廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510000

1 工程概況

長(zhǎng)沙軌道交通1 號(hào)線施工8 標(biāo)位于長(zhǎng)沙市天心區(qū)境內(nèi)，本標(biāo)段兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，分別為省政府站～友誼路站區(qū)間，友誼路站～鐵道學(xué)院站區(qū)間。采用兩臺(tái)海瑞克盾構(gòu)機(jī)自省政府站始發(fā)，掘進(jìn)至友誼路站過(guò)站后，從鐵道學(xué)院站吊出。

區(qū)間盾構(gòu)穿越巖層從新到老主要由全新統(tǒng)人工填土層、中更新統(tǒng)沖擊層、殘積層、第三系紫紅色泥質(zhì)粉砂巖各分化帶巖石［1］。

2 地層適應(yīng)性分析及盾構(gòu)機(jī)選型

2.1 地層適應(yīng)性分析

2.1.1 本標(biāo)段區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)大部分穿越砂卵石地層。

省政府～友誼路區(qū)間約800m，友誼路～鐵道學(xué)院區(qū)間約450m，其余部分上覆基巖為卵石層。施工過(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良、出土量等控制不當(dāng)，容易造成噴涌、地面沉降過(guò)大、破壞沿線建（構(gòu)）筑物甚至路面坍塌等危害［2］。

2.1.2 區(qū)間下穿較多管線及構(gòu)筑物。

比如省～友區(qū)間下穿湘府路電力隧道及排水箱涵，木蓮沖路污水管道，不排除因污水管道存在個(gè)別位置出現(xiàn)細(xì)微裂縫，長(zhǎng)時(shí)間漏水，對(duì)周邊地層沖洗，形成孔洞。

因此，針對(duì)以上地層，本區(qū)間選擇盾構(gòu)機(jī)配置時(shí)主要考慮為適應(yīng)砂卵石地層，需具體以下基本要求：

（1）砂卵石對(duì)刀盤(pán)、刀具、螺旋輸送機(jī)的磨損性強(qiáng)，該些主要部件需具備高耐磨性。

（2）合理的刀盤(pán)、刀具設(shè)計(jì)，恰當(dāng)?shù)牡侗P(pán)開(kāi)口率，合理的開(kāi)口位置。

（3）盾構(gòu)本體在高水壓狀態(tài)下的防水密封性能。

（4）管片壁厚同步注漿系統(tǒng)能適應(yīng)高水壓。

（5）合理配置泡沫系統(tǒng)及膨潤(rùn)土系統(tǒng)，并且注入管數(shù)量要足夠，易于維修，且有可靠防堵措施，并及時(shí)根據(jù)地層變化情況，合理調(diào)整渣土改良劑配比。

（6）具備處理大漂石的能力。

2.2 盾構(gòu)機(jī)針對(duì)本區(qū)間適應(yīng)性布置

盾構(gòu)機(jī)初裝刀具為8 把17 寸中心單刃滾刀、20 把17 寸正面單刃滾刀、7 把17 寸邊緣單刃、48 把重型齒刀、8 組邊緣刮刀、1 把超挖刀。中心滾刀刀間距為90mm，正面滾刀刀間距為100mm；滾刀高出刀盤(pán)面板175mm，齒刀高出刀盤(pán)面板140mm，刀具高出35mm。滾刀可更換為羊角刀、貝克刀、撕裂刀等其他類型刀具。

針對(duì)本標(biāo)段的砂卵石和粘土地層對(duì)刀盤(pán)刀具做了下列改進(jìn)：

（1）保證刀盤(pán)中心位置出土順暢，防止結(jié)泥餅，原刀盤(pán)8把中心滾刀更換為4 把中心滾刀和4 把羊角刀，且滾刀與羊角刀間隔安裝［3］。

（2）正面和周邊單刃滾刀軸承為TIMKEN 公司重型軸承，金屬浮動(dòng)密封選用原裝意大利GNL 品牌，刀圈采用17 寸24mm的圓弧刃刀圈，內(nèi)圈硬度為HRC58-60，刀轂進(jìn)行耐磨堆焊處理，

（3）在正面面板上和弧臂上焊接增加18 把貝殼刀，貝殼刀高出刀盤(pán)面板160mm，介于滾刀和齒刀之間，對(duì)掌子面渣土進(jìn)行剝離破碎，對(duì)離滾刀較遠(yuǎn)的面板部位起到耐磨保護(hù)。

（4）刀盤(pán)外圈增加焊接兩排12 把保徑刀，保護(hù)刀盤(pán)的外緣，降刀盤(pán)外緣的直接磨損，保證刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑。

