砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)淺談

柳成銘（甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢有限公司；甘肅蘭州730000）

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砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)淺談

柳成銘
（甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢有限公司；甘肅蘭州730000）

摘要：隨著地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在全國(guó)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但伴隨而來的卻是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇到的地質(zhì)情況越來越復(fù)雜，如果土壓平衡盾構(gòu)施工過程中不能進(jìn)行很好的控制，極可能對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，造成嚴(yán)重的后果和不良社會(huì)影響。蘭州軌道1號(hào)線土門墩～西客站區(qū)間在掘進(jìn)施工過程中采用“泡沫劑+膨潤(rùn)土+保壓”掘進(jìn)技術(shù)，有效地解決了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中造成地表及建構(gòu)筑物沉降過大、刀盤及螺旋機(jī)卡死、刀具磨損過大、刀盤扭矩及盾構(gòu)機(jī)推力過大等問題，確保了該區(qū)間一次性順利完成掘進(jìn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；泡沫劑；膨潤(rùn)土；保壓；砂卵石層

1　概述

蘭州地鐵的地質(zhì)條件是中國(guó)也是世界上目前碰到的最復(fù)雜最不利的全斷面卵石地層：卵石含量特高、石英含量特多、水壓大、卵石地層含水自立性差，不明人防孔洞較多，地勘孔不穩(wěn)定性高。如果在土壓平衡盾構(gòu)施工過程中不能進(jìn)行很好的控制，將會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)推力及刀盤扭矩超限跳停，甚至刀盤及螺旋機(jī)卡死等嚴(yán)重問題，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法正常掘進(jìn)，造成開挖面失穩(wěn)，影響周圍地面建構(gòu)筑物、地下管線及隧道本身的正常使用。

本區(qū)間盾構(gòu)主要穿越地層為2～10卵石層，其特性為青灰色～雜色，亞圓形，粒徑20～40mm的顆粒約占10%～20%，粒徑40～60mm的顆粒約占15% ～30%，粒徑大于60mm的顆粒含量約占20%～30%，最大粒徑可達(dá)70cm，級(jí)配不良，磨圓度較好，球度差，主要成分為石英巖、花崗巖、花崗片麻巖等硬質(zhì)巖石，砂土充填，上部粒徑較小，含砂量較大，隨深度增加粒徑增大，密實(shí)度提高，夾漂石。場(chǎng)區(qū)地下水潛水位埋深15.00～18.70m，砂卵石層是主要的含水層，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，卵石層厚度大于200m。

2　砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施

由于該地層卵石含量高、卵石粒徑分布不均，開挖掌子面土體自立性極差，在掘進(jìn)過程中極易造成刀盤及螺旋機(jī)卡死、刀具磨損嚴(yán)重等問題。為了避免卡機(jī)或者換刀事件發(fā)生，在掘進(jìn)施工控制過程中采用“泡沫劑+膨潤(rùn)土+欠壓”掘進(jìn)技術(shù)，能有效的改良盾構(gòu)工作面土體，在掘進(jìn)過程中還能有效地預(yù)防和控制噴涌現(xiàn)象，同時(shí)達(dá)到保護(hù)刀盤、刀具的目的。

