城市富水砂卵石地層大斷面泥水盾構(gòu)工藝參數(shù)變化對施工成本的影響

王 穎

(中鐵隧道集團(tuán)北京地下直徑線項目部，北京100045)

1 前言

北京站至北京西站地下直徑線工程盾構(gòu)法隧道穿越北京城市中心區(qū)，工程環(huán)境條件十分復(fù)雜、沿線建(構(gòu))筑物眾多，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求極為嚴(yán)格。隧道穿越地層?xùn)|西兩端差異大，文章僅就已經(jīng)掘進(jìn)完成的1700 m隧道，對盾構(gòu)施工過程中的人、材、機(jī)消耗的影響進(jìn)行分析。

2 工程概況

盾構(gòu)隧道總長5175 m，采用一臺氣墊式泥水平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)直徑12．04 m。已經(jīng)掘進(jìn)完成的1700 m隧道穿越的地層主要為卵石層、圓礫層，局部為粉質(zhì)粘土層、粉土層和粉質(zhì)粘土層等土層，一般粒徑為20～60 mm，大于20 mm的顆粒含量約占總重的65%。實際揭露，盾構(gòu)隧道穿越地層中存在φ650 mm的大直徑卵石，并且存在強(qiáng)度約30 MPa的砂卵石膠結(jié)層。水文地質(zhì)主要為孔隙潛水和孔隙承壓水，地層滲透系數(shù)每天為50～150 m。

工程沿線兩側(cè)地面建(構(gòu))筑物密集，煤氣、熱力、電力、污水等大型地下管線繁多。下穿西便門橋、天寧寺橋、護(hù)城河和4號線宣武門站等建(構(gòu))筑物，近鄰箭樓、正陽門等重要文物。與地鐵2號線平行近4 km，其中最近投影距離1．7 m，深度差15 m左右。

3 泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工主要影響因素

根據(jù)工程情況，工程邊界條件變化對施工的影響主要為:

1)在卵石、圓礫地層，由于空隙率較大，對泥漿的粘度和比重等指標(biāo)要求較高，需要經(jīng)常補(bǔ)充新鮮漿液，造成同步注漿和二次注漿量較大，同時刀盤刀具、泥水循環(huán)系統(tǒng)的泵、閥、管路、各類精密傳感器等損壞嚴(yán)重。沙礫+粘土地層由于細(xì)顆粒含量增加，泥漿比重上升較快，掘進(jìn)困難的同時泥水分離困難，造成用電量增加等一系列問題，特別是城市施工要求泥水無廢漿排放，因而大大增加了工程施工難度。

2)埋深變化時，泥水壓力的設(shè)置及掘進(jìn)參數(shù)控制原則也有不同。淺埋地層下，泥水倉壓力設(shè)定應(yīng)適當(dāng)?shù)陀诶碚撚嬎阒担軜?gòu)刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度不宜過快，以減少刀盤對地層的擾動，并要求經(jīng)常加入新拌制的高質(zhì)量泥漿，以形成良好的泥膜，保證掌子面穩(wěn)定，減少地面沉降。中埋－深埋條件下，泥漿向地層散失量增大，要經(jīng)常補(bǔ)充高粘度新鮮漿液，以保證掌子面形成良好泥膜。

3)隨著環(huán)境沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，重要風(fēng)險部位除要采用超前注漿或其他地面措施外，必須對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保掌子面泥膜的形成速度及質(zhì)量、同步注漿壓力和注漿量，及時進(jìn)行二次注漿和二次加強(qiáng)注漿，也要加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測信息的變化不斷優(yōu)化各項掘進(jìn)指標(biāo)。

4 工程分段及工藝參數(shù)統(tǒng)計

4．1 工程段落劃分

根據(jù)工程地質(zhì)、隧道埋深、環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)等工程邊界條件，北京直徑線部分盾構(gòu)隧道組段情況如表1所示。

表1 工程段落劃分Table 1 Division of engineering segments

4．2 工藝參數(shù)統(tǒng)計

盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)掘進(jìn)過程的工藝參數(shù)主要包括盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、泥水性能指標(biāo)、同步注漿及二次注漿相關(guān)參數(shù)，其差異主要出現(xiàn)在不同隧道埋深、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、不同施工邊界條件下，不同的工藝參數(shù)所造成的地面沉降也有所區(qū)別［1］。

