趙愛軍，黨如姣

（中鐵城市發(fā)展投資集團有限公司，四川 成都 610031）

隨著城市外擴速度的加快，為緩解交通壓力，各城市都加快了地鐵的建設(shè)速度。盾構(gòu)法在大城市地鐵建設(shè)中具有明顯的優(yōu)勢。但由于盾構(gòu)施工復(fù)雜的機械控制，巖土環(huán)境的復(fù)雜多變，復(fù)雜地質(zhì)下盾構(gòu)姿態(tài)的控制、同步注漿漿液的充填[1]、二次注漿效果的檢驗難度較大[2]等問題的存在，給盾構(gòu)法施工造成了極大的難度。韓惠軍[3]對富水砂卵石地層常見問題及處置方法進行研究，得出了砂卵石地層盾構(gòu)掘進參數(shù)；王國義[4]和章龍管等[5]對成都富水砂卵石地層盾構(gòu)設(shè)備配置進行了研究，提出了對盾構(gòu)進行改造的設(shè)想；潘勇等[1]對砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道施工地表沉降變化規(guī)律及影響因素進行了研究，得出了砂卵石地層沉降變化規(guī)律和相關(guān)的影響因素。作者結(jié)合成都地鐵1 號線、3號線、7 號線、8 號線、9 號線等5 條線路162 km 地鐵工程建設(shè)實踐總結(jié)，在以往研究的基礎(chǔ)上進一步提出了更加具有針對性的參數(shù)設(shè)置和應(yīng)對措施，對富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工技術(shù)研究有著重要的意義。

1 存在的問題

基于富水砂卵石地層的特殊性，盾構(gòu)在該地層的掘進過程中主要存在如下問題。

地層卵石含量高（含量高達60%～71%，粒徑以30～110 mm 為主[6]），由于卵石中含有大量的石英，長期的摩擦導(dǎo)致刀具、刀盤面板、螺旋機磨損較快[7]。粒徑分布不均勻且含有大量漂石，大粒徑砂卵石的削切和破碎困難，切削下的渣土經(jīng)螺旋輸送機外排十分困難，也使得盾構(gòu)姿態(tài)控制變得困難[8]。

掘進過程扭矩高，由于卵石的摩擦角較大，卵石強度高（單軸抗壓強度50～150 MPa），導(dǎo)致刀盤扭矩長期維持在4 500 kN·m 左右[9]，盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整與控制難度大。砂卵石地層屬于柔中帶剛、軟中帶硬的地層[10]，因此盾構(gòu)掘進模式既不同于軟巖，也不同于硬巖。

渣土改良困難，由于卵石粒徑的不均勻，且地層中細顆粒較少，導(dǎo)致渣土的流動性較差，易出現(xiàn)水土分離現(xiàn)象或局部刀盤結(jié)泥餅[11]。

盾構(gòu)機在疏松卵石地層中掘進時，地層松散，自穩(wěn)性差，黏聚力低，地層反應(yīng)靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，會破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而造成坍塌，導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。由于砂卵石地層的骨架效應(yīng)，地表沉降滯后性明顯。滯后沉降易引起地層損失和產(chǎn)生不均勻的壓力，造成建構(gòu)筑物的不均勻沉降[12]；盾構(gòu)下穿管線，地層沉降造成管線破壞，產(chǎn)生較嚴重的社會影響。開挖面局部及整體失穩(wěn)情況如圖1 所示，開挖面整體失穩(wěn)坍塌至地面過程如圖2 所示。

圖1 開挖面局部及整體失穩(wěn)情況

圖2 開挖面整體失穩(wěn)坍塌至地面過程

地下水水量豐富，透水性強，滲透系數(shù)大。地下水位較高時，盾構(gòu)機通過掘削土壓和排土設(shè)備的調(diào)節(jié)無法實現(xiàn)水土壓力平衡。

