高富水大粒徑卵漂石地層中土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)淺析

種鵬飛

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

蘭州在地鐵隧道的埋深范圍內(nèi)，主要地質(zhì)為砂卵石地層，越靠近黃河地區(qū)，卵漂石粒徑越大。蘭州于2013年開始建設(shè)第一條地鐵線路，在四余年間的地鐵隧道建設(shè)過程中，一直伴隨著土壓平衡盾構(gòu)機(jī)如何應(yīng)對高埋深大粒徑強(qiáng)富水砂卵石的磨損性。

本文根據(jù)蘭州地鐵1號線世紀(jì)大道站站-中間風(fēng)井區(qū)間左線土壓平衡盾構(gòu)的施工經(jīng)驗，闡述在高埋深強(qiáng)富水大粒徑卵石地層土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)方法，希望能夠為類似地層的盾構(gòu)選型及掘進(jìn)提供參考。

1 工程概況

1.1 線路概況

[世紀(jì)大道-風(fēng)井區(qū)間]右線為里程YCK10+900.00～YCK 12+028.097，長1 128.097 m。左線里程ZCK10+900.0～ZCK12+028.097，長1 141.701 m（長鏈 13.604 m）。

區(qū)間隧道左右線間距約20.7 m。隧道埋深為11.4～40.4 m，區(qū)間隧道最大縱坡坡度27‰，最小平面曲線半徑450 m（見圖1）。

圖1 世紀(jì)大道-風(fēng)井區(qū)間

1.2 地質(zhì)狀況

[世紀(jì)大道-中間風(fēng)井]區(qū)間隧道穿越地層大部分為全斷面3-11卵石層，始發(fā)段隧道穿越地層為2-10卵石層和3-11卵石層復(fù)合層（見表1）。

表1 卵石顆分成果統(tǒng)計

2-10卵石層：雜色、青灰色。局部夾有薄層或透鏡狀砂層，廣泛分布于河漫灘上部和安寧區(qū)二級階地黃土狀土之下。據(jù)顆分資料及現(xiàn)場調(diào)查，粒徑大于20 mm 的漂石、卵石平均含量占63.5%，一般粒徑20～50 mm，漂石含量較少，最大粒徑為500 mm；粒徑2～20 mm 的圓礫平均含量占12.4；中粗砂充填。

3-11卵石層：灰黃色、青灰色，飽和，局部夾有薄層或透鏡狀砂層，廣泛分布于河漫灘及安寧區(qū)二級階地下部。據(jù)顆分資料及現(xiàn)場勘探，該層粒徑大于20 mm 的漂石、卵石平均含量占64.53%，一般粒徑20～60 mm，漂石含量較少，最大粒徑為500 mm；粒徑2～20 mm 的圓礫平均含量占14.82%；中粗砂充填。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，從渣土斗中隨機(jī)抽取渣土樣品進(jìn)行篩分發(fā)現(xiàn)，該區(qū)間實際的卵石含量和粒徑比地勘報告中的更多、更大，并且大粒徑卵石群隨機(jī)出現(xiàn)，掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)的最大粒徑可達(dá)700 mm。

部分取樣中大卵石及實際掘進(jìn)螺旋機(jī)出土中的較大粒徑卵石（見圖2）。

圖2 卵石渣土樣品

1.3 水文狀況

區(qū)間賦存地下水，地下水類型為潛水。根據(jù)沿線地下水的埋藏形式、含水層及相對隔水層特點，地下水詳細(xì)情況如下：

潛水：水位標(biāo)高為1 522.17～1 534.10 m，水位埋深為3.12～11.65 m，含水層為2-10-3卵石層、2-10-4卵石層、3-11卵石層，該層地下水分布較為連續(xù)，地下水位由北東向南西緩慢降低。主要接受大氣降水、地表水入滲以及黃河水補(bǔ)給，以徑流與地下越流方式排泄。根據(jù)勘察設(shè)計文件并結(jié)合施工實際狀況，該區(qū)間地下水豐富、滲透系數(shù)大（滲透系數(shù)：65～72 m/d）。

2 項目難點及風(fēng)險

（1）根據(jù)世紀(jì)大道站-中間風(fēng)井區(qū)間右線的掘進(jìn)經(jīng)驗，盾構(gòu)在穿越該區(qū)間高埋深強(qiáng)富水大粒徑卵石的過程中，刀具和刀盤的磨損嚴(yán)重，工程期間需頻繁更換刀具，加固刀盤；

（2）該區(qū)間卵漂石最大粒徑為900 mm，超過刀盤及螺旋輸送機(jī)300 mm×500 mm的通過粒徑，大粒徑漂石需在刀盤前方破碎。如刀盤無法及時破碎大粒徑漂石，將造成多個漂石在刀盤前方堆積，造成刀盤啟動扭矩增大，掘進(jìn)緩慢，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致刀盤卡死或無法推進(jìn)；

（3）該區(qū)間的卵漂石顆粒之間膠結(jié)差或基本無膠結(jié)，當(dāng)盾構(gòu)通過時，上方土體經(jīng)刀盤擾動后極易塌落，造成地面沉降；

