南昌地鐵泥水盾構(gòu)穿越贛江淺覆蓋透水層施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王明勝

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009）

南昌地鐵泥水盾構(gòu)穿越贛江淺覆蓋透水層施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王明勝

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471009）

結(jié)合南昌市軌道交通1號(hào)線(xiàn)一期工程秋水廣場(chǎng)站—中山西路站區(qū)間隧道工程，對(duì)泥水盾構(gòu)穿越贛江淺覆蓋透水層時(shí)易出現(xiàn)的掌子面失穩(wěn)、刀盤(pán)結(jié)泥餅、掘進(jìn)姿態(tài)難控制等工程難題展開(kāi)針對(duì)性研究。首先，從泥漿參數(shù)選擇、切口水壓計(jì)算、掘進(jìn)控制技術(shù)3個(gè)方面對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定控制技術(shù)進(jìn)行分析；其次，在統(tǒng)計(jì)分析刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象及原因的基礎(chǔ)上，提出嚴(yán)控泥漿指標(biāo)等針對(duì)性的防控措施；最后，對(duì)NFM-07、S367這2臺(tái)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)前100環(huán)（第165～265環(huán)）的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得出了泥水盾構(gòu)在淺覆蓋透水層掘進(jìn)時(shí)的盾構(gòu)主要控制參數(shù)，以期為類(lèi)似工程施工提供參考。

南昌地鐵；軌道交通過(guò)江隧道；泥水盾構(gòu)；淺覆蓋透水層；開(kāi)挖面穩(wěn)定；結(jié)泥餅

0 引言

盾構(gòu)法以其施工速度快、對(duì)周?chē)h(huán)境影響小、施工安全性高、質(zhì)量?jī)?yōu)良等優(yōu)勢(shì)，在城市地鐵隧道修建中扮演著越來(lái)越重要的角色。特別是泥水平衡盾構(gòu)，近年來(lái)一直是穿越江、海、湖泊等水下隧道建設(shè)的首選施工方法，如武漢長(zhǎng)江隧道、上海復(fù)興東路過(guò)江隧道、杭州慶春路過(guò)江隧道、獅子洋隧道、南京長(zhǎng)江隧道等。針對(duì)泥水盾構(gòu)穿江越海所面對(duì)的工程難題，學(xué)者們已展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果，如：邢慧堂［1］根據(jù)南京長(zhǎng)江隧道超淺覆土段工程地質(zhì)概況，進(jìn)行了

盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析，在對(duì)泥水壓力、泥漿參數(shù)計(jì)算設(shè)定的基礎(chǔ)上，制定了嚴(yán)密的施工方案，加強(qiáng)了施工過(guò)程信息化管理，確保了安全快速地通過(guò)該地段，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)同類(lèi)型地質(zhì)條件下超大型盾構(gòu)江中超淺覆土安全穿越的施工空白；李光耀［2］總結(jié)了獅子洋隧道泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工技術(shù)，從刀盤(pán)刀具配置、掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)控制、同步注漿等方面提出了在大直徑泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工中應(yīng)注意的主要方面；王建華等［3］、楊志永［4］、石文廣等［5］、嚴(yán)華明［6］、楊成龍［7］分別針對(duì)上海軌道交通11號(hào)線(xiàn)、北京鐵路地下直徑線(xiàn)、杭州地鐵1號(hào)線(xiàn)、上海市人民路越江隧道及上海軌道交通16號(hào)線(xiàn)等工程在盾構(gòu)超淺覆土工況下的施工技術(shù)，開(kāi)展了相關(guān)研究工作。關(guān)于泥水盾構(gòu)穿越淺覆土與透水層的施工控制技術(shù)，雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得一些施工經(jīng)驗(yàn)，但由于各工程的地質(zhì)條件不同、盾構(gòu)選型差異等原因，使泥水盾構(gòu)在穿越淺覆蓋透水層施工控制技術(shù)方面的研究還有待進(jìn)一步完善。

