超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機在半膠結(jié)粉質(zhì)粘土地層掘進參數(shù)的研究

吳志輝 羅得彬 姚利軍

摘要：科學(xué)、合理、適應(yīng)的盾構(gòu)機掘進參數(shù)的設(shè)計對盾構(gòu)機高效、安全運行有至關(guān)重要的作用，掘進參數(shù)的設(shè)置也是國內(nèi)盾構(gòu)施工的重要研究課題。本文以印尼雅萬高鐵1號隧道泥水平衡盾構(gòu)機在掘進過程中的實際參數(shù)設(shè)置為例。通過研究比較泥水平衡盾構(gòu)機在半膠結(jié)粉質(zhì)粘土地層盾構(gòu)機掘進參數(shù)與目前盾構(gòu)機理論掘進參數(shù)的聯(lián)系與區(qū)別，以期為同類地層盾構(gòu)機掘進參數(shù)設(shè)計提供應(yīng)用依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泥水平衡盾構(gòu)機、參數(shù)、計算、切口壓力、注漿量、油脂消耗、速度和總推力、粘 度

1.前言：

盾構(gòu)法施工自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響，施工安全、高效、環(huán)保、對地層擾動小在地鐵和高鐵隧道施工中，特別是在特殊、復(fù)雜地層的應(yīng)用越來越重要。隨著國內(nèi)外地鐵、高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)盾構(gòu)機制造業(yè)也積極發(fā)展，各盾構(gòu)機應(yīng)用的施工單位也大力開展盾構(gòu)機掘進參數(shù)的研究。

2.工程概況

雅萬高鐵1號隧道為我國首條海外施工高鐵隧道，位于雅加達市區(qū)，距高鐵Halim車站約2.5km，分為進口明挖段、盾構(gòu)隧道及出口明挖段。設(shè)計為單洞雙線隧道，全長1885m，其中盾構(gòu)段起訖里程為DIK2+770.5～DIK4+239.5，盾構(gòu)隧道全長1469m。盾構(gòu)隧道為單洞雙向通車設(shè)計，軌下采用預(yù)制箱涵，兩側(cè)現(xiàn)澆混泥土，隧道采用鋼筋砼管片襯砌，每環(huán)管片沿環(huán)向分為9塊，采用6+2+1形式（6塊標(biāo)準塊，2塊鄰接塊，1塊封頂塊）。襯砌環(huán)為雙面楔形通用環(huán)，楔形量根據(jù)曲線半徑R=1400m計算后綜合確定，楔形量為40mm。管片均采用錯縫拼裝。鋼筋混凝土管片設(shè)計強度為C50，抗?jié)B等級P12。

隧道埋深 沿線范圍內(nèi)地層表層覆蓋第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Qml）雜填土，第四系更新統(tǒng)沖洪積層（Qav）粘土、粉質(zhì)黏砂類土、細圓礫土為主，局部具半膠結(jié)作用。

地下水類型主要為第四系孔隙潛水和承壓水?？紫稘撍饕看髿饨邓a給，地下水埋深0.30～7.80m（高程10.78～18.01m），水位變幅一般為2～3m。第一層承壓水以粘土、粉質(zhì)粘土等黏性土層為相對隔水頂板，頂板埋深約10.0～21.3m（高程5.69～-3.87m），隔水底板埋深約18.1～34.7m（高程0.13～-15.23m），承壓水主要賦存于細砂及細圓礫土中。第二層承壓水以粘土、粉質(zhì)粘土等黏性土層為相對隔水頂板，頂板埋深約37.5～48.7m（高程-24.54～-25.12），隔水底板埋深約40.6～50.0m（高程-27.67～-30.36m），承壓水主要賦存于粉土、粉砂、細砂中。

3.盾構(gòu)機掘進參數(shù)研究方向

印尼雅萬高鐵1號隧道盾構(gòu)法施工采用中交天和的THDJ-17218泥水平衡盾構(gòu)機。挖掘直徑： 13230mm;動力： 250kW×6P×12臺 （max.16臺）;扭矩：作業(yè)時（100%）45Hz 28649kNm（α=12.5），最大：（130%） 90Hz 37244kNm（α=16.2）;總長（含后配套）：96340mm;刀盤到盾尾總長：13540mm;盾構(gòu)外殼總長：12530mm;

