號(hào)門斜對(duì)面2#盾構(gòu)始發(fā)井始發(fā)，至園博園1號(hào)門對(duì)面1#盾構(gòu)接收井接收，盾構(gòu)掘進(jìn)線路由西北至東南，整體位于園博大道西側(cè)。線路設(shè)計(jì)最小曲線半徑275m，曲線長度約占隧洞全長的32.8%，盾構(gòu)掘進(jìn)為下坡，最大坡度1.183‰，豎曲線半徑為5000m。盾構(gòu)管片外直徑3.8m，內(nèi)徑3.2m，寬度1.2m，厚度0.3m，采用彎曲螺栓連接，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50W10F150。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，盾構(gòu)輸水隧洞位于永定河右岸一級(jí)階地，管底高程55～57m，管底埋深12～14m。盾構(gòu)輸水隧洞置于②層卵石，地下水主要為潛水，水位按標(biāo)高大致在42～44m，穩(wěn)定性較差，含水層較薄，因此盾構(gòu)掘進(jìn)不受地下水影響。

②層卵石雜色，稍濕～飽和，密實(shí)，局部含圓礫及砂質(zhì)透鏡體夾層，卵石粒徑以4～12cm為主，局部含漂石及孤石。卵石磨圓度較好，主要呈亞圓形；級(jí)配較高，含砂量5%～20%，含泥量較低。卵石成分主要為砂巖、礫巖、安山巖、花崗巖等。石粒（200～20mm）含量52.4%～82.8%，礫粒（20～2mm）含量5.8%～35.2%，砂粒（2～0.075mm）含量4.0%～19.6%，卵石粒徑較大，夾漂石、孤石較多，勘探及附近施工可見最大粒徑約2.0m，級(jí)配不良。

盾構(gòu)全斷面穿越無水大粒徑卵礫石地層施工，是國內(nèi)外罕見的施工難題。根據(jù)工程概況，主要存在以下難題：（1）刀盤和螺旋輸送機(jī)以及密封艙內(nèi)部磨損嚴(yán)重；（2）在盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)建立土壓平衡狀態(tài)比較困難；（3）大粒徑砂卵石切削和破碎困難，而且切削下來的碴土經(jīng)螺旋輸送機(jī)向外排出也困難；（4）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的刀盤扭矩，推進(jìn)阻力大，對(duì)設(shè)備能力要求較高；（5）小半徑曲線施工軸線較難控制，管片很可能因?yàn)橥屏^大造成破壞；（6）盾構(gòu)機(jī)獨(dú)頭掘進(jìn)約3.4km長，掘進(jìn)距離長，地質(zhì)條件較差，風(fēng)險(xiǎn)性高。

針對(duì)以上難點(diǎn)，通過總結(jié)已經(jīng)完成掘進(jìn)的盾構(gòu)輸水隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，著重從三方面采取措施：一是盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的優(yōu)化，二是土體的塑流化改良，三是盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化。

2 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的優(yōu)化

盾構(gòu)輸水隧洞施工采用1臺(tái)由中國鐵建重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的Φ4030mm土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，根據(jù)本工程地質(zhì)條件，本著“吃得進(jìn)、掘得動(dòng)、排得出、挖得穩(wěn)”為理念，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)及專家論證確定盾構(gòu)機(jī)參數(shù)。

（1）“吃得進(jìn)”，即刀盤需要大開口，可以使渣土順利進(jìn)入。刀盤結(jié)構(gòu)采用4幅條+4面板復(fù)合式刀盤，開挖直徑Φ4060mm，開口率約58%。刀盤法蘭采用梅花形，4個(gè)支腿設(shè)計(jì)，提高刀盤支撐剛度、強(qiáng)度，滿足砂卵石地層下對(duì)刀盤的高沖擊要求。同時(shí)，增加刀盤格柵，避免面超大粒徑卵石（大于螺旋輸送機(jī)最大通過粒徑Φ415mm×460mm）進(jìn)入土倉。刀盤照片如圖1所示。