2 富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工對策

2.1 富水砂卵石地層盾構(gòu)機選型及適應(yīng)性改造

2.1.1 盾構(gòu)機選型及適應(yīng)性改造具體措施

為應(yīng)對砂卵石地層掘進中易出現(xiàn)的困難，在盾構(gòu)機設(shè)計、制造、選型階段進行了針對性設(shè)計，具體如下。

刀盤設(shè)計以排為主，破碎為輔，提高刀盤開口率至36%，確保渣土的順利進倉。依據(jù)線速度及等壽命原則，切削區(qū)域的刀具軌跡采用了阿基米德螺旋線布置，針對砂卵石地層存在大塊卵石及漂石，將刀尖距設(shè)定為90～100 mm。適當(dāng)減少滾刀數(shù)量，最大限度地發(fā)揮刮刀作用。

提升盾構(gòu)機處理大粒徑卵石和漂石的能力，布置大量的滾刀，同時組合配置齒刀、刮刀、羊角刀。為保證刀具的使用壽命，采取以下措施：①加寬刀刃的厚度，提高其耐磨性。將刀刃寬由22 mm 增加到28 mm，在增加耐磨性同時提高了其抗沖擊能力，提高了刀圈的使用壽命。②改良了刀刃的材質(zhì)，進一步增加刀刃的耐磨性。通過在刀圈材料成分中適當(dāng)提高釩、鎢、鉻等合金元素的含量，提高了其抗沖擊和抗磨性[13]。③增加刀刃高度，提高刀具的極限磨損量。單刃滾刀由原來的17 in 改為18 in（1 in≈2.54 cm），極限磨損量由22 mm 增大到57.7 mm，邊緣滾刀由原來的15 mm 增加至22 mm，明顯提高了刀具使用壽命。

為防止刀盤結(jié)泥餅、減少刀盤刀具磨損，主要采用改良泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)。調(diào)整土倉內(nèi)土體塑性流動性，在卵石表面充分包裹泥漿，減輕其對刀盤、刀具的磨損。

刀高差應(yīng)大于35 mm，當(dāng)?shù)陡卟钸^小時，會造成掘進速度低，參數(shù)異常。

刀盤開孔及棱角處和刀盤環(huán)梁應(yīng)做倒角處理，以提升渣土的流動性。

隨著渣土改良和刀盤技術(shù)的提升，原先配置在刀盤正面用于滾刀磨損后仍能正常掘進的撕裂刀存在的必要性已大大降低。刀盤的正面撕裂刀可以割除，切除后降低了刀盤的扭矩，可降低500～1 000 kN·m，同時也可提高了渣土的流動性。

2.1.2 地鐵3 號線二、三期盾構(gòu)機改造具體參數(shù)

根據(jù)上述原則，地鐵3 號線二、三期投入實際施工的盾構(gòu)機配置如下。

采用中鐵裝備集團生產(chǎn)的CTE6250 土壓平衡盾構(gòu)機，刀盤開挖直徑為6 280 mm，開口率提高至36%，設(shè)2 個膨潤土口，4 個泡沫口，4 個主動攪拌臂，以提高土倉內(nèi)的渣土的流動性。盾構(gòu)機最大推力3 991 t，驅(qū)動采用液壓驅(qū)動，額定扭矩6 650 kN·m，脫困扭矩8 100 kN·m。在刀盤上共設(shè)置中心單刃滾刀32 把，雙聯(lián)滾刀4 把，刮刀32 把，邊刮刀8 把，焊接撕裂刀23把，與滾刀同軌跡噴口保護刀6 把，大圈環(huán)保護刀24 把。

單刃滾刀高度為187.7 mm，中心雙聯(lián)滾刀高度為175 mm，刮刀高度為130 mm，焊接撕裂刀高度為150 mm，滾刀為砂卵石地層主要的開挖刀具，刮刀是將切削下來的渣土送進土倉中，焊接撕裂一方面用于刀切削掌子面，另一方面也要保護滾刀軸承。

為適應(yīng)砂卵石地層較大粒徑渣土通過，采用Φ800 mm×125 000 mm 軸式螺旋機，最大通過粒徑Φ300 mm×560 mm。刀盤結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 實際工效對比