（5）泡沫注入口增加注水口保護(hù)刀，保護(hù)刀高度為120mm，低于所有刀具，主要防止注入口堵塞，保證泡沫或膨潤(rùn)土的正常注入。

（6）在刀盤(pán)外圈原Hardox 板上焊接8+6 復(fù)合耐磨鋼板，在刀盤(pán)面板原Hardox 板上用卡斯特林耐磨焊絲，進(jìn)行網(wǎng)格耐磨堆焊，并對(duì)原耐磨網(wǎng)格處補(bǔ)焊，提高刀盤(pán)在砂卵石地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。

3 砂卵石地層掘進(jìn)控制

3.1 盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂卵石層中掘進(jìn)控制技術(shù)

3.1.1 砂卵石地層變形規(guī)律分析及控制措施

友誼路站～省政府站區(qū)間20～50 環(huán)全斷面砂卵石層地面沉降基本可以控制在10mm 以內(nèi)。但是，在【省—友】區(qū)間右線在里程YDK277674（32 環(huán)，排水箱涵位置）處地表單日變形量為-6.53mm，累計(jì)變形為-8.06mm，變形速率超出控制值3mm/d；11 月10 日，YDK277674（32 環(huán)）處單日變形量為-9.44mm，累計(jì)變形為-18.9mm，本監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率再次超出控制值3mm/d。11 月11 日上午，YDK277484（44 環(huán)，電力隧道位置）處地表最大日變形量為-17.63mm，累計(jì)變形為-23.74mm，變形速率超出控制值3mm/d，下午YDK277484（43 環(huán)）處地表變形量為-9.93mm，累計(jì)變形為-33.67mm，本監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率再次超出控制值3mm/d，且累計(jì)變形值達(dá)-38.6m。

根據(jù)44 環(huán)地面沉降變形數(shù)據(jù)變化曲線圖反應(yīng)，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置合理情況下，地面沉降主要分為以上三個(gè)階段：

第一階段：刀盤(pán)到達(dá)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在刀盤(pán)通過(guò)該地層時(shí)沉降量為-1.6mm，由此可得，盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力設(shè)置比較合理；

第二階段：筒體通過(guò)該地層時(shí)，地面沉降量為-9.9mm；

第三階段：在該環(huán)管片脫出盾尾后，至施工方采取二次補(bǔ)充注漿前（該環(huán)管片脫出盾尾8 環(huán)后方可進(jìn)行），地面沉降量最大達(dá)到-27.1mm；

第四階段：二次補(bǔ)漿結(jié)束后，該環(huán)地面沉降數(shù)據(jù)在下一次測(cè)量間隙期內(nèi)（8h）收斂，甚至出現(xiàn)地面上隆情況。

綜合整個(gè)沉降變化時(shí)間，累計(jì)達(dá)30h 左右。由此可得，砂卵石地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)地面沉降在第三階段沉降最大，即主要發(fā)生在同步注漿之后和二次補(bǔ)漿前這個(gè)時(shí)間間隙期內(nèi)，經(jīng)分析，主要原因?yàn)椋和阶{不飽滿，砂卵石地層因透水性系數(shù)較大，加之，漿液首先從底部凝固，造成管片頂部間隙未填充，因此同步注漿與二次補(bǔ)漿時(shí)間間隔越小，地面沉降量越小。施工中，須根據(jù)地層需要，及時(shí)調(diào)整同步注漿及二次補(bǔ)漿初凝時(shí)間。

3.2 盾構(gòu)機(jī)通過(guò)大漂石地層中技術(shù)控制

【鐵道學(xué)院站～友誼路站】區(qū)間左線里程ZDK26+227.12 時(shí)（第156環(huán)過(guò)程中推進(jìn)油缸行程450mm），盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)和掘進(jìn)參數(shù)突變：刀盤(pán)噪音較大，盾體有明顯振動(dòng)，渣土含水量較大；刀盤(pán)工作壓力增大，鉸接油缸壓力增大，螺旋機(jī)扭矩瞬間增大導(dǎo)致螺旋機(jī)油泵跳閘，掘進(jìn)速度降至25mm/min。該異常情況持續(xù)至ZDK26+198.85（第162 環(huán)），在該段掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)垂直無(wú)法控制，盾體嚴(yán)重上漂。同時(shí)，隧道內(nèi)拼裝管片在158 環(huán)～180 環(huán)位置，管片拱頂均出現(xiàn)開(kāi)裂情況，管片環(huán)縫之間錯(cuò)臺(tái)達(dá)10～20mm，另外，162、164、169、170 環(huán)管片2、10 點(diǎn)位出現(xiàn)滲漏情況。