圖1 刀盤照片

（2）“掘得動(dòng)”，即設(shè)備需要足夠的扭矩和推力。刀盤主驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，額定扭矩2501kN·m，脫困扭矩2920kN·m，轉(zhuǎn)速0～2.5rpm。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸規(guī)格Φ200/170～1900mm，共16根，分4個(gè)區(qū)，最大推力17592kN，最大推進(jìn)速度80mm/min。

（3）“排得出”，即螺旋輸送機(jī)有較大的排渣能力。為保證螺旋輸送機(jī)能夠盡可能排出大粒徑卵石，采用液壓驅(qū)動(dòng)，無軸螺旋型式，最大通過粒徑Φ415mm×460mm；螺旋輸送機(jī)出渣能力155m3/h，轉(zhuǎn)速0～22rpm。

（4）“挖得穩(wěn)”，即設(shè)備需配備良好的渣土改良系統(tǒng)。在盾體的徑向方向、刀盤、前盾承壓隔板均注入膨潤土漿液；采用單管單泵進(jìn)行泡沫注入。

3 土體塑流化改良

輸水隧洞盾構(gòu)掘進(jìn)位于卵礫石地層中，土體的塑流化改良能夠有效減少刀具磨損、降低刀盤扭矩、減少螺旋輸送機(jī)的磨損，同時(shí)可較好地控制地面沉降。

3.1 土體改良材料

土體改良就是通過盾構(gòu)機(jī)配置的專用裝置泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)等向刀盤掌子面、土倉、螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入添加劑，利用刀盤的旋轉(zhuǎn)攪拌、土倉攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)攪拌使添加劑與土體混合，其主要目的就是要使盾構(gòu)切削下來的土體具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，以滿足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)達(dá)到理想的工作狀況。

考慮到盾構(gòu)輸水隧洞在全斷面無水卵礫石地層中施工，土體改良劑主要選擇優(yōu)質(zhì)的膨潤土和泡沫。

3.2 土體改良注入點(diǎn)的優(yōu)化

（1）膨潤土注入點(diǎn)的優(yōu)化。盾構(gòu)機(jī)膨潤土注入口原為“2路刀盤”設(shè)計(jì)，由于受無水卵礫石地層極易擴(kuò)散的影響，導(dǎo)致膨潤土損失量較大，土倉內(nèi)土體改良效果較差，不易通過螺旋機(jī)排出。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，將“2路刀盤”改為“1路土倉+1路螺旋機(jī)”，能夠有效降低膨潤土損失，土體改良效果良好。

（2）泡沫注入點(diǎn)的優(yōu)化。盾構(gòu)機(jī)膨潤土注入口原為“2路刀盤”設(shè)計(jì)，同樣由于受到無水卵礫石地層影響，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，將“2路刀盤”調(diào)整為“2路刀盤+1路土倉”，土體改良效果良好。

（3）優(yōu)化效果。通過現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，土體和易性得到有效改善，能夠有效防止切削土體黏附在刀盤及螺旋輸送機(jī)內(nèi)造成堵塞，同時(shí)降低刀盤扭矩，減少卵礫石對(duì)刀盤及螺旋輸送機(jī)的磨損。

3.3 土體改良注入量的優(yōu)化

控制膨潤土及泡沫的注入量在卵礫石地層盾構(gòu)掘進(jìn)中非常重要，合理的注入量一方面能夠使土體的塑流化達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)也能節(jié)約成本。

通過現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，膨潤土采用優(yōu)質(zhì)膨潤土，泥漿配比為水∶膨潤土=10∶1，將膨潤土泥漿稠度由30s提高至80s時(shí)，可使每環(huán)膨潤土注入量由7～8m3降至約2.5m3。泡沫混合液原液占比約5%，混合液發(fā)泡體積膨脹率為15～17倍，每環(huán)泡沫原液注入量為25～30L。土體改良劑注入量調(diào)整后，極少出現(xiàn)螺旋機(jī)卡頓等情況，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中排渣通暢。

4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化

盾構(gòu)全斷面穿越無水大粒徑卵礫石地層施工，合理選擇盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)至關(guān)重要，主要包括土壓力控制、出渣量控制、盾構(gòu)推力控制、刀盤參數(shù)控制及注漿控制等。