南昌市軌道交通1號(hào)線(xiàn)一期工程秋水廣場(chǎng)站—中山西路站區(qū)間隧道，是南昌市首個(gè)下穿贛江的地鐵工程，具有周?chē)刭|(zhì)條件復(fù)雜、河床底隧道覆土厚度淺、水壓大、地層透水性強(qiáng)等特點(diǎn)，在泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中易出現(xiàn)開(kāi)挖艙掌子面失穩(wěn)、掘進(jìn)姿態(tài)難控制、刀盤(pán)易結(jié)泥餅等現(xiàn)象。因此，有必要針對(duì)這些典型技術(shù)難題進(jìn)行深入研究，以確保本工程順利完成。

1 工程概況

南昌市軌道交通1號(hào)線(xiàn)一期工程秋水廣場(chǎng)站—中山西路站區(qū)間隧道下穿秋水廣場(chǎng)、贛江，經(jīng)中山西路后與東端的中山西路站相連接。隧道區(qū)間長(zhǎng)度為1 855 m，其中，下穿贛江河床的長(zhǎng)度為1 245 m。隧道最小平面曲線(xiàn)半徑360 m，最大縱坡為28‰，覆土厚度5.4～21.5 m。盾構(gòu)隧道管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m。

1.1 工程地質(zhì)

南昌市軌道交通1號(hào)線(xiàn)一期工程秋水廣場(chǎng)站—中山西路站區(qū)間隧道地層上部為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層，下部為第三系新余群基巖。按其巖性及工程特性，自上而下依次劃分為①2素填土、②2淤泥、②3細(xì)砂、②5粗砂、②6礫砂、②7圓礫、②8卵石、⑤1-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤1-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤1-3微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等。在盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍內(nèi)，始發(fā)段367.5 m以砂卵石為主，到達(dá)段317.5 m以砂卵石為主，滲透系數(shù)為10-1級(jí)別，合計(jì)685 m，占線(xiàn)路總長(zhǎng)度的37%；中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖長(zhǎng)1 120 m，滲透系數(shù)為10-5級(jí)別，占總長(zhǎng)度的60%；斷層破碎帶長(zhǎng)50 m，滲透系數(shù)為10-4級(jí)別，占總長(zhǎng)度的3%。

1.2 水文狀況

場(chǎng)區(qū)地表水主要為贛江水源，目前，地表水位高程為15.50～19.60 m。擬建場(chǎng)地淺層地下水屬于上層滯水、孔隙性潛水、微承壓水，主要賦存于表層填土、砂土、礫砂和圓礫土層中?？紫稘撍饕x存于表層填土以及第四系上更新統(tǒng)沖積層的砂礫石層中，孔隙微承壓水主要賦存于第四系上更新統(tǒng)沖積層的砂礫石層中，承壓水水頭高度一般為2.50～5.20 m。基巖裂隙水主要賦存于場(chǎng)地第三系新余群泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖巖層的裂隙中，由上部第四系松散層中的孔隙水或微承壓水補(bǔ)給。

1.3 工程重難點(diǎn)

鑒于該區(qū)間隧道的工程特點(diǎn)以及周邊環(huán)境的情況，工程的施工重難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）穿越淺覆蓋透水層，工作面極易失穩(wěn)。當(dāng)盾構(gòu)穿過(guò)贛江兩端時(shí)，頂部位于砂礫層和卵石層中，和江水連通，水壓大、覆蓋層薄，且局部河道地段上部松散砂礫卵石層厚度較小，在施工中極易發(fā)生工作面失穩(wěn)現(xiàn)象。

2）穿越上軟下硬地層，盾構(gòu)姿態(tài)難以控制。在盾構(gòu)始發(fā)及接收時(shí)，上半斷面位于砂礫卵石層中，下半斷面位于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，呈現(xiàn)典型的“上軟下硬”現(xiàn)象，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，整個(gè)刀盤(pán)受力不均，盾構(gòu)姿態(tài)極難控制。

3）穿越泥質(zhì)粉砂巖地層，刀盤(pán)易結(jié)泥餅。盾構(gòu)區(qū)間中間段主要穿越泥質(zhì)粉砂巖地層，泥質(zhì)粉砂巖地層黏性土體顆粒含量大，刀盤(pán)容易出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象而造成刀盤(pán)、刀具磨損加劇，進(jìn)而嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)速度。

2 開(kāi)挖面穩(wěn)定控制技術(shù)