（4）該區(qū)間盾構(gòu)開挖面位于地下水位線以下，地下水豐富并且?guī)r層滲透率高。造成螺旋輸送機(jī)出碴含水量較大，經(jīng)常性噴涌嚴(yán)重，易從皮帶機(jī)前方倒流至管片拼裝區(qū)域，需花費大量人工及時間清理，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率。

3 盾構(gòu)機(jī)的選型及配置

綜合考慮盾構(gòu)機(jī)各個系統(tǒng)的動力匹配、刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速及驅(qū)動功率儲備、螺旋輸送機(jī)形式以及各個部件的耐磨措施，為使盾構(gòu)機(jī)能實現(xiàn)在該地層下高效掘進(jìn)。項目組最終選定區(qū)間左線采用遼寧三三工業(yè)有限公司（前 加拿大羅威特隧道設(shè)備有限公司）的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）刀盤開口率34%（中心開口率50%），配備33把17英寸單刃滾刀，4把17英寸中心雙聯(lián)滾刀（均可更換為18寸刀圈）；正面刮刀80把，周邊刮刀24把。刀盤開口率與最大刀具布置數(shù)量成反比，對于該區(qū)間的卵漂石地層，34%的刀盤開口率比較適宜。另因為刀盤中心的刀具因其運行半徑較小，因此在其工作時受到的側(cè)向力較大，對滾刀的切削效率、工作壽命均有較大影響，因此要保證刀盤中心開口較大，便于中心部位切削松散后的渣土更快進(jìn)入土艙內(nèi)，避免在刀盤前方堆積，降低中心部位刀具的工作負(fù)擔(dān)。

（2）刀盤正表面布置CAT特種耐磨合金板，側(cè)面布置鑲嵌式耐磨合金條；刀盤布置7個渣土改良注入口，均采用單管單泵的形式；刀盤的耐磨性主要通過兩個方面進(jìn)行控制，一是主體耐磨材料的選擇，二是通過有效的渣土改良系統(tǒng)對土體進(jìn)行改良，降低其磨損性。

（3）刀盤主驅(qū)動為6臺200 kW水冷變頻電機(jī)，刀盤額定扭矩6 300 kNm，額定扭矩轉(zhuǎn)速范圍0～1.8 r/min，最高轉(zhuǎn)速3.2轉(zhuǎn)；脫困扭矩8 300 kNm；在應(yīng)對該區(qū)間的大粒徑卵漂石地層，刀盤動力儲備更足、極限扭矩高、主軸大、扭矩強(qiáng)；在遇到地層突變，扭矩劇烈變化時，刀盤不會出現(xiàn)變形，刀盤開挖系統(tǒng)可靠性高。變頻電機(jī)驅(qū)動具有提供剛性扭矩大，極限扭矩高、低能耗、設(shè)備高效、工作環(huán)境好（噪音小、溫度低），故障低、維修少、檢修方便和減少消耗物資等優(yōu)勢。

（4）螺旋輸送機(jī)內(nèi)徑850 mm，最大通過粒徑300 mm（直徑）×500 mm（長度）；最大推進(jìn)速度200 mm/min。更高的推進(jìn)速度使盾構(gòu)具備快速通過惡劣地層的能力，降低單位時間內(nèi)刀盤對單位長度內(nèi)土體的擾動，有效降低上方巖層塌落，減小地面沉降。

4 掘進(jìn)中遇到的困難

基于該項目具有蘭州地區(qū)地鐵施工以來所面臨的最困難的地質(zhì)條件，遼寧三三盾構(gòu)機(jī)又是第一次在蘭州地區(qū)使用。因此，項目組根據(jù)蘭州地區(qū)以往盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)經(jīng)驗，采用在以往標(biāo)段中已經(jīng)成熟的半倉欠壓掘進(jìn)法進(jìn)行施工。其主要表現(xiàn)為：

（1）根據(jù)過往蘭州地鐵掘進(jìn)經(jīng)驗，刀盤轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1 r/min左右，以避免對土體擾動過大，造成上方土體沉降。

（2）刀盤土艙應(yīng)保持半倉狀態(tài)，并對刀盤周邊注入膨潤土，以減小刀盤扭矩，避免刀盤卡死；然而，在掘進(jìn)初期，盾構(gòu)機(jī)頻繁遭遇螺旋機(jī)卡死，推進(jìn)困難，地面沉降過大等問題。區(qū)間左線最長的脫困周期超過25 d。

5 問題分析及解決方案

針對以上問題，項目領(lǐng)導(dǎo)及工區(qū)盾構(gòu)施工管理人員詳細(xì)分析討論，并提出了相應(yīng)的解決方案：

（1）該區(qū)間卵漂石粒徑較大，最大粒徑超過刀盤及螺旋機(jī)通過粒徑，需要對其進(jìn)行破碎，然后排出。如果采用1 r/min左右的刀盤轉(zhuǎn)速，則滾刀無法形成有效的貫入度對大粒徑的漂石進(jìn)行破碎，從而導(dǎo)致大粒徑漂石在刀盤前方堆積過多滯倉，最終造成刀盤卡死。遼寧三三盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動功率配置較高，其扭矩轉(zhuǎn)速比有較大的富余量，在1.76 r/min的高轉(zhuǎn)速時，仍能提供6 300 kNm的額定扭矩，因此，應(yīng)將刀盤轉(zhuǎn)速提高至1.7 r/min，刀盤扭矩保持在3 500～4 800 kNm范圍內(nèi)。利用刀盤高轉(zhuǎn)速對刀盤前方的大粒徑漂石進(jìn)行破碎，從而避免漂石的堆積，解決刀盤卡死的問題。