2.1僅注入泡沫劑進(jìn)行渣土改良

泡沫劑在盾構(gòu)掘進(jìn)中的作用：

1)加注泡沫劑能減少刀盤與土體的摩擦，降低扭矩，降低刀盤所需的驅(qū)動(dòng)功率。

2)減少刀具的磨損和堵塞，起到一定潤(rùn)滑和冷卻作用，同時(shí)還可以減小對(duì)盾構(gòu)機(jī)排渣系統(tǒng)中易損件的磨損。

3)泡沫劑的持續(xù)加注能保證土倉(cāng)內(nèi)的土壓力，提高隧道開挖面的穩(wěn)定性,同時(shí)也可防止水從土壤疏松的地方滲入。

土西區(qū)間右線在+1環(huán)～+50環(huán)掘進(jìn)過程中，利用泡沫劑進(jìn)行渣土改良，泡沫參數(shù)：原液配合比2.0～3.5，流量400L/min，發(fā)泡率13～15，4根管路注入，原液用量每環(huán)約100L。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加注泡沫劑后，能大大降低刀盤的扭矩、提高掘進(jìn)速率。但是泡沫劑在砂卵石地層中極易帶走細(xì)砂粒，大量卵石沉積在土倉(cāng)并板結(jié)，造成土倉(cāng)內(nèi)下部土壓傳感器土壓值持續(xù)升高，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)刀盤卡死。

（1）問題描述。在正常推進(jìn)完成第29環(huán)后進(jìn)行管片拼裝，第30環(huán)推進(jìn)時(shí)刀盤扭矩過高跳停，只能左右旋轉(zhuǎn)5°。

（2）處理措施。螺旋機(jī)高速出土，將倉(cāng)內(nèi)可排渣土出空。

土倉(cāng)壁接同步注漿管路，利用同步注漿泵向土倉(cāng)沖注高濃度膨潤(rùn)土。

待倉(cāng)內(nèi)壓力維持穩(wěn)定0bar后，開人倉(cāng)門，利用高壓水槍通過人倉(cāng)門自上而下將成拱卵石沖刷至土倉(cāng)底部，同時(shí)螺旋機(jī)繼續(xù)出土，最終將土倉(cāng)出空。多次正反轉(zhuǎn)刀盤后，正常啟動(dòng)。

3）原因分析。由于該地質(zhì)卵石含量極高且大粒徑卵石較多，在掘進(jìn)過程中泡沫劑帶走大量細(xì)砂粒，土倉(cāng)內(nèi)大量卵石堆積成拱，形成較為致密的卵石骨架結(jié)構(gòu)，以致刀盤不能旋轉(zhuǎn)。

2．2僅注入膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良

膨潤(rùn)土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。土壓平衡式盾構(gòu)施工對(duì)加入的膨潤(rùn)土泥漿的一個(gè)基本要求就是它能夠形成“濾餅”，可以形成于土粒內(nèi)部和土粒之間，由膠結(jié)和固結(jié)的膨潤(rùn)土組成。這個(gè)“濾餅”可以演變?yōu)橐粋€(gè)低滲透性的薄膜，從而可以將過量的地下水壓力中的液體壓力轉(zhuǎn)化為土顆粒和土顆粒之間的有效應(yīng)力，這對(duì)穩(wěn)定地層防止推進(jìn)中的地面塌陷至關(guān)重要。

土西區(qū)間+100～+150環(huán)在掘進(jìn)過程中注入膨潤(rùn)土漿液，漿液采用水：膨潤(rùn)土為1:0.2的質(zhì)量配合比拌制，膨化時(shí)間為24h；膨潤(rùn)土膨化后比重為1.08，粘度為23s，注入率120L/min。由于掘進(jìn)時(shí)膨潤(rùn)土注入到掌子面的流量有限，不能完全對(duì)刀盤前方土體進(jìn)行改良，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中推力和扭矩非常大甚至刀盤跳停，推進(jìn)速度極為緩慢，甚至低至10mm以內(nèi)。因掘進(jìn)速度緩慢，刀盤長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)地層擾動(dòng)極大，易造成地面及周邊建構(gòu)筑物沉降變形。

2．3用膨潤(rùn)土+泡沫劑進(jìn)行渣土改良，同時(shí)保壓掘進(jìn)

綜合前150環(huán)的渣土改良經(jīng)驗(yàn)，+151～+200環(huán)改良劑調(diào)整為膨潤(rùn)土+泡沫劑的混合漿液，膨潤(rùn)土和泡沫劑漿液的配合比維持不變。此段埋深約14m，掘進(jìn)過程中土倉(cāng)上部土壓保持在1.0bar左右。掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　155～200環(huán)質(zhì)構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