3.2.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上漂原因分析

（1）左線盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)進(jìn)ZDK26+216.88～ZDK26+227.12時(shí)，推力增大、刀盤(pán)和螺旋機(jī)扭矩增大、刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)異響并伴有盾體異常振動(dòng)，渣土中卵石含量明顯增大，疑該地層中卵石含量大且密實(shí)，刀盤(pán)周圈尤其是隧道底存在強(qiáng)度大的漂石，致使刀盤(pán)切削困難造成異響和盾體振動(dòng)。

（2）地質(zhì)圖中顯示該段上部砂卵石下部含有部分粘土。地質(zhì)詳勘的探孔M1Z3－TYD -029距離該區(qū)域17.1m，M1Z3－TYD -030 距離該區(qū)域28.9m。該段地層實(shí)際出渣為卵石和大量經(jīng)刀盤(pán)、螺旋機(jī)擠壓破碎的漂石，卵石粒徑為80～140mm，最大漂石為370mm×240mm×120mm。

（3）雷達(dá)物探報(bào)告顯示該段地層中上部土質(zhì)比較松散，下部的較密實(shí)，形成上軟下硬的地質(zhì)斷面。

（4）在掘進(jìn)ZDK26+198.85～ ZDK26+216.88 時(shí)，頂部和底部的油壓差達(dá)到280bar 也未能將盾體前點(diǎn)姿態(tài)穩(wěn)定住，致使盾構(gòu)姿態(tài)再次上浮，分析原因盾體底部的存在連續(xù)的漂石或原漂石卡在盾殼底部未拖出盾尾。而盾構(gòu)在掘進(jìn)ZDK26+198.85 以后的區(qū)段時(shí)姿態(tài)逐漸可控，可采取較小的壓力差控制姿態(tài)。

經(jīng)各項(xiàng)綜合分析，疑似刀盤(pán)在掘進(jìn)過(guò)程中底部存在大漂石，致使盾體上漂。

3.2.2 采取控制措施

（1）根據(jù)具體情況調(diào)整推進(jìn)油缸的壓力差，確保抑制盾體的前點(diǎn)的上漂，具體控制措施為：推進(jìn)油缸A 組油缸油壓加大至220～240bar，C 組油缸油壓減小到40～50bar，D 組油缸油壓略大于B 油缸壓力。在抑制盾體前點(diǎn)上漂的同時(shí)減緩盾體后點(diǎn)的上浮，確保盾尾的姿態(tài)平緩的沿盾體的姿態(tài)調(diào)節(jié)，減小盾尾與盾體之間的夾角，確保盾尾的鉸接油缸等設(shè)備的安全完好。

（2）根據(jù)盾尾間隙和油缸行程差，以及盾體的掘進(jìn)線性嚴(yán)格選擇管片的拼裝點(diǎn)位，使管環(huán)線性為與盾體的開(kāi)挖線性保持一致。減小因某側(cè)盾尾間隙過(guò)小，當(dāng)盾尾通過(guò)時(shí)造成管片擠裂。

（3）調(diào)整同步注漿的配比和注漿量，縮短漿液的初凝時(shí)間，減少管片的上浮量，增大注漿量，對(duì)因盾體橢圓超挖所造成的間隙及時(shí)填充，同時(shí)推進(jìn)過(guò)程中加大頂部的注漿量，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖出盾尾的管環(huán)向下的壓力來(lái)控制管環(huán)姿態(tài)。

（4）盡可能的減小推力，減少推進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)，減小大部分推力作用在頂部管片時(shí)對(duì)管片造成崩角和裂縫等質(zhì)量缺陷。盡可能減緩掘進(jìn)速度，降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速使刀盤(pán)能充分的多大漂石的切削。

（5）掘進(jìn)過(guò)程中往刀盤(pán)前方和土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土，改良渣土的流塑性和卵石的懸浮性，盡量減小刀具的磨損。

（6）增加地面的監(jiān)測(cè)頻率，加密監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋檢測(cè)信息，并安排人員24h 進(jìn)行路面巡視。

當(dāng)盾體趨勢(shì)穩(wěn)定住后，為確保隧道線性和控制管片的錯(cuò)臺(tái)和裂縫等質(zhì)量缺陷，需要緩慢的調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，每環(huán)管片下調(diào)量為5mm，已在ZDK26+2188.37（183環(huán)）盾構(gòu)姿態(tài)恢復(fù)至界限范圍（100mm）以內(nèi)。

4 盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中通過(guò)建構(gòu)筑物掘進(jìn)控制

鐵友區(qū)間隧道下穿木蓮沖立交橋東南側(cè)匝道，匝道采用重力式擋土墻。該段覆蓋4～8m 的人工填土層，隧道斷面主要為卵石層，底部分布有少量粉質(zhì)粘土層，隧道與匝道擋墻關(guān)系下圖。

