富水砂層盾構(gòu)施工技術(shù)探討

常心毅

（中鐵十八局集團有限公司第三工程有限公司，河北涿州072750）

富水砂層盾構(gòu)施工技術(shù)探討

常心毅

（中鐵十八局集團有限公司第三工程有限公司，河北涿州072750）

盾構(gòu)在富水砂層中施工，除存在較大的施工風(fēng)險外，還會遇到眾多的施工難點。文章以南昌地鐵為例，從盾構(gòu)的選型與性能設(shè)計、掘進參數(shù)的合理選擇、渣土改良方案比選與實施等方面介紹富水砂層中土壓平衡盾構(gòu)施工的一些關(guān)鍵技術(shù)，為類似施工提供參考。

地鐵；盾構(gòu)選型；富水砂層；施工技術(shù)

1 工程概況

南昌地鐵1號線6標(biāo)彭家橋站—師大南路站區(qū)間盾構(gòu)施工，由2臺中國鐵建重工集團有限公司生產(chǎn)的ZTE6250型土壓平衡盾構(gòu)承擔(dān)施工任務(wù)，由彭家橋站始發(fā)沿北京路向西下穿玉帶河及彭家橋（圖1），玉帶河寬約60 m，平均水深1.5 m。位于玉帶河上的彭家橋為建于上世紀(jì)五十年代末的石拱橋，橋墩為漿砌塊。玉帶河橋臺下部橋基礎(chǔ)底標(biāo)高為12.2 m，基礎(chǔ)底距隧道頂僅4.7 m。

圖1 玉帶河及彭家橋

隧道主要穿越粗砂、砂礫、圓礫層，部分卵石層且在水位以下，飽和狀態(tài)，富水性好，為強滲透性，在一定動水壓力下，各類砂礫石層均具有產(chǎn)生流砂的可能。

2 盾構(gòu)選型

盾構(gòu)機選型原則：主要在工程及水文地質(zhì)、區(qū)間隧道設(shè)計及施工條件、環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外已有的類似盾構(gòu)工程經(jīng)驗，特別是同一地區(qū)盾構(gòu)隧道工程的經(jīng)驗，遵循安全可靠、適用、經(jīng)濟、先進、環(huán)保的原則來選型。

通常滲透系數(shù)大于10-7m/s 時，選用泥水盾構(gòu)；滲透系數(shù)小于10-4m/s 時，選用土壓平衡盾構(gòu)。根據(jù)這種關(guān)系，若地層以各種級配富水的砂層、礫砂為主時，宜選擇泥水平衡盾構(gòu)，其他地層的組合宜選擇土壓平衡盾構(gòu)，見圖2。

土壓平衡技術(shù)（EPB 盾構(gòu)）適合在含有足夠的細(xì)顆粒軟土地層里開挖隧道，土倉和螺旋輸送機里的混合土應(yīng)呈現(xiàn)塑性，比較理想的顆粒尺寸的地層包括粘土、淤泥、砂以及礫石等，并且含有25%～30% 的水分。在細(xì)顆粒較少的富水砂礫地層，配備必要的渣土改良系統(tǒng)，充分改良渣土使其具有良好的的流塑性，以滿足土壓平衡盾構(gòu)施工的需要。

考慮到本工程的周邊環(huán)境，不宜采用泥水盾構(gòu)。經(jīng)綜合考慮，選擇2臺配備良好的渣土改良系統(tǒng)及具有防噴涌措施的土壓平衡盾構(gòu)以完成本工程施工。

圖2 盾構(gòu)選型與地質(zhì)關(guān)系

3 針對性設(shè)計

（1）刀盤。采用輻板式刀盤，刀盤開口率36%，刀盤泡沫噴嘴6路，能適應(yīng)多種地層，刀盤裝有刀具磨損檢測裝置，其中，靠近中心滾刀處泡沫噴嘴2路，可有效控制泥餅的生成；刀盤周邊及面板焊有 hardox 耐磨鋼板，以提高刀盤的耐磨性；刀座、刀具體焊有耐磨焊，以提高其耐磨性。

（2）刀具。刀具布置有切刀、貝殼刀、周邊刮刀、滾刀（齒刀）。滾刀刀高175 mm，切刀刀高140 mm，滾刀與齒刀根據(jù)地質(zhì)情況可互換，不同刀具在配置時設(shè)有一定的高差以有效控制泥餅的形成。刀盤中心位置可配置成滾刀結(jié)構(gòu)，也可配置成魚尾刀形式，以滿足不同地層的需要。

（3）主驅(qū)動、推進、鉸接系統(tǒng)。主驅(qū)動采用132 kW×6電機驅(qū)動，功率儲備大，額定扭矩為 5700kN·m，脫困扭矩為6300 kN·m。推進系統(tǒng)采用20組單雙缸布置，額定推力34212 kN（300 bar），最大推力39914 kN（350 bar）。鉸接系統(tǒng)采用獨立的液壓系統(tǒng)控制，以提高盾尾的脫困能力。