4．2．1 各段掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)包括泥水壓力、流量和泥漿比重、粘度，刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)扭矩、推力以及掘進(jìn)速度等(見表2)。

表2 不同工況的掘進(jìn)參數(shù)控制指標(biāo)Table 2 Controlling indexes of excavation parameters under different working conditions

4．2．2 其他工藝參數(shù)統(tǒng)計

其他工藝參數(shù)主要包括泥漿的性能指標(biāo)、同步注漿以及二次注漿參數(shù)。

泥漿性能指標(biāo)主要指泥漿的比重與粘度。對淺覆土地段，為加快泥膜成形及掌子面穩(wěn)定，選用粘度較高和比重適中的泥漿［2］;對細(xì)顆粒含量較少的卵石層，為控制泥漿逸失，滿足掌子面泥膜的形成及排碴需要，選擇粘度和比重均較高的泥漿，隨著地層中細(xì)顆粒含量的增加，尤其是對于粘土較多的地段，為盡量減少泥水分離負(fù)荷，選用粘度適中和比重較低的泥漿;對于沉降控制要求嚴(yán)格的重大風(fēng)險點施工區(qū)段，掘進(jìn)過程中選用高粘度泥漿，并提高泥漿的置換頻率，以確保掘進(jìn)過程中掌子面的泥膜質(zhì)量和地面的沉降控制。

同步注漿的工藝參數(shù)主要包括注漿壓力設(shè)定、注漿量控制(按注入率表示)以及注漿的漿液配比等。根據(jù)施工資料統(tǒng)計，注入率與地層中細(xì)顆粒含量、盾構(gòu)的掘進(jìn)速率正相關(guān)，而掘進(jìn)速率主要根據(jù)斷面的地質(zhì)條件和沉降的控制需要而定，因此在同等地質(zhì)條件下，注漿量也與所處位置的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)正相關(guān)。沉降控制指標(biāo)要求越高，注漿持續(xù)時間越長，注入率越大。在特級環(huán)境風(fēng)險控制點區(qū)段適當(dāng)提高注漿壓力，加大同步砂漿水灰比對減少隧道后期沉降尤為重要。

二次注漿包括二次回填注漿和二次加強(qiáng)注漿。二次回填注漿主要針對同步注漿收縮后的空隙進(jìn)行回填。如地表或地下建(構(gòu))筑物變形且不穩(wěn)定，則須進(jìn)行二次加強(qiáng)注漿。二次注漿的主要控制參數(shù)包括與同步注漿的時間或距離間隔、注漿壓力控制和注漿量控制。根據(jù)施工資料及沉降分析，對淺覆土、沉降控制要求較高的特級和一級風(fēng)險點，二次注漿與同步注漿間隔在18 m以內(nèi)最有效;對埋深較大、自穩(wěn)性較好的卵石層以及一般風(fēng)險控制段落，二次注漿與同步注漿間隔控制在36 m以內(nèi)效果較好。二次注漿壓力主要依據(jù)漿液壓入口的水土壓力而定，二次注漿回填量因地層的差異、同步注漿滲透也會不同。施工統(tǒng)計表明，砂卵石地層二次注漿量一般為同步注漿量的15%～20%。在細(xì)顆粒含量較多以及淺覆土地層時，由于地層的滲透系數(shù)較小，二次注漿量也相應(yīng)減少。二次加強(qiáng)注漿則視地層變形情況隨機(jī)確定。泥漿參數(shù)與同步注漿情況如表3所示。

表3 泥漿參數(shù)和同步注漿參數(shù)Table 3 Parameters of slurry and synchronous grouting

5 各段工藝參數(shù)調(diào)整對施工成本影響

泥水盾構(gòu)施工成本主要包括盾構(gòu)機(jī)攤銷、盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出場及安拆費用、盾構(gòu)掘進(jìn)、盾構(gòu)管片制作及拼裝、端頭加固、設(shè)備改造費用、措施費用、臨建費用、安全及文明施工費等。根據(jù)現(xiàn)有施工資料分析，直徑線成本組成比例如表4所示。

