高麗峰 馬思偉 鐘恒

中交一公局第三工程有限公司 北京 101102

1 工程概況

本工程名稱為成都軌道交通30號線一期工程二工區(qū)（1分部），位于四川省成都市雙流區(qū)和高新區(qū)。主要施工內(nèi)容為“三站三區(qū)間”，其中“三站”為大同站（原順風(fēng)村站）、石羊站、新園大道站（原慶云村站），“三區(qū)間”分別為大同站～石羊站盾構(gòu)區(qū)間、石羊站～新園大道站盾構(gòu)區(qū)間、新園大道站～市一醫(yī)院站盾構(gòu)區(qū)間。

30號線隧道主要穿越地層為<5-1-3>中等風(fēng)化泥巖，局部穿越地層為<3-8-3>卵石土（密實）、<5-1-3>中等風(fēng)化泥巖復(fù)合地層。詳細(xì)分部情況如下表所示。

圖1 30號線下穿9號線左線，入場線地質(zhì)斷面圖

表1 地質(zhì)分布情況表

本工程表層多為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）覆蓋，以雜填土為主，其下依次為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）粉質(zhì)黏土、砂類土、卵石土，強風(fēng)化泥巖，中等風(fēng)化泥巖。盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為中等風(fēng)化泥巖[1]。

2 全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中盾構(gòu)施工技術(shù)

2.1 刀盤結(jié)泥餅處理技術(shù)

在掘進(jìn)過程中，當(dāng)?shù)侗P到達(dá)某一位置后，會出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅的情況，造成刀具損壞或盾構(gòu)機無法正常掘進(jìn)。根據(jù)盾構(gòu)機在泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進(jìn)時的具體情況，為避免刀具損壞，應(yīng)采取以下措施：

2.1.1 刀盤結(jié)構(gòu)和土倉中心高壓水沖刷設(shè)計

刀盤中心部位有較大開口，刀盤開口位置在盤面上均勻布置，利于防止泥餅產(chǎn)生。刀盤上和土倉中心前盾固定隔板上設(shè)有4根固定攪拌棒，另外在土倉中心的攪拌棒設(shè)有通道，前端設(shè)有噴水口，盾構(gòu)設(shè)有高壓水系統(tǒng)，主控室內(nèi)可控制沖刷系統(tǒng)操作，需要時可按鈕控制沖刷，在土倉中心已經(jīng)結(jié)有泥餅時可沖刷解除。

土倉中心高壓水沖洗設(shè)計，主要由主水路、控制室及噴頭組成。①主水路由一根高壓水泵提供壓力水，通過安裝在土倉中心的高壓水泵輸送至控制室，經(jīng)加壓后從控制室的出水口噴出，向土倉內(nèi)進(jìn)行沖刷，從土倉內(nèi)噴出的水流在重力作用下沿土倉壁和前盾后盾間的間隙向外排出，形成一道高壓水幕，將土倉內(nèi)的泥餅全部沖刷掉，使土倉內(nèi)形成一個穩(wěn)定的水墊，同時使刀盤周圍的地層得到加固；②控制室設(shè)置在盾構(gòu)機前方，主要對土倉中心高壓水沖洗系統(tǒng)進(jìn)行操作控制；③噴頭布置在刀盤前、后盾固定隔板上，在土倉中心頂部還設(shè)有1個噴水口，噴頭距前盾約20 cm。

2.1.2 單管單泵泡沫、膨潤土（或清水）注入系統(tǒng)設(shè)計

盾構(gòu)配置4路單管單泵單噴口泡沫注入系統(tǒng)，泡沫混合液通過4個混合液泵泵送到泡沫發(fā)生器，在泡沫發(fā)生器里泡沫混合液與空氣混合形成泡沫，泡沫通過管路注入到刀盤上4個泡沫噴口及土倉內(nèi)，也可以通過刀盤上2個膨潤土注入口注入清水，以改善渣土的和易性，增強渣土的流動性，防止刀盤和土倉內(nèi)結(jié)泥餅。