采用飽壓參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，導(dǎo)致刀盤扭矩過高，掘進(jìn)速度較慢，盾構(gòu)推力隨著環(huán)數(shù)增加持續(xù)升高。在此地層中，本參數(shù)掘進(jìn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具磨損將極其嚴(yán)重。土倉(cāng)內(nèi)壓力過大，出渣時(shí)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，閘門無法全開，螺旋機(jī)只能低速轉(zhuǎn)動(dòng)，大量卵石堆積在土倉(cāng)和螺旋機(jī)內(nèi)，經(jīng)常造成刀盤和螺旋機(jī)卡死，對(duì)地面上建構(gòu)筑物和地下管線影響非常大。

2．4用膨潤(rùn)土+泡沫劑進(jìn)行渣土改良，同時(shí)欠壓掘進(jìn)

綜合前200環(huán)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，掘進(jìn)參數(shù)不斷改良優(yōu)化，最終形成參數(shù)為：膨潤(rùn)土漿液采用水：膨潤(rùn)土為1:0.2的質(zhì)量配合比拌制，膨化時(shí)間為24h；膨潤(rùn)土膨化后比重為1.08，粘度為23s，注入率80L/min。泡沫參數(shù)：原液配合比3.0～3.5，流量200L/min，發(fā)泡率13～15，4根管路注入，原液用量每環(huán)約30～40L。土壓降低至理論土壓的60%～70%左右。利用該渣土改良方法后，部分掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　205～250環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

經(jīng)過渣土改良和土壓參數(shù)優(yōu)化后，盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩和總推力大幅度較小，掘進(jìn)速度增加，因螺旋機(jī)能高速旋轉(zhuǎn)并順利出渣，從而避免了螺旋機(jī)和刀盤卡死風(fēng)險(xiǎn)；每環(huán)渣土采用稱重措施，確保每環(huán)出土量數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。同步注漿量為5.7m3（150%）以上，施工過程中每環(huán)注入量為6～7.5m3。

渣土改良以泡沫、膨潤(rùn)土組合方式進(jìn)行渣土改良。膨潤(rùn)土具有膨潤(rùn)性、粘結(jié)性、吸附性、催化性、觸變性、懸浮性以及陽(yáng)離子交換性等，使其能夠滲透進(jìn)入砂礫層，潤(rùn)滑并包裹砂礫，使砂礫具有良好的塑流性。膨潤(rùn)土+泡沫劑混合液能起到潤(rùn)滑土體和使松散的土體聚合在一起，使之具有良好的和易性，便于螺旋機(jī)出土順暢，刀盤扭矩減小。

在掘進(jìn)過程中膨潤(rùn)土漿液采用水：膨潤(rùn)土為1: 0.2的配合比拌制，膨化時(shí)間為24h；膨潤(rùn)土膨化后比重為1.08，粘度為23s。在掘進(jìn)過程中如遇地層含水量較大出渣較稀導(dǎo)致螺旋機(jī)噴涌時(shí)，通過聚合物注入系統(tǒng)向土倉(cāng)壁和螺旋機(jī)胴體加注濃度為3‰的高分子聚合物混合液。

3　結(jié)語(yǔ)

目前在世界發(fā)展的趨勢(shì)下，當(dāng)今中國(guó)已把地下空間開發(fā)利用作為解決城市人口、環(huán)境、資源三大危機(jī)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。蘭州市軌道交通1號(hào)線一期砂卵石地層地鐵隧道施工中,通過分析地質(zhì)特征、調(diào)研掘進(jìn)參數(shù)、優(yōu)化施工方案,成功地采用盾構(gòu)法施工,保證了盾構(gòu)機(jī)安全、連續(xù)、快速的推進(jìn),順利通過了各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),解決了工程項(xiàng)目中的難題,提高了工程質(zhì)量,有效地降低了工程造價(jià),并為砂卵石地層地質(zhì)條件下盾構(gòu)法地鐵隧道施工提供一定的參考價(jià)值。

中圖分類號(hào)：TQ639.2