成都地鐵3 號線二、三期工程線路全長29.535 km，其中地下線24.025 km，地下線主要采用盾構(gòu)法施工。其中砂卵石地層占線路總長的85%，總共17 個盾構(gòu)區(qū)間，27 臺盾構(gòu)機，設(shè)計管片共26 453 環(huán)。通過上述技術(shù)措施，工程共耗時13 個月。單機平均進度為4.97 環(huán)/d，149 環(huán)/月。

2.2 富水砂卵石地層盾構(gòu)機掘進關(guān)鍵參數(shù)控制

2.2.1 盾構(gòu)機掘進關(guān)鍵參數(shù)控制

掘進參數(shù)是盾構(gòu)施工過程的信息化反饋，在砂卵石地層中，掘進參數(shù)顯得尤為重要，通過不斷地總結(jié)和摸索，總結(jié)出如下參數(shù)。

土壓：上部土壓一般控制在0.6～0.8 bar，并根據(jù)覆土厚度、水文地質(zhì)條件實時進行相應(yīng)的調(diào)整，原則上不低于0.6 bar，過程中控制欠壓。

刀盤轉(zhuǎn)速及貫入度：刀盤轉(zhuǎn)速一般控制在1.2～1.5 r/min，刀盤貫入度一般在40～50 mm，掘進速度可控制在40～70 mm/min。

刀盤扭矩：掘進過程中扭矩應(yīng)控制在3 500～5 000 kN·m，在扭矩?zé)o特殊情況下超過5 500 kN·m 時，應(yīng)提高警惕，觀察土壓變化，判斷前方是否出現(xiàn)了超方。

總推力：砂卵石地層盾構(gòu)推力一般控制在9 000～13 000 kN 之間，過大的推力可導(dǎo)致扭矩大幅增加，刀具磨損加劇。鉸接壓力油壓控制在60～80 bar。

2.2.2 成都富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進關(guān)鍵參數(shù)總結(jié)

根據(jù)近年來的掘進經(jīng)驗總結(jié)，在富水砂卵石地層中的掘進參數(shù)如表1 所示。掘進的基本原則是“合理欠壓、重視渣土改良，優(yōu)化設(shè)備”。掘進中要注意掘進參數(shù)的變化情況，尤其是刀盤扭矩的變化，如果突然增大或持續(xù)在高位，則需判斷是否是有刀盤結(jié)餅、卡刀盤、渣土改良異常等情況的發(fā)生，并采取相應(yīng)的處理措施。

表1 富水砂卵石常規(guī)掘進參數(shù)表

2.2.3 砂卵石地層超方后處理措施總結(jié)

對于盾構(gòu)施工出渣超出正常量3 m3以上的地段，必須停止施工，探測尋找空洞，一般選取在超方地段刀盤對應(yīng)位置后1 m 尋找空洞，若無，可擴大范圍。探測出空洞后采取如表2 所示的處理措施。盾構(gòu)施工過程中應(yīng)對所有超方地段進行詳細記錄，并加強后期監(jiān)測。

表2 砂卵石地層出渣超方后處理措施表

2.3 成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律研究

結(jié)合成都地鐵已建和在建地鐵盾構(gòu)施工情況，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析總結(jié)成都富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工引起地層沉降變形規(guī)律。得出以下相關(guān)結(jié)論與建議。

第一，對盾構(gòu)隧道上方地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)整體分析，96.5%的地表沉降測點沉降累計值小于18 mm，施工監(jiān)測預(yù)警控制值宜設(shè)為18 mm。

第二，沉降影響范圍。盾構(gòu)隧道上方地表沉降的影響范圍分布在隧道中線兩側(cè)一定范圍內(nèi)，形成沿隧道走向的一個沉降帶，砂卵石地層掘進盾構(gòu)隧道時地表沉降沿隧道橫向的主要影響范圍可以用以下公式估算，為確定隧道周邊預(yù)加固范圍提供依據(jù)。

地表沉降沿隧道橫向的主要影響范圍計算公式為：

式（1）中：L為到隧道中線的水平距離；H為隧道埋深；D為隧道直徑；φ為砂卵石地層的內(nèi)摩擦角。

沿隧道縱向測點到刀盤距離15 m范圍內(nèi)測點沉降變化明顯，測點到刀盤距離大于15 m 以后地表沉降趨緩，重點關(guān)注刀盤位置到盾尾后面15 m 這段距離內(nèi)地表變形情況。