泡沫的注入方式：當(dāng)盾構(gòu)穿越全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層時，由于砂粒含量高，對刀具磨損嚴(yán)重，所以在盾構(gòu)穿越該地層前，需要先注入泡沫進(jìn)行刀盤內(nèi)的初步加固，待加固效果達(dá)到要求后，再向刀盤上4個泡沫噴口和土倉內(nèi)注入泡沫。

當(dāng)盾構(gòu)穿越中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層時，由于刀盤上2個膨潤土注入口注入清水效果不明顯或根本不起作用，因此為了防止刀盤上的渣土在出土倉時結(jié)泥餅，采用泡沫注入系統(tǒng)后可減少刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象的發(fā)生。在出土倉之前向刀盤上2個膨潤土注入口注入清水，通過改變渣土的流動性以防止刀盤結(jié)泥餅。當(dāng)?shù)侗P上的泡沫噴口被堵住后，通過開啟泡沫發(fā)生器來解決[2]。

2.1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)施工中采取的措施

（1）加入土體改良劑

為減小土之間的內(nèi)聚力，減小土艙內(nèi)土壓密的可能性，減小掘土與盾構(gòu)機刀盤、結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)力，需要改進(jìn)土倉的和易性，確保土艙內(nèi)的土壓力穩(wěn)定，并使掘進(jìn)順利進(jìn)行。在施工期間，要對開挖后的地基進(jìn)行觀測，對其粘性、沙粒含量等指標(biāo)進(jìn)行分析，并根據(jù)實際情況適時加入一種名為“泡沫”的土壤改良劑，降低其粘滯程度，降低其粘結(jié)力。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定

在軟土地層中進(jìn)行土壓平衡式盾構(gòu)施工段，其土壓力的設(shè)置應(yīng)基于理論土壓力，并進(jìn)行相應(yīng)的減小，具體參數(shù)可根據(jù)工程實踐情況進(jìn)行調(diào)整。但是，施工中需要對盾構(gòu)穿越地層特征進(jìn)行觀察和分析，并掌握盾構(gòu)掘進(jìn)速度、盾構(gòu)掘進(jìn)性能、土體溫度三者之間的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及它們對“泥餅”生成的作用機理。在保證鉆井液性能的同時，要注意泥漿的流速，以降低“泥餅”的發(fā)生。

（3）土壓力傳感器的設(shè)置

在土倉中放置土壓力傳感器，利用兩點土壓力差值測量土的視密度；在觸到泥餅之前，先對其進(jìn)行粘合性和渣溫度的測定，若粘度指數(shù)高于12 S，則需加大注泡沫劑、膨潤土以改善其工作性。

（4）控制循環(huán)水溫度

在室外溫度大于30℃且通風(fēng)性能不佳的情況下，單環(huán)掘進(jìn)周期越長，越易引起土室溫升升高，必須對其進(jìn)行降溫，如有需要，可采用冰水降溫。

（5）快速均衡施工

盾構(gòu)法是一種“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”的掘進(jìn)方式，長期的停機會引起土倉內(nèi)部土壓力逐級升高，流動性降低，刀盤和刀具容易產(chǎn)生泥餅。

2.2 刀具預(yù)防磨損關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 加強盾構(gòu)始發(fā)

針對全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中的盾構(gòu)機，根據(jù)隧道周邊的地質(zhì)情況，采取盾構(gòu)機刀盤前、后壁涂高耐磨材料，有效降低刀具的磨損。在始發(fā)前，對盾構(gòu)始發(fā)刀具進(jìn)行檢查、更換，并對盾構(gòu)機的刀盤、刀具進(jìn)行全面檢查；同時盾構(gòu)機刀盤前、后壁涂高耐磨材料，降低盾構(gòu)機在始發(fā)過程中由于刀具磨損而產(chǎn)生的刀盤與刀具間的間隙。在盾構(gòu)始發(fā)過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用地面注漿加固措施對盾構(gòu)機刀具進(jìn)行加固，有效降低刀盤與刀具間的間隙，避免刀具磨損。除此之外，還需要在始發(fā)過程中根據(jù)地面注漿加固效果情況對盾構(gòu)機的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，有效控制掘進(jìn)參數(shù)[3]。

2.2.2 接收端及線路加固

在盾構(gòu)機接收端頭加固范圍內(nèi)，地表將采取如下措施：

（1）進(jìn)行地層加固，加固區(qū)域位于盾構(gòu)機前方及側(cè)面，加固厚度不小于10m；

（2）在盾構(gòu)機后方約15m范圍內(nèi)進(jìn)行地表注漿，注漿壓力控制在0～0.5 MPa；

（3）在盾構(gòu)機接收端頭的管片焊接、拼裝處采取止水措施，止水帷幕采用C15混凝土，厚度不小于15m，同時設(shè)置止水環(huán)，止水環(huán)與盾構(gòu)機環(huán)頂面之間的間隙不小于4 cm；

（4）盾構(gòu)機始發(fā)及到達(dá)階段設(shè)置自動注漿系統(tǒng)，注漿壓力控制在0.1 MPa～0.2 MPa；

（5）盾構(gòu)機始發(fā)階段設(shè)置接收門止水結(jié)構(gòu)。

2.2.3 控制刀盤轉(zhuǎn)速

針對30號線穿越泥質(zhì)粉砂巖地層掘進(jìn)時，由于泥質(zhì)粉砂巖具有遇水膨脹特性，若刀盤轉(zhuǎn)速過快，易造成刀具損壞或刀具偏磨等情況。因此，在施工過程中，通過對盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使刀盤轉(zhuǎn)速在正常范圍內(nèi)波動。具體調(diào)整情況如下：

（1）在推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機掘進(jìn)速度及刀盤轉(zhuǎn)速。①根據(jù)實際情況，將盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速控制在1～1.5r/min，并保持穩(wěn)定。②將刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整到合適范圍，控制推進(jìn)速度不大于10 cm/min。③在推進(jìn)過程中，每掘進(jìn)100～200m時進(jìn)行一次監(jiān)測，并及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳的掘進(jìn)速度。

（2）當(dāng)出現(xiàn)較大的刀盤轉(zhuǎn)速波動時，應(yīng)及時分析原因并進(jìn)行調(diào)整。①當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速波動較大時，可適當(dāng)增加同步注漿量，從而降低刀盤轉(zhuǎn)速；②若發(fā)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速波動較大且有異常聲響，可適當(dāng)降低掘進(jìn)速度或?qū)蜻M(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但需確保掘進(jìn)速度的穩(wěn)定，以防止因刀盤轉(zhuǎn)速過快造成的刀具磨損情況加劇。

（3）當(dāng)出現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速波動過大時，應(yīng)根據(jù)刀具磨損情況及周邊圍巖穩(wěn)定情況對刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。①當(dāng)?shù)毒吣p情況較嚴(yán)重時，可適當(dāng)提高刀盤轉(zhuǎn)速，從而減緩刀具磨損速度；②當(dāng)周邊圍巖較穩(wěn)定時，可適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，以防止因刀盤轉(zhuǎn)速過快造成的刀具磨損情況加??；③若周邊圍巖不穩(wěn)定，且刀盤轉(zhuǎn)速過快易造成刀具損壞時，應(yīng)及時停止掘進(jìn)。

2.2.4 提高刀具耐用度

在全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，由于地層軟硬不均、刀具磨損快，對刀具的選擇和維護(hù)提出了更高要求，除在刀盤上選擇合理的刀具外，還需在掘進(jìn)過程中對刀具的磨損情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，采取相應(yīng)措施保證刀具的使用壽命。