2.1 泥漿參數(shù)的選擇

當(dāng)泥水盾構(gòu)正常掘進(jìn)和遇到強(qiáng)透水復(fù)合地層時(shí)，泥漿1 m3配合比如表1所示。

表1 泥漿配合比Table 1 Mixing proportion of slurry

2.2 切口水壓的計(jì)算

國(guó)內(nèi)普遍使用的切口水壓力理論公式是以水、土壓力分算和朗肯土壓力為基礎(chǔ)，加上一個(gè)浮動(dòng)壓力來(lái)設(shè)定的［8］。一般情況下，泥水平衡盾構(gòu)泥水艙的浮動(dòng)壓力設(shè)為20 kPa，其目的：一是為了使泥漿能夠滲透到地層，盡快形成泥膜；二是考慮在施工中泥漿壓力出現(xiàn)波動(dòng)而給定的一種安全余度。這種壓力設(shè)定方法在實(shí)際工程中已經(jīng)得到了很好地驗(yàn)證。

2.3 艙內(nèi)控制技術(shù)

2.3.1 氣墊艙壓力的設(shè)定

贛江實(shí)測(cè)水位線(xiàn)到隧道頂部約18 m左右，隧道最淺埋深為5.4 m左右，其他計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters

為了保證泥水盾構(gòu)安全快速穿越贛江淺覆土地段，氣墊艙壓力的設(shè)定應(yīng)綜合考慮切口水壓的上限值、下限值和極限值，由于上限值與下限值相差范圍較大，通常取兩者的平均值作為參考；同時(shí)，為防止擊穿地層，現(xiàn)場(chǎng)氣墊艙壓力的設(shè)定應(yīng)略有降低，但氣墊艙壓力的設(shè)定值不應(yīng)小于極限值，氣墊艙壓力的設(shè)定值如表3所示。

表3 氣墊艙壓力設(shè)定值Table 3 Pressure in air cushion chamberMPa

2.3.2 液位控制

氣墊艙液位的上升與下降，造成掌子面壓力隨之波動(dòng)，對(duì)掌子面的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，也客觀反映出開(kāi)挖艙內(nèi)泥渣的堆積情況。根據(jù)對(duì)氣墊艙液位升降趨勢(shì)的觀察分析，當(dāng)液位的升降趨勢(shì)較大時(shí)，要及時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)漿流量、出漿流量、掘進(jìn)速度等參數(shù)，使液位的變化趨勢(shì)穩(wěn)定，而液位的穩(wěn)定需要通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)漿和排漿的流量差來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)、排漿流量的調(diào)節(jié)，要通過(guò)調(diào)整進(jìn)漿泵和排漿泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 進(jìn)、排漿流量及壓力的控制

泥漿循環(huán)的目的是攜帶渣土。為避免渣土沉淀，泥漿必須具備一定的流速，對(duì)于不同的地質(zhì)，其要求的流速是不同的，與渣土的比重、泥漿的黏度有關(guān)［9］。當(dāng)盾構(gòu)穿越贛江淺覆蓋透水層時(shí)，需要快速通過(guò)，為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)順利進(jìn)行，進(jìn)、排漿流量應(yīng)根據(jù)泥水艙內(nèi)液位以及盾構(gòu)掘進(jìn)速度來(lái)調(diào)整，必須保證進(jìn)、排漿流量。掘進(jìn)速度應(yīng)控制在5～12 mm/min，進(jìn)、排漿流量高峰值分別控制在650 m3/h和750 m3/h左右。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)速度較高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)切削下來(lái)的石碴量較多，此時(shí)，應(yīng)選擇與之相適應(yīng)的進(jìn)、排漿流量，以將石碴排出；反之，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)速度較低時(shí)，可適當(dāng)減小進(jìn)、排漿流量［10-11］。根據(jù)之前盾構(gòu)掘進(jìn)的施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)、排漿流量及壓力的控制參數(shù)如表4所示。在操作時(shí)盡量保持進(jìn)、排漿流量的平衡。

表4 進(jìn)、排漿量及壓力的控制參數(shù)Table 4 Slurry flow rate and slurry pressure

2.3.4 吸漿口防堵控制

吸漿口堵塞是泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，本工程在施工過(guò)程中主要從2方面采取了應(yīng)對(duì)措施，并且取得了良好的應(yīng)用效果。一方面通過(guò)張開(kāi)、閉合吸漿口處的碎石機(jī)鄂板，對(duì)吸漿口處的大塊碴土或堆積物起到攪拌作用，以保證排碴順暢；另一方面可通過(guò)單獨(dú)開(kāi)啟氣墊艙下部排漿口處的進(jìn)漿管，增加沖刷量或循環(huán)時(shí)間來(lái)將排漿口處的堆積物清理干凈。

3 泥餅防治控制技術(shù)

針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的泥餅防治與掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究［12-14］，并得到了一些防治泥餅的施工控制技術(shù)，同時(shí)，確定了一些典型地質(zhì)條件下盾構(gòu)的具體掘進(jìn)參數(shù)。但是，在目前城市地鐵施工中，大多數(shù)采用土壓平衡盾構(gòu)，其所確定的相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)本工程采用的泥水平衡盾構(gòu)并不適用；另一方面，本工程遇到的地質(zhì)情況與已有研究成果差異較大，尚無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。因此，研究盾構(gòu)刀盤(pán)泥餅的防治技術(shù)對(duì)本工程意義重大。

3.1 盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象

在秋水廣場(chǎng)站—中山西路站泥水盾構(gòu)掘出加固體后，盾構(gòu)區(qū)間前200 m左右以砂、卵石為主，隨后上部為砂、卵石層，下部為泥質(zhì)粉砂巖，到最后進(jìn)入全斷面泥質(zhì)粉砂巖層。在盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)總推力一直從1 200 kN逐步增加到1 800 kN，盾構(gòu)的扭矩從開(kāi)始的1 100 kN·m逐步增加到2 800 kN·m。在掘進(jìn)至156環(huán)后，推力與扭矩大幅度增大，掘進(jìn)速度明顯降低，平均速度僅有6 mm/min，貫入度減少至4～6 mm。針對(duì)以上掘進(jìn)參數(shù)異常的情況，經(jīng)分析及咨詢(xún)，認(rèn)為是刀盤(pán)結(jié)泥餅引起，經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員帶壓進(jìn)艙檢查后發(fā)現(xiàn)，在刀盤(pán)面板輻板與輻條之間、刀箱內(nèi)、牛腿位置結(jié)滿(mǎn)了泥餅，從而可以判斷是刀盤(pán)結(jié)泥餅導(dǎo)致刀盤(pán)扭矩加大、掘進(jìn)速度降低（見(jiàn)圖1）。

圖1 結(jié)泥餅現(xiàn)象Fig.1 Mucks stuck to the cutter head

3.2 原因分析

從地質(zhì)條件、盾構(gòu)選型以及施工條件等方面著手，對(duì)刀盤(pán)結(jié)泥餅的原因分析如下。

3.2.1 地質(zhì)條件

秋水廣場(chǎng)站—中山西路站泥水盾構(gòu)區(qū)間隧道洞身所處的地層主要為強(qiáng)、中風(fēng)化和微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水軟化，失水崩裂，上覆為江底的松散砂層，與贛江有直接的水力聯(lián)系，在刀具的切削、刀盤(pán)的擠壓和泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)沖刷等因素的共同作用下變?yōu)樗樾己湍喾?，結(jié)合泥水盾構(gòu)施工原理的特性，巖塊和土塊內(nèi)的黏土礦物遇水（或泥漿）軟化并吸收水分膨脹，在泥水艙內(nèi)不斷攪拌變成泥團(tuán)，這些碎屑粉末、黏土顆粒和泥團(tuán)是形成泥餅的基礎(chǔ)材料。通過(guò)對(duì)泥質(zhì)粉砂巖土樣（1＃為風(fēng)化，2＃為塊狀）進(jìn)行檢測(cè)，得出礦物含量如表5所示。

表5 礦物含量測(cè)試結(jié)果Table 5 Mineral contents of muddy silty sandstone%

由表5可知，綠泥石與伊利石總含量為27%～28%。綠泥石是碎屑儲(chǔ)集巖中較常見(jiàn)的黏土礦物之一，伊利石是一種富鉀的硅酸鹽云母類(lèi)黏土礦物，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)土或巖中黏土礦物含量超過(guò)25%時(shí)，隨著其含量的增加，在相同的設(shè)備和施工工藝條件下，泥餅形成的可能性將增加。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷

泥水平衡盾構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷是導(dǎo)致泥餅產(chǎn)生的另一個(gè)主要因素，主要表現(xiàn)為刀盤(pán)中心區(qū)開(kāi)口率不足、刀盤(pán)中刀具的數(shù)量和布置形式不合理、刀具高差層次不明顯、刀具破巖能力不足、泥水環(huán)流系統(tǒng)泥漿沖刷壓力不足等。根據(jù)施工過(guò)程中多次開(kāi)艙檢查結(jié)果可知，產(chǎn)生泥餅的位置主要集中在刀盤(pán)牛腿中心和中心刀具位置，由此分析其主要原因是泥水環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)漿管泥漿沖刷壓力不足和刀盤(pán)中心開(kāi)口率過(guò)小。

3.2.3 施工過(guò)程控制不當(dāng)

在施工過(guò)程中，盾構(gòu)操控人員的操作和預(yù)判是泥餅產(chǎn)生的一個(gè)不容忽視的重要因素，總結(jié)歸納主要有以下幾點(diǎn)：

1）循環(huán)泥漿物理性能不合理導(dǎo)致沉渣沖刷、攪拌不到位，積渣過(guò)多。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于對(duì)掘進(jìn)地層的認(rèn)知不足、現(xiàn)場(chǎng)物理性能檢測(cè)試驗(yàn)頻率縮減以及沒(méi)有認(rèn)真分析泥水分離系統(tǒng)的出渣等原因，未及時(shí)調(diào)整泥漿的黏度、密度和含砂率等參數(shù)，導(dǎo)致泥水艙內(nèi)渣土無(wú)法及時(shí)排出而推積，密實(shí)度和泥漿物理性能指標(biāo)越來(lái)越高，最終形成泥餅。

2）盾構(gòu)施工參數(shù)控制缺乏預(yù)控性。泥水平衡盾構(gòu)操控主要包括盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)和泥水環(huán)流系統(tǒng)（包括進(jìn)、排泥漿流量和壓力，泥漿物理性能，氣艙液位高度等）2部分；因此，相對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)而言，泥水盾構(gòu)施工參數(shù)控制略顯復(fù)雜，對(duì)中央控制室操作司機(jī)要求更高。操作司機(jī)如果不能根據(jù)施工地質(zhì)變化、出渣情況和設(shè)備故障等預(yù)控盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)，一方面會(huì)使盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間帶“病”施工，大大降低設(shè)備使用壽命；另一方面將無(wú)法有效規(guī)避潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 防治“泥餅”控制技術(shù)

3.3.1 嚴(yán)控泥漿指標(biāo)

根據(jù)各種泥漿參數(shù)下的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，確定泥質(zhì)粉砂巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)泥漿指標(biāo)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間各項(xiàng)參數(shù)總結(jié)對(duì)比，確定控制泥漿的各種性能指標(biāo)（泥漿比重、黏度），在施工過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1）在掘進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制泥漿的各種性能指標(biāo)，包括黏度、密度和析水率等。根據(jù)中、強(qiáng)風(fēng)化巖和黏土地層巖土特性，通過(guò)對(duì)隧道洞身地層的抽芯土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取參數(shù)適合的低黏度、低密度、低失水性的泥漿。

2）泥漿指標(biāo)應(yīng)控制為密度1.05～1.10 g/cm3，黏度18～20 s。在掘進(jìn)初期，往泥漿內(nèi)添加潤(rùn)滑劑可以有效降低巖石粉末和土層中的黏土附著在刀盤(pán)或已經(jīng)形成的泥餅上的概率，并且可以化解初步形成的泥餅。

3）在掘進(jìn)過(guò)程中，渣土的溶解會(huì)引起泥漿黏度和比重的快速上升，導(dǎo)致循環(huán)泥漿渣土攜帶能力的嚴(yán)重下降，容易造成黏土團(tuán)滯留在刀盤(pán)及土艙內(nèi)。在盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中，要及時(shí)進(jìn)行泥漿指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)，必要時(shí)每5 min就需監(jiān)測(cè)一次。根據(jù)泥漿變化情況，通過(guò)泥水處理系統(tǒng)調(diào)整循環(huán)泥漿或加注清水等方式，將不符合要求的高濃度泥漿稀釋至控制指標(biāo)范圍內(nèi)。