（2）該區(qū)間地層自穩(wěn)性差，卵石之間無膠結(jié)。采用半倉掘進(jìn)，容易造成上方土體塌落，從而導(dǎo)致地面產(chǎn)生較大沉降。應(yīng)充分利用遼寧三三盾構(gòu)機(jī)扭矩富余量較大的優(yōu)勢，采取滿倉方式進(jìn)行掘進(jìn)，并嚴(yán)格控制出碴量，減小甚至消除上方土體塌落空間，從而有效控制地面沉降。在采用以上應(yīng)對措施后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)順利，刀盤卡死現(xiàn)象未曾出現(xiàn)。并且，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的提高，漂石破碎效果顯著，掘進(jìn)速度也得以大幅提高。

6 盾構(gòu)機(jī)選型及參數(shù)選擇建議

蘭州地鐵一號線世紀(jì)大道站-中間風(fēng)井區(qū)間左線采用盾構(gòu)法掘進(jìn)的成功經(jīng)驗，對于日后在類似地層下采用盾構(gòu)法施工中的盾構(gòu)選型及掘進(jìn)參數(shù)的選擇有一定的指導(dǎo)意義。從對世紀(jì)大道站-中間風(fēng)井區(qū)間左線完成的過程分析，對于高富水、大粒徑、無膠結(jié)、高強(qiáng)度的卵石地層中盾構(gòu)的選型，建議從以下幾個方面入手。

（1）刀盤驅(qū)動功率。在該區(qū)間中刀盤功率配置的富余量是成功貫通的關(guān)鍵。在大粒徑高強(qiáng)度的卵漂石地層中，要著重注意對超過刀盤及螺旋輸送機(jī)通過粒徑的漂石的破碎，避免其在刀盤前方堆積過多。

（2）刀具的優(yōu)化。滾刀在無膠結(jié)地層中工況較差，松散的土體無法為滾刀提供足夠的啟動扭矩，造成刀具在切削過程中無法有效滾動，從而造成偏磨。因此，針對不同地層，需合理的設(shè)置滾刀啟動扭矩。

（3）刀盤結(jié)構(gòu)與布置。在大粒徑卵石地層中掘進(jìn)，刀盤扭矩始終在4 500～5 500 kNm內(nèi)波動，瞬時最高扭矩達(dá)到7 000 kNm，因此，刀盤需具有較高的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，卵漂石單軸抗壓強(qiáng)度較高，對刀盤及刀具的磨損性較高，因此對刀盤正表面及邊緣的耐磨性也提出更高的要求，避免刀盤在掘進(jìn)過程中提前破損，影響施工進(jìn)度。

（4）推進(jìn)速度。在類似地層中掘進(jìn)，保持一個較高的推進(jìn)速度會對其他幾個關(guān)鍵參數(shù)帶來巨大的正面影響。掘進(jìn)速度越高，單環(huán)的掘進(jìn)時間越短，掘進(jìn)必需的油脂等消耗品的使用量也越小。在本區(qū)間中，單桶HBW最多可支持30環(huán)以上的掘進(jìn)。另外，掘進(jìn)速度的提高也可大幅提高刀具的使用壽命，在本區(qū)間中的換刀距離最高為546 m。蘭州地鐵一號線世紀(jì)大道站-中間風(fēng)井區(qū)間左線地層較為特殊，特別是在高埋深強(qiáng)富水條件下需要帶壓進(jìn)倉。在蘭州地鐵建設(shè)中成功解決砂卵石地層的經(jīng)典案例較多，理念多有不同，此處僅通過介紹蘭州地鐵一號線世紀(jì)大道站-中間風(fēng)井區(qū)間左線的掘進(jìn)施工情況，為業(yè)內(nèi)同仁在遇到高埋深強(qiáng)富水大粒徑卵石時提供參考。

7 結(jié)語

在蘭州地鐵 1 號線施工過程中，根據(jù)地質(zhì)條件的變化及盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)，實時調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，對大粒徑卵石進(jìn)行破碎并快速排出，有效改善了因為漂石堆積導(dǎo)致刀盤卡死現(xiàn)象的發(fā)生，提高掘進(jìn)效率。在自穩(wěn)性差的卵石地層中應(yīng)采用滿倉掘進(jìn)，嚴(yán)格控制出渣量，消除了掌子面坍塌的風(fēng)險，有效地控制了地面沉降。該工程的實施經(jīng)驗對高富水大粒徑砂卵石地層的盾構(gòu)施工具有較好的借鑒意義，拓展了土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍。