張英智，韋曉霞，趙永軍，劉鋒濤，沈富英，王曉軍，畢肖鋒，阮雷

（中建絲路建設(shè)投資有限公司，西安 710075）

1 引言

隨著城市地鐵建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，各地新建地鐵已由城市中心逐漸向偏遠(yuǎn)郊區(qū)甚至城際區(qū)域延伸，盾構(gòu)法施工將不可避免地面臨下穿既有河流、湖泊等富水砂性地層等復(fù)雜環(huán)境。楊永強(qiáng)等[1-3]針對(duì)全斷面砂層掘進(jìn)磨損嚴(yán)重、沉降難控制等問(wèn)題，通過(guò)理論實(shí)踐相結(jié)合，提出采用膨潤(rùn)土泥漿配合泡沫進(jìn)行沉降控制；馮曉九[4]提出洞門接口管片采用剛度大的鑄鐵環(huán)時(shí)，沉降控制效果進(jìn)一步提高。本文對(duì)盾構(gòu)選型、盾構(gòu)機(jī)改造等方面展開(kāi)研究，并針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿越灞河過(guò)程中存在的螺旋機(jī)噴涌、盾構(gòu)管片滲漏水及盾尾漏水漏漿等問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)并提出有效控制措施，研究成果可為相似地層盾構(gòu)施工提供參考。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)2 319 m，在距區(qū)間起點(diǎn)約550 m 設(shè)置1 處始發(fā)井。盾構(gòu)機(jī)由始發(fā)井下井始發(fā)，掘進(jìn)約600 m 后下穿灞河河床及河漫灘，下穿段約660 m。下穿河床段平曲線半徑R=650 m，隧頂覆土深度16.2～18.8 m，下穿段呈5.191‰單向上坡，盾構(gòu)區(qū)間走向如圖1 所示。區(qū)間襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，厚0.3 m，環(huán)寬1.5 m。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間走向示意圖

2.2 工程及水文地質(zhì)

區(qū)間下穿灞河段上覆地層分別為黃土狀土、圓礫、中砂、砂礫、粉質(zhì)黏土；下部地層主要為中砂及粉質(zhì)黏土。洞身范圍以中砂、粉砂地層為主，并伴有粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較松散，區(qū)間下穿段地質(zhì)斷面如圖2 所示。灞河水面高程為368.55 m，灞河水深為2.0～3.1 m。下穿段地下水流速V 平均值為0.394 m/d，綜合滲透系數(shù)為30 m/d。

圖2 區(qū)間下穿灞河段地質(zhì)縱斷面圖

3 盾構(gòu)選型及改造

考慮到富水砂層的地層特殊性，及盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿灞河可靠性的施工需求，盾構(gòu)選型就顯得十分重要。

3.1 盾構(gòu)類型比選

1）滲透系數(shù)：當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)小于10-7m/s 時(shí)，宜選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)滲透系數(shù)大于10-4m/s 時(shí)，宜選用泥水平衡盾構(gòu)；而當(dāng)滲透系數(shù)介于二者之間時(shí)，2 種盾構(gòu)均可適用。根據(jù)下穿段地勘資料顯示，地層綜合滲透系數(shù)為3.47×10-4m/s，因此，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。

2）地層顆粒級(jí)配：土壓平衡盾構(gòu)適用于粉土、砂土、粉質(zhì)黏土、粉砂等黏粒含量較高的地層；泥水平衡盾構(gòu)適用于粗顆粒地層，如卵石、礫石層、滯水細(xì)砂層，特別是在滲透系數(shù)大且水頭高的江河中優(yōu)勢(shì)明顯。本工程盾構(gòu)下穿段不同斷面中砂含量在64%～92%，因此，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。

3）地下水壓：根據(jù)國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)開(kāi)挖面水壓大于0.3 MPa 時(shí)，土壓平衡盾構(gòu)螺旋機(jī)難以形成有效土塞，極易造成渣土噴涌，此時(shí)宜采用泥水平衡盾構(gòu)。本工程盾構(gòu)下穿段開(kāi)挖面水頭范圍為18～21 m，水壓小于0.3 MPa，因此，宜選用土壓平衡盾構(gòu)。

4）施工效率：泥水平衡盾構(gòu)因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出土效率相對(duì)較低。而土壓平衡盾構(gòu)連續(xù)出渣效率高，且渣土無(wú)須處理可直接外運(yùn)，掘進(jìn)速度快。由于本工程對(duì)工期要求高，從施工效率來(lái)看，宜采用土壓平衡盾構(gòu)。

5）施工場(chǎng)地：泥水平衡盾構(gòu)需布置泥水處理系統(tǒng)及廢漿棄置場(chǎng)地，需要的場(chǎng)地面積大，而土壓平衡相比較而言可節(jié)約近1/3 的場(chǎng)地面積。由于本工程始發(fā)井地處北辰村，周邊建筑密布，場(chǎng)地條件極為有限，因此，宜采用對(duì)場(chǎng)地條件要求小的土壓平衡盾構(gòu)。

6）綜合對(duì)比分析：盡管從滲透系數(shù)及顆粒級(jí)配角度，適合選用泥水平衡盾構(gòu)，但考慮到土壓平衡盾構(gòu)可以通過(guò)渣土改良及優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等措施保證安全施工，同時(shí)，從施工效率、場(chǎng)地條件來(lái)看更適合采用土壓平衡盾構(gòu)。因此，經(jīng)過(guò)一系列比選及專家論證，最終選用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行下穿灞河施工。

3.2 盾構(gòu)機(jī)改造

3.2.1 刀盤改造

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性、可靠性評(píng)估專家咨詢意見(jiàn)，重新設(shè)計(jì)開(kāi)口率為50%的軟土刀盤，開(kāi)口在整個(gè)盤面均勻分布，中心部位設(shè)有面積足夠的開(kāi)口，利于土壓傳遞及保持土壓平衡。刀盤結(jié)構(gòu)采用6 主梁+6 副梁的輻條式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刀盤配置4 個(gè)泡沫口，2 個(gè)膨潤(rùn)土口（與泡沫口共用）。

3.2.2 刀具配置

考慮盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)距離富水中砂層中含有圓礫，為增強(qiáng)刀具耐磨性及抗沖擊性，對(duì)撕裂刀進(jìn)行了改良，改良刀具如圖3所示。

圖3 改型撕裂刀圖

具體改良措施：（1）采用鈍角大合金塊形式保證刀具在地層中圓礫撞擊時(shí)充分的耐撞擊能力；（2）中間采用小角度尖頂形式，保證刀具合金與掌子面具有較大的接觸面，保證刀具的耐磨性；（3）厚度由60 mm 增加至80 mm，拓寬撕裂刀開(kāi)挖軌跡，加強(qiáng)對(duì)下層刀具的保護(hù)；（4）將合金高度增加10 mm，延長(zhǎng)刀具的可磨損時(shí)間。

4 下穿施工關(guān)鍵技術(shù)研究

盾構(gòu)區(qū)間單次掘進(jìn)最長(zhǎng)約1.4 km，穿越地層以中砂層為主，隧道覆土厚度大、與灞河水力聯(lián)系較強(qiáng)，地層滲透性強(qiáng)，盾尾密封失效的風(fēng)險(xiǎn)高，且土壓建立較困難，易發(fā)生噴涌及管片滲漏水等問(wèn)題。

4.1 盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌防治

針對(duì)下穿中出現(xiàn)的噴涌問(wèn)題，施工中采取以下措施：（1）渣土改良劑中泡沫注入率提升至15%、泡沫原液比例為4.5%，膨潤(rùn)土泥漿采用膨潤(rùn)土∶水=1∶9，并膨化12 h，黏度控制在40 s；（2）盾構(gòu)掘進(jìn)中土倉(cāng)壓力、刀盤扭矩、刀盤推力平均值分別增加至0.168 MPa、2 680 kN·m、16 470 kN，同時(shí)，掘進(jìn)速度減少至53 mm/min；（3）對(duì)灞河河水進(jìn)行泄水，降低開(kāi)挖面水頭；（4）每5 環(huán)施作雙液漿止水環(huán)；（5）停機(jī)保壓。