4）為提升泥質(zhì)粉砂巖地層中的泥水分離效果，增設(shè)1臺(tái)離心機(jī)，采用“篩分—旋流—沉淀—離心”4級(jí)泥水分離模式。

3.3.2 優(yōu)化刀盤(pán)、刀具配置

在盾構(gòu)組裝階段，對(duì)刀盤(pán)、刀具進(jìn)行如下優(yōu)化改造：

1）在盾構(gòu)刀盤(pán)的周邊焊3道耐磨條，并焊接大圓環(huán)保護(hù)刀，以充分保證刀盤(pán)在巖層掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。優(yōu)化刀具排列的設(shè)計(jì)只能減小刀盤(pán)和刀座結(jié)構(gòu)磨損。

2）刀盤(pán)背面開(kāi)口向內(nèi)傾斜（見(jiàn)圖2），比開(kāi)口處為直角的結(jié)構(gòu)更利于導(dǎo)入切削下來(lái)的渣土。

3）在泥質(zhì)粉砂巖地層掘進(jìn)時(shí)，為減小刀盤(pán)結(jié)泥餅、帶壓進(jìn)艙檢修刀具的概率，將中心雙聯(lián)滾刀更換為可換式撕裂刀，以增加刀盤(pán)中心開(kāi)口率，同時(shí)，將4把邊滾刀更換為耐磨性能更好的球齒滾刀，中心刀具配置宜采用可更換雙刃撕裂刀。

4）在土艙的艙壁和刀盤(pán)的背后各設(shè)計(jì)有多條攪拌臂，以利于渣土攪拌流動(dòng)，防止結(jié)泥餅。同時(shí)，刀盤(pán)的支撐結(jié)構(gòu)宜采用4條呈放射狀圓柱支撐臂，有利于渣土流動(dòng)。

圖2 刀盤(pán)背面開(kāi)口形式對(duì)比Fig.2 Opening of cutter head

3.3.3 改造泥水環(huán)流系統(tǒng)

借用2臺(tái)盾構(gòu)原有的沖刷管路，通過(guò)增加沖刷泵，并減小沖刷管路的口徑，以增加沖刷壓力，達(dá)到更好的沖刷效果，從而避免刀盤(pán)形成泥餅、刀箱堵塞。通過(guò)帶壓進(jìn)艙對(duì)NFM-07及海瑞克S367進(jìn)行了改進(jìn)，具體的改進(jìn)方案為：

1）2臺(tái)盾構(gòu)在原有進(jìn)漿泵基礎(chǔ)上各增加1臺(tái)55 kW的沖刷泵，以增加刀盤(pán)艙沖刷壓力；在進(jìn)漿管上加工一個(gè)DN150的接駁口，以供沖刷泵進(jìn)漿，沖刷泵的出漿管分別接到盾構(gòu)原有的刀盤(pán)沖刷管上。

2）將刀盤(pán)艙預(yù)留的DN80進(jìn)漿孔改進(jìn)成沿刀盤(pán)面板的半徑方向5個(gè)直徑為16 mm的沖刷小孔，這樣可以對(duì)刀盤(pán)不同軌跡進(jìn)行沖刷。

3）將海瑞克S367右側(cè)刀盤(pán)艙DN80膨潤(rùn)土管路引至泥漿門(mén)兩側(cè)，對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)沖刷，以確保排碴通暢，防止堵塞泥漿門(mén)。

4）將海瑞克S367中心的DN80（NFM-07中心DN100）沖刷管改進(jìn)為中間1個(gè)、周邊3個(gè)直徑為25 mm的沖刷孔，以沖刷刀盤(pán)中心區(qū)域雙聯(lián)滾刀。

在對(duì)NFM-07盾構(gòu)的沖刷系統(tǒng)改造完成并更換刀具恢復(fù)掘進(jìn)后，總推力由1 800 kN降至1 200 kN，刀盤(pán)扭矩由2 800 kN·m降至2 000 kN·m，掘進(jìn)速度由6 mm/min提高為14 mm/min。從沖刷系統(tǒng)改造后的掘進(jìn)情況來(lái)看，盾構(gòu)的推力、扭矩大幅度降低，加快了施工進(jìn)度。