4.1 土壓力控制

由于輸水隧洞位于卵礫石地層，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤極易“卡死”而造成推進(jìn)困難，考慮到土壓的數(shù)值和刀盤的扭矩及盾構(gòu)推力呈正比關(guān)系，為了盡量降低刀盤的磨損，減小盾構(gòu)的推進(jìn)阻力，提高掘進(jìn)速度，應(yīng)在滿足地表沉降要求的前提下采取適量欠壓的模式掘進(jìn)。根據(jù)隧洞覆土厚度8～10m，掘進(jìn)時(shí)土倉上壓力控制在0.3bar左右，下土壓控制在0.6bar左右為宜。

4.2 出渣量控制

盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)出渣量超挖會(huì)造成地面沉降超限，因此，必須嚴(yán)格控制每環(huán)出渣量。結(jié)合北京地區(qū)相似地層施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，地層松散系數(shù)按1.1～1.2考慮較為合適，每環(huán)出渣量宜控制在17.1～18.6m3。實(shí)際施工時(shí)出土量應(yīng)針對(duì)地層、結(jié)合地表沉降監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

4.3 盾構(gòu)推力控制

在刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，掘進(jìn)速度越大，刀盤貫入度也越大，在粒徑大的密實(shí)卵礫石層中極易出現(xiàn)卡刀盤等不良現(xiàn)象。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)應(yīng)保證推進(jìn)速度的均勻性，總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，無水卵礫石地層中理想推力應(yīng)控制在6000～8000kN。

4.4 刀盤參數(shù)控制

因無水卵礫石地層自穩(wěn)性差，如刀盤轉(zhuǎn)速過高，將加大刀盤、刀具的磨損，同時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)也會(huì)加大，不利于土體自穩(wěn)?？偨Y(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，刀盤轉(zhuǎn)速宜控制在1.2～1.4rpm，刀盤扭矩控制在800～1000kN·m較為合適。當(dāng)?shù)侗P扭矩超過75%時(shí)，應(yīng)該對(duì)土體改良的質(zhì)量進(jìn)行檢查，應(yīng)在土體改良效果正常的前提下再適當(dāng)?shù)貙?duì)刀盤參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.5 注漿控制

盾構(gòu)施工過程中，同步注漿及二次補(bǔ)漿對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)及成型隧洞軸線位置控制有著至關(guān)重要的作用。同步注漿材料選用水泥砂漿（現(xiàn)場(chǎng)自拌），總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，同步注漿量為理論注漿量的1.3～1.5倍為宜，即每環(huán)同步注漿量為2.5～2.9m3。由于卵礫石地層掘進(jìn)采用欠壓模式，極易造成地表沉降，所以管片壁后二次補(bǔ)漿應(yīng)根據(jù)地表檢測(cè)情況及時(shí)進(jìn)行，補(bǔ)漿位置為管片兩側(cè)上半圓范圍，二次注漿采用雙液漿，雙液漿混合后的膠凝時(shí)間控制在20～30s范圍之內(nèi)。

5 施工效果

通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的優(yōu)化、土體的塑流化改良、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化等方面的研究，極大提高了盾構(gòu)的施工速度，成功克服了大粒徑卵石地層掘進(jìn)困難、刀具磨損、刀盤和螺旋機(jī)頻繁卡停等難題，并在盾構(gòu)推進(jìn)取得單班日掘進(jìn)21環(huán)、單日掘進(jìn)39環(huán)、單月掘進(jìn)742環(huán)的好成績。輸水隧洞管片拼裝襯砌環(huán)直徑橢圓度、軸線偏差（高程和平面）、管片錯(cuò)臺(tái)及地表沉降均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

在北京南水北調(diào)配套工程河西支線施工過程中，通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的優(yōu)化、土體的塑流化改良、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化等方面的研究，順利完成了盾構(gòu)全斷面穿越無水大粒徑卵礫石地層施工，并在小半徑曲線段施工、地表沉降控制等方面取得了良好效果，最終實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)。該工程施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)無水卵礫石地層盾構(gòu)施工具有很好的借鑒意義。