（4）盾構(gòu)密封系統(tǒng)。主驅(qū)動密封設(shè)計壓力4.5 bar，額定工作壓力3 bar。盾尾密封油脂注入通道為6處12路，以使油脂注入更加均勻?；剞D(zhuǎn)接頭設(shè)計為6通道泡沫＋6通道液壓＋6通道電氣形式，內(nèi)部密封采用特殊的旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計。

（5）渣土改良系統(tǒng)。泡沫系統(tǒng)采用獨立控制的專利技術(shù)，6路泡沫的壓力流量單獨控制。膨潤土系統(tǒng)采用2臺可無極調(diào)速的擠壓式膨潤土注入泵，單臺擠壓泵流量最大可設(shè)置為10 m?/h，以保證高黏度膨潤土泥漿注入刀盤或土倉，滿足渣土改良需要。

（6）螺旋機。螺旋機采用有軸式后部驅(qū)動設(shè)計，螺旋軸可伸縮，螺旋機筒體的前、中、后部設(shè)有檢查口以利于故障排除，螺旋輸送機預(yù)留保壓泵接口以滿足必要時安裝保壓泵。

（7）壓縮空氣系統(tǒng)。設(shè)備配有2臺螺桿空壓機，容積流量3.4 m3/min，額定壓力8 bar。另外，此設(shè)備還裝有2套自動保壓系統(tǒng)，施工中投入1套，另1套作為備用。

（8）超前注漿、二次注漿。沿中盾殼體分布有14個超前注漿管預(yù)留口，通徑為 DN100，用以超前加固地層。5號臺車上設(shè)有二次注漿系統(tǒng)，可在盾構(gòu)推進的同時，對脫出盾尾的管片根據(jù)需要進行二次注漿。

4 掘進參數(shù)選擇

對于隧道埋深相對較淺的土層，盾構(gòu)土倉壓力P1按公式（1）計算：

式（1）中，β為經(jīng)驗系數(shù)值、γ為水的容重、h為隧道埋深、γ砂為砂的浮容重、h砂為砂層厚度。

根據(jù)不同地段的隧道埋深及類似地層的施工經(jīng)驗，在理論計算的基礎(chǔ)上，推進過程中盾構(gòu)土倉壓力可在0.01～0.02 MPa 中間選取，并根據(jù)施工的具體參數(shù)及地面沉降的檢測數(shù)據(jù)及時修正土倉壓力大小。在掘進中土倉壓力的調(diào)整要兼顧推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度等參數(shù)合理匹配，砂層中掘進刀盤轉(zhuǎn)速過快易加大對低層的擾動，增加掌子面塌陷、超挖、地表沉降的風(fēng)險，通常刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.8～1.2 rpm。刀盤扭矩受地質(zhì)變化影響較大，還與刀盤的結(jié)構(gòu)形式、刀具的布置等因素有很大關(guān)系。砂層中掘進應(yīng)選擇相對較大的開口率及合理的刀具配置，刀具配置過多會增加刀盤的扭矩，如，彭家橋站左線盾構(gòu)始發(fā)時，始發(fā)后刀盤扭矩較大，推進速度較慢，其刀具配置如圖3、表1所示。彭家橋站右線盾構(gòu)始發(fā)時，減少了盾構(gòu)機刀具配置，在推進過程中盾構(gòu)機刀盤扭矩明顯降低很多，其刀具配置如圖4、表2所示。

由表1、表2中可以看出，在刀盤結(jié)構(gòu)一定的情況下，合理選擇刀具的配置，可以減小刀盤扭矩，提高推進速度。推進速度、扭矩、推力在掘進過程中要動態(tài)調(diào)控，加強渣土改良工作，提高渣土的流塑性，為此，刀盤上配有6路泡沫，其中外周1路、中間部位3路、內(nèi)周2路，在掘進中向刀盤外周及內(nèi)周同時注入2路膨潤土，可使刀盤扭矩下降200～400 kN·m。在保證刀盤注入膨潤土的同時，再向土倉適當(dāng)注入1路膨潤土，可進一步增加渣土的流塑性，以降低螺旋機扭矩以及在富水砂層中抑制噴涌發(fā)生。

圖3 原刀盤刀具配置

圖4 調(diào)整后刀盤刀具配置

表1 第1臺盾構(gòu)部分掘進參數(shù)

表2 第2臺盾構(gòu)部分掘進參數(shù)

5 盾構(gòu)穿越古橋與河流

5.1 加固措施

由于彭家橋為條石橋基且無資料可查，河底隧道覆土較淺僅為4.7 m，為確保彭家橋及盾構(gòu)施工的安全，對彭家橋做了加固處理。

（1）利用沙袋做圍堰，將河水分流為一拱流水，另一拱加固處理，在隧道沉降影響范圍對內(nèi)土體及橋基礎(chǔ)進行雙液靜壓注漿，加固到隧道頂部2 m、橋基兩側(cè)3.5 m、橋基外側(cè)2 m、注漿角度為20°，以提高橋基底部土體承載能力（圖5）。