4 掘進(jìn)參數(shù)控制與姿態(tài)調(diào)整

4.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制

4.1.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)NFM-07、S367這2臺(tái)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)淺覆土段前100環(huán)（第165～265環(huán)）每環(huán)的盾構(gòu)總推力、刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速以及盾構(gòu)掘進(jìn)速度平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到泥水盾構(gòu)總推力的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Fig.3 Statistics and analysis of shield boring parameters

根據(jù)圖3及相關(guān)數(shù)據(jù)資料分析得出：

1）在強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)結(jié)泥餅，掘進(jìn)速度低，推力總體較大；在中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，地質(zhì)條件較好，刀具配置適宜，經(jīng)刀盤(pán)沖刷系統(tǒng)改造，結(jié)泥餅現(xiàn)象消失，盾構(gòu)掘進(jìn)速度均一，推力可能較小。

2）在強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，刀盤(pán)扭矩總體偏大；在中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中較小。

3）在中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速總體偏大；在強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層較小。

4）在中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，泥水盾構(gòu)掘進(jìn)速度較快；在強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中較小。泥水盾構(gòu)在強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層掘進(jìn)時(shí)，在刀具切削和刀盤(pán)沖擊作用下，巖塊變成碎屑和粉末狀，這些碎屑粉末狀的黏土顆粒在刀盤(pán)周?chē)纬赡囡?，從而?dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)速度降低。

4.1.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)建議

通過(guò)對(duì)NFM-07、S367這2臺(tái)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)淺覆土段前100環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到泥水盾構(gòu)順利穿越淺覆土段的合理掘進(jìn)參數(shù)建議值，如表6所示。

表6 泥水盾構(gòu)合理掘進(jìn)參數(shù)建議值Table 6 Proposed slurry shield boring parameters

4.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制與調(diào)整

4.2.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制

由于盾構(gòu)表面與地層間的摩擦阻力不均勻、地層軟硬不均、隧道曲線(xiàn)和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)推進(jìn)不可能完全按照設(shè)計(jì)的隧道軸線(xiàn)前進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生一定的偏差；開(kāi)挖面上的泥水壓力以及刀盤(pán)切削地層所引起的阻力不均勻，也會(huì)引起一定的偏差；在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，不同部位推進(jìn)千斤頂參數(shù)設(shè)定的偏差也易引起推進(jìn)方向的偏差。當(dāng)這種偏差超過(guò)一定限界時(shí)，就會(huì)使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小、管片局部受力惡化，并造成地層損失增大而使地表沉降加大。因此，在盾構(gòu)施工中，必須采取有效技術(shù)措施控制掘進(jìn)方向，及時(shí)有效地糾正掘進(jìn)偏差。

1）利用盾構(gòu)VMT導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量來(lái)完成盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)測(cè)量。S367盾構(gòu)配備了德國(guó)VMT公司的SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)，配置了導(dǎo)向、自動(dòng)定位、掘進(jìn)程序軟件和顯示器等，能夠全天候在盾構(gòu)主控室動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)當(dāng)前位置與隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)的偏差以及趨勢(shì)。

2）采用分區(qū)操作盾構(gòu)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。根據(jù)線(xiàn)路條件所做的分段軸線(xiàn)擬合控制計(jì)劃、導(dǎo)向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)信息，結(jié)合隧道地層情況，通過(guò)分區(qū)操作盾構(gòu)的推進(jìn)油缸來(lái)控制掘進(jìn)方向。

4.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)糾偏

在實(shí)際施工中，由于地質(zhì)突變等原因?qū)е露軜?gòu)推進(jìn)方向可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線(xiàn)；在軟土地層中掘進(jìn)時(shí)，由于地層提供的摩擦阻力過(guò)小，可能會(huì)產(chǎn)生盾體滾動(dòng)角偏差；在線(xiàn)路變坡段或急彎段掘進(jìn)時(shí)，有可能產(chǎn)生較大的豎向偏差。因此，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，及時(shí)糾偏。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）姿態(tài)調(diào)整。參照上述方法，分區(qū)操作推進(jìn)油缸來(lái)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，糾正偏差，將盾構(gòu)的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍內(nèi)。