（1）盾構(gòu)機防磨損技術(shù)的應(yīng)用。針對本工程中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層特點，采取了以下措施：①通過在刀盤上設(shè)置防磨圈、增加刀盤密封裝置、合理選擇刀具等方式，減少刀具磨損；②在盾構(gòu)機上設(shè)置了4道防磨圈，使刀具在掘進(jìn)過程中始終處于最優(yōu)的受力狀態(tài)，避免刀具發(fā)生較大的磨損[4]。

（2）采用改良土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行盾構(gòu)施工。通過在盾構(gòu)機上加裝不同直徑的刀具，使得盾構(gòu)機在不同地層條件下，通過改變刀盤刀具配置和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，有效的提高了盾構(gòu)施工效率。同時通過調(diào)整渣土改良裝置，將改良后的渣土注入到刀盤前倉和盾體后面，有效的減少了刀盤外壁的磨損。

（3）對刀盤扭矩、土壓、土壓差等進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，對刀具磨損情況及時作出調(diào)整。本工程在刀盤上設(shè)置了傳感器，對刀盤扭矩、土壓、土壓差等進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩波動較大時，立即停止掘進(jìn)，檢查刀盤狀態(tài)是否正常，并及時調(diào)整參數(shù)，避免因刀盤扭矩過大而導(dǎo)致的刀具磨損。

2.3 防止管片上浮關(guān)鍵技術(shù)

（1）嚴(yán)格控制注漿時間及速度：盾構(gòu)機掘進(jìn)的同時，進(jìn)行同步注漿，同步注漿的速率與盾構(gòu)機掘進(jìn)速度相匹配。

（2）注漿順序：采用4孔同時注漿，在每個注漿孔出口設(shè)置壓力檢測器，以便對各個注漿孔的注漿壓力和注漿量進(jìn)行檢測和控制，從而實現(xiàn)對管片背部間隙的對稱均勻注漿。為防止管片上浮，而且考慮漿液的流動性，上部每孔的壓力應(yīng)比下部每孔的壓力略大0.05～0.10MPa。

（3）注漿結(jié)束編組和注漿效果檢查：采用雙指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，即注漿壓力到達(dá)設(shè)計壓力或注漿壓力未達(dá)到設(shè)計壓力，但注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量，即可停止注漿。

（4）同步注漿完成后，要進(jìn)行開孔檢查，對開孔檢查的情況進(jìn)行記錄，判斷管片壁厚注漿是否飽滿在進(jìn)行二次注漿，二次注漿主要控制注漿壓力。

（5）同步注漿料漿液質(zhì)量控制，首先由質(zhì)檢員每50環(huán)進(jìn)行一次取樣做同條件實驗。注漿料進(jìn)場驗收按規(guī)范要求每2000t進(jìn)行送檢復(fù)試，確保注漿量的凝結(jié)時間、結(jié)實率等各項指標(biāo)滿足要求。

（6）通過二次注漿可有效控制管片上浮，二次注漿是指在洞內(nèi)通過脫出盾尾3～5環(huán)管片上的開孔向壁后壓注雙液漿[5]。

3 結(jié)束語

總而言之，本文通過對成都軌道交通30號線一期工程大同站～石羊站、新園大道站～市一醫(yī)院站盾構(gòu)區(qū)間下穿9號線地鐵及5號線地鐵，針對其復(fù)雜的地質(zhì)條件，結(jié)合工程實際，通過加強盾構(gòu)始發(fā)、接收端及線路加固、控制刀盤轉(zhuǎn)速、提高刀具耐用度等措施，在全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中確保了盾構(gòu)安全掘進(jìn)。同時，通過采用同步注漿+二次注漿+盾體注漿+洞內(nèi)注漿施工工藝，確保了盾構(gòu)穿越期間的隧道穩(wěn)定和運營安全。由于受篇幅所限，本文僅介紹了大同站～石羊站、新園大道站～市一醫(yī)院站盾構(gòu)區(qū)間下穿9號線地鐵及5號線地鐵的部分，對其余盾構(gòu)區(qū)間的施工技術(shù)研究工作將在以后的工程實踐中進(jìn)行深入探討。