泥水平衡盾構(gòu)穿越全斷面黏土層的施工技術(shù)

李雅林

（上海建通工程建設(shè)有限公司， 上海 200030）

1 工程概況

某隧道工程采用盾構(gòu)法施工。隧道布置為上下層雙層斷面，每層布置二車道；單車道寬度為 3.5 m，凈高為 4.5 m。下層車道車流方向自西向東，上層車道車流方向自東向西。隧道管片環(huán)外徑 14.5 m，內(nèi)徑 13.3 m，壁厚 0.6 m，環(huán)寬 2 m；混凝土強(qiáng)度等級 C60，抗?jié)B等級 P12。隧道盾構(gòu)段長約 1.1 km，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)外徑 14.93 m。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1.1 地質(zhì)特性

盾構(gòu)段地基土分布，見表 1。

表 1 盾構(gòu)段地基土分布

盾構(gòu)主要穿越③1黏土層。該層土體遇水易崩解，土的黏性較大，盾構(gòu)施工極易發(fā)生結(jié)泥餅等事故，施工難度大。

1.1.2 水文地質(zhì)條件

擬建隧道場地的地下水主要為第 4 系松散巖類孔隙潛水。與隧道工程關(guān)系密切的主要為孔隙潛水。第 4 紀(jì)孔隙潛水主要賦存于沿線淺部雜填土及粉、砂性土層內(nèi)，地下水分布連續(xù)，其富水性和透水性具有各向異性。隧道孔隙潛水含水層主要分布于表層雜填土、②1層粉土和②2層粉砂層內(nèi)；土層水平向呈廣泛而連續(xù)，垂向上具有一定的水平層狀沉積韻律變化；潛水含水層的滲透系數(shù)為 2.08E－3 cm/s～2.66E－3cm/s，屬中等透水性。潛水位埋深標(biāo)高為 2.636 m～8.817 m。地下水補(bǔ)給主要是地表徑流的入滲、地表人工河流的滲透以及人類活動用水的滲漏補(bǔ)給。局部較深部位夾有薄層粉土和粉質(zhì)黏土，造成局部地下水具有微承壓性。

2 掘進(jìn)情況

盾構(gòu)出加固區(qū)后，第 6～7 環(huán)掘進(jìn)出現(xiàn)了推進(jìn)速度大幅波動、刀盤扭矩增大、排渣不暢的情況，開挖艙及氣泡艙內(nèi)二次堆積嚴(yán)重；泥水處理場出現(xiàn)超過 40 cm 的泥塊，設(shè)備堵塞嚴(yán)重；P2.1 吸口出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，掌子面支撐壓力出現(xiàn)超過 1 bar 的壓力波動。后來采取了每掘進(jìn) 20 min 就停機(jī)循環(huán)再推進(jìn)的策略，完成了第 8～11 環(huán)掘進(jìn)；每環(huán)掘進(jìn)時間 6 h～12 h。但在第 12 環(huán)的推進(jìn)過程中，堵塞現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

3 原因分析

根據(jù)這一區(qū)段反映出的問題，分析原因有以下幾點(diǎn)。

(1)預(yù)篩分使用的篩板孔徑較小，刀盤切削下來的黏土容易造成篩孔堵塞。

(2)泥水分配器及分配管的分布不能適應(yīng)土質(zhì)，渣土分配不均勻。

(3)推進(jìn)速度快造成切削下來的黏土結(jié)成大的泥餅。

(4)當(dāng)進(jìn)漿比重較大時，黏土塊容易聚集在開挖艙內(nèi)，不容易分解成小顆粒。

(5)大塊分離機(jī)的擠壓作用形成泥餅。

(6)黏土粘結(jié)在刀盤上，造成刀盤扭矩增大。

4 針對性措施

4.1 泥水處理設(shè)備的改進(jìn)

(1)調(diào)整分配器及分配管，使渣土分配更加均勻。

(2)調(diào)整大塊分離機(jī)，更改鏈條傳動系統(tǒng)。

(3)預(yù)篩分使用較大孔徑篩板，減小堵塞。

(4)割除預(yù)篩上的部分加強(qiáng)筋，減少堵塞。

4.2 刀盤轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度的控制

由于黏土地層硬度較大，采取較快的刀盤轉(zhuǎn)速及較小的推進(jìn)速度，快速切削土體，保持較低的扭矩以減小對掌子面的擾動，使土體以小碎塊的形式自掌子面剝落下來并通過泥水環(huán)流系統(tǒng)排出，是比較理想的做法。盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)刀盤轉(zhuǎn)速在 0～1.5 r/min 之間。經(jīng)過一段時間嘗試，刀盤轉(zhuǎn)速超過 1 r/min 時，主驅(qū)動電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)個別電機(jī)負(fù)載過大的情況，導(dǎo)致經(jīng)常性的跳停，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定掘進(jìn)。綜合上述情況，設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速在 1 r/min。