2）滾動(dòng)糾偏。當(dāng)滾動(dòng)超限時(shí)，盾構(gòu)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，此時(shí)應(yīng)采用盾構(gòu)刀盤(pán)反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動(dòng)偏差。允許滾動(dòng)偏差≤1.5°，當(dāng)其超過(guò)1.5°時(shí)盾構(gòu)報(bào)警，提示操縱者應(yīng)該切換刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。

3）豎直方向糾偏?？刂贫軜?gòu)方向的主要因素是千斤頂?shù)膯蝹?cè)推力，當(dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)下俯時(shí)，可加大下側(cè)千斤頂?shù)耐屏?；?dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)上仰時(shí)，可加大上側(cè)千斤頂?shù)耐屏?lái)進(jìn)行糾偏。

4）水平方向糾偏。與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時(shí)應(yīng)加大左側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力，右偏時(shí)則應(yīng)加大右側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力。

5 結(jié)論與建議

針對(duì)泥水盾構(gòu)穿越贛江淺覆蓋透水層過(guò)程中出現(xiàn)的工程難題，本文充分結(jié)合工程地質(zhì)條件，從控制開(kāi)挖面穩(wěn)定性、防治刀盤(pán)結(jié)泥餅及掘進(jìn)參數(shù)控制等方面，展開(kāi)了深入研究，并提出了具體的施工控制技術(shù)，得出主要研究結(jié)論如下：

1）泥水盾構(gòu)在淺覆蓋透水層正常掘進(jìn)時(shí)，建議泥膜泥漿1 m3配合比為100 kg（膨潤(rùn)土）∶1 000 kg（水），黏度控制在16～20 s，比重控制在1.06～1.08；

2）氣墊艙壓力的設(shè)定應(yīng)綜合考慮切口水壓的上限值、下限值和極限值，通常取上限值與下限值的平均值作為參考；

3）通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)漿流量、排漿流量、掘進(jìn)速度等參數(shù)（其中，進(jìn)、排漿流量最高峰值應(yīng)分別控制在650 m3/h 和750 m3/h左右），確保液位在50%左右波動(dòng)；

4）NFM-07號(hào)、S367號(hào)泥水盾構(gòu)在淺覆土透水砂層中掘進(jìn)的合理參數(shù)建議值為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.0～1.05 r/min和1.4～1.6 r/min，掘進(jìn)速度5～10 mm/min和8～12 mm/min，總推力1 500～1 800 kN和1 100～1 400 kN，刀盤(pán)扭矩2 300～2 800 kN·m和1 900～2 200 kN·m；

5）在盾構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)通過(guò)滾動(dòng)糾偏、豎直方向糾偏、水平方向糾偏等措施，盡量確保盾構(gòu)沿預(yù)期設(shè)計(jì)軸線(xiàn)推進(jìn)。

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Key Technologies for Slurry Shield Crossing Underneath Ganjiang River with Shallow Permeable Cover：Case Study on Line 1 of Nanchang Metro

WANG Mingsheng

（China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China）

During the construction of the running tunnel from Qiushui Square Station to Zhongshanxilu Station on Line 1 of Nanchang Metro，the slurry shield crosses Ganjiang river under shallow permeable cover，which may result in the instability of the excavation face，clogging of the cutter head and difficulty in controlling the shield attitude.In the paper，the control of the stability of the excavation face is analyzed in terms of selection of the slurry parameters，calculation of the water pressure at the cutting edge and control of the shield boring parameters；the clogging of the cutter head is analyzed and it is proposed that the parameters of the slurry should be strictly controlled so as to ensure smooth shield boring；the boring parameters of the first 100 rings（from Ring No.165 to Ring No.265）of NFM-07 shield and S367 shield are analyzed，and parameters are proposed for slurry shield boring under shallow permeable cover.

Nanchang Metro；river-crossing tunnel；slurry shield；shallow permeable cover；excavation face stability；clogging

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.017

U 455.46

A

1672-741X（2015）11-1222-07

2015-06-26；

2015-10-12

王明勝（1976—），男，安徽舒城人，2013年畢業(yè)于南京理工大學(xué)，建筑與土木工程專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事科技創(chuàng)新的開(kāi)發(fā)與管理工作。