4.2 盾尾漏水漏漿防治

下穿灞河掘進(jìn)初期，盾尾出現(xiàn)漏水漏漿現(xiàn)象，對(duì)施工進(jìn)度造成一定影響，主要原因在于：（1）手涂油脂局部可能存在不飽滿現(xiàn)象，尾刷磨損后形成滲漏通道；（2）下穿段姿態(tài)糾偏不及時(shí)，造成盾尾間隙偏小，尾刷磨損偏大；（3）掘進(jìn)過(guò)程中，盾尾清理不及時(shí)導(dǎo)致盾尾夾渣較多，對(duì)盾尾磨損較大。

針對(duì)盾尾出現(xiàn)漏水漏漿問(wèn)題，采取以下措施：（1）在盾尾漏水漏漿處塞入涂滿盾尾油脂的鋼絲球和海綿條；（2）換用黏性和纖維含量更高的油脂（不易被水沖散或擠出油脂腔），增加油脂注入量；（3）減少同步注漿量，每環(huán)2～3 m3，盾尾后方跟蹤注雙液漿，做止水環(huán)。

4.3 下穿段部分區(qū)域管片滲水防治

下穿灞河段隧道局部管片接縫及注漿孔存在連續(xù)滲漏水現(xiàn)象。通過(guò)施工過(guò)程中的分析總結(jié)，主要是人為因素造成的滲漏水。具體原因在于：（1）管片吊裝過(guò)程中，止水條與吊帶接觸位置出現(xiàn)受力脫膠現(xiàn)象，拼裝后接縫出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；（2）管片拼裝后，單組推進(jìn)油缸撐靴扭轉(zhuǎn)未及時(shí)扶正，止水條受力脫膠；（3）管片拼裝機(jī)工作幅度過(guò)大，環(huán)內(nèi)管片定位時(shí)出現(xiàn)碰撞、摩擦等造成止水條脫膠；（4）個(gè)別螺孔密封圈使用前受潮，拼裝后與螺栓孔口貼合度不好，形成滲水通道；（5）拼裝前管片未沖洗干凈，導(dǎo)致拼裝時(shí)止水條間存在夾渣現(xiàn)象，形成滲水通道。

針對(duì)后續(xù)管片拼裝質(zhì)量管控措施方面，采取以下措施：（1）嚴(yán)格控制止水條粘貼質(zhì)量，地面管片止水條的粘貼由地面值班工程師進(jìn)行自檢驗(yàn)收合格后，聯(lián)合監(jiān)理再次進(jìn)行驗(yàn)收；（2）對(duì)止水條粘貼、注漿、管片拼裝等相關(guān)作業(yè)人員進(jìn)行專項(xiàng)交底，確保各施工嚴(yán)格按照交底內(nèi)容執(zhí)行；（3）采用密封袋包裝螺孔密封圈，確保螺孔密封圈使用前未被浸水。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西安地鐵14 號(hào)線盾構(gòu)下穿灞河富水砂層盾構(gòu)選型、刀盤刀具改造及施工中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討總結(jié)，結(jié)論如下：

1）從地層滲透系數(shù)及顆粒級(jí)配方面評(píng)價(jià)，土壓平衡盾構(gòu)并不適合于灞河富水砂層下穿施工，但施工過(guò)程中可通過(guò)渣土改良及動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)，以保證盾構(gòu)安全下穿施工。

2）為應(yīng)對(duì)連續(xù)長(zhǎng)距離穿越富水砂層，刀盤采用開(kāi)口率為50%的軟土刀盤，利于土壓傳遞及保持土壓平衡，同時(shí)，刀盤加強(qiáng)了耐磨設(shè)計(jì)；刀具配置方面，對(duì)撕裂刀進(jìn)行了改良以增強(qiáng)刀具耐磨性及抗沖擊性。

3）在土壓平衡盾構(gòu)噴涌控制中，采用泡沫劑+鈉基膨潤(rùn)土等常規(guī)材料進(jìn)行渣土改良是可行的，但應(yīng)重視盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、降低開(kāi)挖面水頭、盾尾水流通路封堵及停機(jī)保壓等輔助措施。

4）在盾構(gòu)下穿富水砂層準(zhǔn)備工作中，應(yīng)特別重視盾尾密封質(zhì)量，保證手涂油脂的飽滿；下穿過(guò)程中重視盾構(gòu)姿態(tài)及盾尾的及時(shí)清理。同時(shí)，在管片拼裝中，要重視止水膠條粘貼、管片拼裝質(zhì)量，盡量減少拼裝不合格而引發(fā)的滲漏水。