盾構(gòu)通過(guò)前期，巡檢發(fā)現(xiàn)木蓮沖立交引橋在沿左線區(qū)間里程ZDK26+272.97～ZDK26+286.97，長(zhǎng)約14m，寬3.75m，深0～5m范圍，在左線區(qū)間里程ZDK26+216.28～ZDK26+237.28，長(zhǎng)約21m，寬3.79m，深5m 左右范圍，共計(jì)兩處土質(zhì)比較松散，并存在孔洞。左右線中心線間距11m，該引橋擋墻結(jié)構(gòu)為重力式擋墻，該擋墻及路面位置已經(jīng)出現(xiàn)多條裂縫，并且擋墻墻面出現(xiàn)向外側(cè)傾斜情況。

4.1 左、右線盾構(gòu)機(jī)通過(guò)該位置時(shí)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比

考慮左、右線盾構(gòu)機(jī)均下穿該木蓮沖立交引橋段，右線盾構(gòu)機(jī)先通過(guò)該地段，左線后通過(guò)，通過(guò)地層主要為＜3-9＞沖擊卵石層，隧道上覆主要為人工填土層，土質(zhì)松軟。本節(jié)選取左右線在120環(huán)～130環(huán)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比，以及YDK26+273（126環(huán)）和ZDK26+273（125 環(huán)）統(tǒng)一處斷面沉降情況對(duì)比，來(lái)分析該段地層的掘進(jìn)控制要點(diǎn)。

表1 左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比情況表

表2 二次補(bǔ)漿情況對(duì)比情況表

4.2 原因分析及措施

左線盾構(gòu)通過(guò)該地段時(shí)，地面沉降數(shù)據(jù)累計(jì)值（58.9mm）卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右線盾構(gòu)（11.1mm）。分析原因?yàn)椋?/p>

（1）對(duì)右線盾構(gòu)通過(guò)后進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描，發(fā)現(xiàn)右線盾構(gòu)經(jīng)過(guò)該區(qū)段沿線地質(zhì)更加密實(shí)，左線盾構(gòu)在區(qū)域段出現(xiàn)兩處土質(zhì)比較松散，并存在孔洞，下雨天，雨水有可能沿著空洞不斷沖刷該地層，造成地質(zhì)條件進(jìn)一步變差［4］。

（2）考慮左右線盾構(gòu)中心線間距只有11m，盾構(gòu)機(jī)輪廓間距5m，右線盾構(gòu)通過(guò)該位置時(shí)，對(duì)周邊地層存在一定程度擾動(dòng)。

（3）左線盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)還需進(jìn)一步優(yōu)化，根據(jù)左線沉降曲線及I 對(duì)應(yīng)工況分析，沉降發(fā)生最大區(qū)域仍為第三個(gè)階段，即同步注漿后至二次補(bǔ)漿開(kāi)始前這個(gè)期間，但是工況反應(yīng)，改時(shí)間間隙較之以前正常砂卵石段補(bǔ)漿時(shí)間沒(méi)有進(jìn)一步縮短（仍為10 環(huán)管片）；同時(shí)，對(duì)同步注漿漿液品質(zhì)沒(méi)有進(jìn)一步優(yōu)化。反而，在該斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降在二次補(bǔ)漿后出現(xiàn)反復(fù)情況，更加證實(shí)左線地質(zhì)中空洞及不密實(shí)地層的存在性。

（4）針對(duì)建構(gòu)筑及地質(zhì)條件復(fù)雜情況，有必要提前采取預(yù)加固及處理措施。

5 小結(jié)

結(jié)合本區(qū)間砂卵石地層掘進(jìn)情況，作者認(rèn)為：

（1）本區(qū)間卵石含量、粒徑、強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成都類似地質(zhì)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)及刀具磨損要求不是很高，但是，考慮比如大粒徑漂石的特殊地段，本區(qū)間配置的盾構(gòu)機(jī)刀具還存在一定的優(yōu)化空間，可以適當(dāng)減少滾刀配置，增加貝殼刀。

（2）掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)合理設(shè)定土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、總推力、出土量等掘進(jìn)參數(shù)，尤其是同步注漿品質(zhì)、用量、壓力控制以及二次補(bǔ)漿間隔時(shí)間。

（3）加強(qiáng)盾構(gòu)施工精細(xì)化管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況苗頭，盡早采取控制措施。

（4）重視渣土改良的重要性，合理調(diào)整泡沫及膨潤(rùn)土的使用量。

（5）重視前期對(duì)特殊地段地質(zhì)條件勘察及確認(rèn)，做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，必要時(shí)，考慮對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行提前處理。