在確定刀盤轉(zhuǎn)速的同時，施工時也對掘進(jìn)速度進(jìn)行了嘗試。初始控制掘進(jìn)速度在 8 mm/min～12mm/min，掘進(jìn)期間刀盤扭矩控制較為理想，出渣也以小碎黏土塊為主，出渣量連續(xù)穩(wěn)定。過程中對推進(jìn)速度逐漸進(jìn)行了提升。發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均速度大于 15 mm/min 時，又出現(xiàn)了二次堆積的現(xiàn)象，大黏土塊較多，掘進(jìn)困難。為此，將掘進(jìn)速度控制在10 mm/min～15 mm/min、平均速度不大于 13 mm/min 的掘進(jìn)參數(shù)，適應(yīng)全斷面黏土地層掘進(jìn)的需要。

4.3 泥漿比重的控制

根據(jù)專家提出的建議，嚴(yán)格控制進(jìn)漿比重在 1.08 kg/cm3以內(nèi)，經(jīng)過大約 15 環(huán)的掘進(jìn)，排出了之前在開挖艙內(nèi)及刀盤壁上堆積的渣土塊。經(jīng)過嘗試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)漿比重大于1.10 kg/cm3時，掘進(jìn)較為困難。為此，確定了掘進(jìn)完成后棄漿加清水的方法進(jìn)行調(diào)漿，確保盾構(gòu)的每 1 環(huán)掘進(jìn)前的比重控制在 1.06 g/cm3～1.08 g/cm3，掘進(jìn)過程中進(jìn)泥比重不大于1.08 g/cm3的泥漿參數(shù)，取得了較為良好的效果。

4.4 進(jìn)排泥流量的控制

在全斷面黏土地層中掘進(jìn)中，采用大流量的泥水循環(huán)，及時將開挖出的小塊渣土排出以避免出現(xiàn)沉積，是必須的措施。在確保進(jìn)出漿泵負(fù)載在合理范圍內(nèi)的前提下，盡量提高泥水環(huán)流流量。實(shí)踐證明，進(jìn)泥流量控制在 1 900 m3/h～2 100 m3/h 的范圍內(nèi)，排泥流量基本穩(wěn)定在 2 300 m3/h ～2 600 m3/h (含清水沖刷量)，P2.1 泵負(fù)載在可控范圍內(nèi)，出渣情況也比較穩(wěn)定。

4.5 沖刷系統(tǒng)的控制

對關(guān)鍵位置的沖刷也是確保環(huán)流系統(tǒng)效果的關(guān)鍵。開挖艙及氣泡艙的擁堵主要集中在刀盤面板及中心體、前閘門及P2.1 泵吸口。針對這些位置，分別有著對應(yīng)的沖刷管路及沖刷系統(tǒng)。

刀盤面板及中心體沖刷屬于進(jìn)泥系統(tǒng)的一部分，由 P0.1泵進(jìn)行沖刷。

前閘門沖刷由 V11V12 氣動閥組控制的兩路進(jìn)泥管提供。在泥漿循環(huán)過程中要確保兩路管路始終保持開啟狀態(tài)。

P2.1 泵吸口沖洗系統(tǒng)由新加的 4 個水槍完成；水槍由 2臺 90 kW 清水泵自地面供水，經(jīng)過 4 臺 35 kW 水泵加壓后沖洗吸口左上、右上、左下、右下四個位置。沖洗水槍壓力控制在 25 Bar 上下，每個水槍的流量約 70 m3/h，合計(jì)約280 m3/h。

4.6 盾尾油脂的注入

為了確保盾尾密封效果，油脂的注入采用行程控制。每180 mm 完成一個循環(huán)注入，每環(huán)注脂量控制在 250 kg 左右。取得了較好的效果，過程中未出現(xiàn)大范圍漏水及漏漿現(xiàn)象。

通過對盾構(gòu)機(jī)的改造和優(yōu)化施工參數(shù)，在保持刀盤轉(zhuǎn)速1 r/min、進(jìn)泥流量 2 000 m3/h～2 100 m3/h、進(jìn)漿比重不高于1.08 kg/cm3、清水沖刷流量 250 m3/h 的前提下，盾構(gòu)掘進(jìn)速度穩(wěn)定在 10 mm～15 mm，刀盤扭矩為 2.5 MNm～5 MNm，出渣以小于 10 cm 的泥塊為主，地面沉降也得到較好控制。盾構(gòu)完成改造后達(dá)到了最大日進(jìn)尺 10 m、平均日進(jìn)尺 7 m～8 m的施工效率，盾構(gòu)機(jī)在全斷面黏土地層中順利推進(jìn)。

5 結(jié) 語

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過改造，可以滿足全斷面黏土地層施工的要求。采用“高轉(zhuǎn)速，小進(jìn)尺，少擾動，強(qiáng)沖刷，低比重，大循環(huán)”的掘進(jìn)思路，是保證泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在全斷面黏土地層順利掘進(jìn)的有效辦法。