第三，地層沉降的特點。地層沉降具有以下特點：①即時性、瞬變。當(dāng)盾構(gòu)掘進過程中出現(xiàn)超方和注漿加固不徹底時，盾構(gòu)機掘進造成的地層損失會立即反應(yīng)到地表，同一監(jiān)測橫斷面上各點沉降數(shù)據(jù)變化同步；地表沉降測點從開始沉降到數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定所經(jīng)歷的時間很短，反映出砂卵石地層沉降變化靈敏、變形穩(wěn)定快、沒有蠕變現(xiàn)象的特點。②滯后性。盾構(gòu)掘進過程中產(chǎn)生的地層損失引起的地層沉降是呈層狀沉降的；下方地層土體被移除后，盾構(gòu)機上方的砂卵石以點對點的接觸形式在盾構(gòu)隧道上方會形成臨時平衡拱，拱上方的土體暫時不會產(chǎn)生新的沉降。

第四，地質(zhì)情況對地表沉降的影響。在細粒砂卵石層和粗粒砂卵石層混合的地層，細粒砂卵石層越厚，地表沉降值越大；粗粒砂卵石地層地表沉降越小，卵石粒徑越大，越容易形成平衡拱，能有效減小地層變形上移，但同時留下空洞，存在安全隱患。砂卵石地層內(nèi)摩擦角越大，地表沉降相應(yīng)減小。

第五，做好信息化施工，充分發(fā)揮施工監(jiān)測工作的作用。在砂卵石地層掘進盾構(gòu)隧道，應(yīng)嚴格按規(guī)范和設(shè)計文件要求做好施工監(jiān)測工作，盾構(gòu)推過后應(yīng)按時進行滯后沉降監(jiān)測，及時準確地反饋地層變形信息，加強預(yù)警工作管理。由于施工監(jiān)測為地鐵盾構(gòu)施工提供了良好的預(yù)警作用，施工單位根據(jù)預(yù)警信息及時采取了針對性措施，避免了不良的社會影響和減小經(jīng)濟損失。砂卵石地層盾構(gòu)施工區(qū)間如圖4 所示。

圖4 砂卵石地層盾構(gòu)施工區(qū)間圖

3 結(jié)論與討論

在盾構(gòu)機設(shè)計、制造、選型階段進行了針對性設(shè)計，調(diào)整格柵布置和刀具配置。盾構(gòu)機進場前應(yīng)根據(jù)成都地層進行設(shè)計，嚴格控制刀盤開盤開孔率、刀高差、刀盤額定扭矩等參數(shù)。

推進過程中加強對渣樣的觀察，重點關(guān)注泥漿對卵石的包裹情況，避免出現(xiàn)卵石與水土分離。

通過對富水砂卵石地層的渣土改良，形成非滲透性和流塑性的渣土，增強渣土的流動性，減少卵石土對刀盤、刀具的磨損。

根據(jù)施工總結(jié)，對超方量大于3 m3的地段，必須立即停止施工，尋找空洞，一般選取在超方地段刀盤對應(yīng)位置后1 m 尋找空洞；若無，可擴大范圍。找到空洞后，需首先判斷空洞距刀盤的垂直厚度。如果厚度小于5 m，必須對空洞底部進行填砂處理，后進行灌注混凝土；如果大于5 m 以上，可直接灌注混凝土。灌注之前，盾構(gòu)機倉內(nèi)和中盾徑向孔可提前注入適量膨潤土，避免混凝土進入土倉內(nèi)，同時保護盾構(gòu)機，防止盾構(gòu)機被砂漿包裹。灌注期間密切關(guān)注土倉土壓變化。待混凝土凝固后，恢復(fù)掘進，恢復(fù)掘進前需空推10 cm 左右，避免倉內(nèi)過空，導(dǎo)致再次垮塌。對于超方量小于3 m3的地段，加強監(jiān)測，待盾尾通過后及時對地表進行注漿處理，注意對注漿壓力的控制，避免漿液注入土倉內(nèi)。