（2）在盾構(gòu)穿越影響范圍內(nèi)（40.2 m 寬）河床澆注30 cm 厚鋼筋混凝土進行固結(jié)處理。在彭家橋基礎(chǔ)及橋臺布設(shè)預(yù)埋袖閥管，盾構(gòu)下穿過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行袖閥管跟蹤注漿。為保證彭家橋的整體性與穩(wěn)定性，在盾構(gòu)穿越前用滿堂支架將整個彭家橋拱圈支撐起來，這樣可有效避免沉降過大時發(fā)生橋倒塌事故（圖6）。

5.2 施工措施與掘進控制

在盾構(gòu)到達彭家橋橋基下方的前50 m 時，根據(jù)試掘進的參數(shù)匯總及掘進沉降數(shù)據(jù)，確定合理的過河掘進參數(shù)，并通過這50 m 的掘進進一步核實掘進參數(shù)的合理性。

（1）在盾構(gòu)穿越橋基50 m 前，盾構(gòu)機全面維修保養(yǎng)，尤其是注漿系統(tǒng)，要保證注漿管路的暢通，保證二次注漿設(shè)備能夠即時啟用且備足二次注漿材料；泡沫、膨潤土系統(tǒng)保證完好且無堵塞現(xiàn)象，保證刀盤膨潤土注入管路的暢通；檢查保養(yǎng)油脂系統(tǒng)，備足優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，鉸接的盾尾油脂注入必須完好且足量注入盾尾油脂；保證聚合物注入系統(tǒng)的完好達到可即時啟用。

（2）盾構(gòu)過彭家橋期間將道路臨時封閉，增加監(jiān)測頻率，派人24 h 巡查，確保信息暢通，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。

（3）刀盤轉(zhuǎn)速采用0.9～1.0 rpm（盡量減少對橋基下土體擾動），掘進速度控制在20～30 mm/min，總推力控制在1200～1500 t，刀盤扭矩控制在3500 kN·m以下，土倉內(nèi)左、右、下部土壓控制在0.15～0.25 MPa；土壓力隨掘進刀盤所處的實際埋深進行微調(diào)，但不能調(diào)整過大，以保證土壓力的均衡性；注漿流量為100～140 L/min；優(yōu)先采用上部注漿管注漿，注漿管壓力0.15～0.20 MPa，不超過0.25 MPa；根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及時對脫出盾尾后的管片進行二次注漿，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa；盾尾油脂的注入量每環(huán)不低于40 kg。

圖5 橋基靜壓注漿及隧道管片環(huán)號

圖6 滿堂支架支撐橋拱

（4）嚴(yán)格控制出土量。每環(huán)理論出土量為37.15 m3，控制實際出土量不超過42 m3，在精確計量渣土方量的同時，測量渣土的密度，利用龍門吊的稱重裝置計量渣土重量，以進一步精確計量渣土確保不會超挖。

（5）管片拼裝后，及時復(fù)緊上一環(huán)的管片螺栓，此外，對脫出盾尾后第4環(huán)的管片還要再次復(fù)緊；控制盾構(gòu)姿態(tài)，盡可能減少糾偏，糾偏時每環(huán)不超過5 mm，合理選擇拼裝點位保證盾尾間隙的合理與均勻。

（6）制定專項應(yīng)急預(yù)案，領(lǐng)導(dǎo)24 h 值班，加強施工監(jiān)測，測量結(jié)果及時上報領(lǐng)導(dǎo)及土建工程師、主司機以進一步指導(dǎo)掘進施工。

6 結(jié)束語

盾構(gòu)二次穿越玉帶河時間相隔1個月，第1次穿越彭家橋橋面累計最大沉降 -5.6mm，第2次穿越橋面累計最大沉降 -7.8mm；在2臺盾構(gòu)順利穿越之后，對橋梁進行了全面的檢查、測量，結(jié)果表明橋梁滿足繼續(xù)安全使用。

[1] 陳克濟. 地鐵工程施工技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2014.

[2] 陳饋，洪開榮，吳學(xué)松. 盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3] 葉耀東，琚娟，王如路，等. 盾構(gòu)穿越運營地鐵隧道施工技術(shù)探討[J]. 施工技術(shù)，2005（12）.

[4] 秦建設(shè). 盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)事故分析[J]. 浙江建筑，2005（10）：48-50.

[5] 劉志剛. 隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2001.

責(zé)任編輯 朱開明

Discussion on Construction Technology of Shield in Water Rich Sand Layer

Chang Xinyi

The shield construction in water rich sand layer, in addition to the presence of construction risk, will also encounter lots of difficulties during construction. Taking Nanchang metro as an example, the paper discuses the selection of shield and performance design, choosing of tunneling parameters, soil and muck improvement schemes and other aspects of the implementation to introduce some of the key technology of the earth pressure balance shield construction in the water rich sand layer, providing reference for similar construction.

metro, shield selection, water rich sand layer, construction technology

常心毅（1965—）男，工程師

2016-06-28

U455.43