表4 泥水盾構(gòu)成本構(gòu)成比率Table 4 Cost constitution ratio of slurry shield

工藝參數(shù)變化引起的盾構(gòu)掘進(jìn)費用變化，主要表現(xiàn)在以下兩方面:一是各組段施工中由于掘進(jìn)速度差異、設(shè)備故障占施工時間比例差異導(dǎo)致施工降效，從而增加了人工、機(jī)械臺班數(shù)量的消耗;二是由于設(shè)備負(fù)荷和掘進(jìn)速度引起的盾尾密封油脂量、同步注漿量、主軸承密封及潤滑油脂消耗數(shù)量變化。由于地質(zhì)條件變化引起的刀具刀盤、尾刷、泥水管路及設(shè)備磨損、泥漿逸失及配比調(diào)整增加材料消耗、水電消耗，以及各類機(jī)具、配件、材料消耗數(shù)量的變化。直徑線盾構(gòu)組段施工效率及主要機(jī)具、材料消耗統(tǒng)計如下。

5．1 盾構(gòu)不同組段施工效率對比

盾構(gòu)不同組段施工效率的對比情況見表5。

表5 盾構(gòu)不同組段施工效率對比表Table 5 Contrast of construction efficiency in different shield segments

5．2 各段落主要機(jī)具、材料消耗量對比

各段落機(jī)具材料消耗數(shù)量對比情況見表6。

表6 各段落機(jī)具材料消耗數(shù)量對比表Table 6 Quantity consuming contrast of equipment material in each segment

6 結(jié)語

1)盾構(gòu)施工的生產(chǎn)效率與隧道埋深、地質(zhì)條件及環(huán)境控制存在明顯的相關(guān)性，尤其是與隧道穿越的地質(zhì)條件關(guān)聯(lián)性最為顯著。其中在細(xì)顆粒含量較少、顆粒粒徑在60～90 mm的圓礫地層中掘進(jìn)時效率最高。而對于卵石層，由于刀具損壞嚴(yán)重，因換刀頻繁而造成工序間歇時間所占比例較大，因而生產(chǎn)效率較圓礫層降低約50%，單位數(shù)量所包含的人工費、機(jī)械臺班費因之增加近1．5倍。對于細(xì)顆粒含量較多的砂礫層，由于泥水分離負(fù)荷的加重，造成泥水故障停機(jī)所占時間比例增加，因而降低施工效率，相應(yīng)的單位工程量所包含人工費、機(jī)械臺班費較圓礫層增加約1．25倍。

2)工序間歇時間所占施工時間比例均在40%左右，這主要是由于砂卵石地層中掘進(jìn)刀具磨損較為明顯，施工過程中間隔100～150 m需進(jìn)行一次帶壓進(jìn)倉刀具更換，而現(xiàn)行的泥水盾構(gòu)定額中均未將帶壓進(jìn)倉更換刀具納入工序管理，編制專門的定額子項，從而造成定額指導(dǎo)與實際施工存在較大偏差。

3)掘進(jìn)刀具消耗數(shù)量主要與地層的土粒成分和顆粒級配相關(guān)，在富水砂卵石地層中刀具損壞大、磨損快、更換頻繁，對成本影響極大。

4)環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)和盾構(gòu)穿越地層條件的差異對單位盾構(gòu)掘進(jìn)材料消耗影響明顯。泥漿補(bǔ)漿量、壁后注漿量、盾尾密封油脂消耗與地層滲透系數(shù)相關(guān)性大，因此卵石層、圓礫層的單位消耗明顯多于砂礫層，卵石層主要材料單位消耗大約為砂礫層的1．3倍，圓礫層為砂礫層的1．01倍左右。環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)高時，由于注漿壓力大和泥漿性能指標(biāo)高，因此該部分材料消耗數(shù)量差別較大。

［1］袁大軍，尹 凡，王華偉，等．超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的擾動研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(10):2074－2080．

［2］顧國明，唐建飛，陳衛(wèi)平．越江隧道盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)的運用［J］．建筑機(jī)械化，2007(9):46－50．