隧道內(nèi)軌頂面埋深約為5.0～24.0m，盾構(gòu)機主要在半膠結(jié)粉質(zhì)粘土地層施工，整條隧道主要布置在空隙潛水層及第一、第二層層壓水層之間，地下水豐富。地下水、巖性、富水粉細砂層、膨脹土，地質(zhì)水條件復(fù)雜容易造成涌水、涌砂，掘進與出渣困難，盾構(gòu)機姿態(tài)、表形態(tài)難以控制。主要研究的方向： 1、切口水壓設(shè)定及對地下水的阻攔及地表沉降的控制。

2、掘進速度的設(shè)定。3、同步注漿量的計算。4盾尾油脂消耗量計算。5、泥漿參數(shù)對泥水?dāng)y渣能力的影響。

3.1切口水壓設(shè)定及對地下水的阻攔及地表沉降的控制

目前工程實際應(yīng)用中多以隧道頂部埋深折算水柱高度設(shè)定開口水壓是最為簡易的辦法，在地層結(jié)構(gòu)簡單單一的地區(qū)施工也有相當(dāng)指導(dǎo)作用。部分項目考慮地下水壓力、靜止土壓力、變動土壓力等，再有乘以一個主觀因數(shù)很強的1.1～1.2的修正系數(shù)作為最終的切口壓力設(shè)定，這種計算方式復(fù)雜，主觀因數(shù)較強，地下地質(zhì)水文條件復(fù)雜多變，計算出的切口水壓指導(dǎo)掘進施工存在一定的局限性。

切口水壓最終作用是保證刀盤開挖面所在的泥水倉保持一定的壓力，阻擋地下水滲透至土倉，防止地面沉降。地表水的滲透通過排漿密度可以有準確的判斷，停機狀態(tài)下氣墊倉水位的升降也能對地下水的滲透情況得到詳細準確的數(shù)據(jù)。地面的沉降通過測量的檢測也有準確的數(shù)據(jù)。本文以盾構(gòu)機泥水頂部壓力傳感位置埋設(shè)通過折算水柱高度得出的數(shù)據(jù)，結(jié)合地下水的滲透及地表沉降情況，最終得到切口水壓數(shù)據(jù)作為盾構(gòu)機泥水倉頂部壓力傳感控制數(shù)據(jù)，在印尼雅萬高鐵1號隧道的實際施工過程中順利指導(dǎo)掘進施工。

在雅萬高鐵1號隧道試驗掘進40米為例，此時盾構(gòu)機泥水倉頂部壓力傳感器埋深21米，折算水柱壓力為：

p=ρ×g× h

p是壓強

ρ是液體密度，水的密度為1×10^3kg/m^3

g是重力加速度取9.8 N/kg，h是取壓點到液面高度

p=ρ×g× h=1000×9.8×21=2.0bar，

在掘進的過程中，進漿比重為1.1g/m3，排漿比重為1.15 g/m3，進漿黏度60s，排漿黏度21s，泥漿攜渣能力急劇下降，膨潤土消耗量巨大，明顯有地下水滲透。掘進完成后在拼裝管片期間氣墊倉水位上升每分鐘2cm。地表監(jiān)測無沉降和上隆。再后面幾環(huán)的掘進過程中，適當(dāng)逐步提高頂部壓力傳感器壓力。排漿黏度逐步上升、停機狀態(tài)下氣墊倉水位上升趨勢明顯減緩。后續(xù)掘進過程中根據(jù)埋深適當(dāng)提高頂部壓力壓力傳感器壓力0.1-0.2bar，掘進順利進行。

地下地質(zhì)水文情況復(fù)雜多變，沒有兩條地質(zhì)情況完全相同的泥水盾構(gòu)機掘進隧道。以埋深折算水壓為基礎(chǔ)，以泥漿黏度、比重、氣墊倉水位升降情況及地表沉降實際數(shù)據(jù)為判斷依據(jù)，在盾構(gòu)試驗掘進過程中記錄詳細數(shù)據(jù)，為后面正式掘進參數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)是切實可行符合施工實際的辦法。

3.2掘進速度及總推力的設(shè)定

過快的掘進速度會導(dǎo)致刀盤對土體的擾動較大，容易造成地面沉降。并且為了提高掘進速度，勢必會增大刀盤的轉(zhuǎn)速加大總推力，不利于降低刀盤的磨損，容易造成管片的破損，提高了盾構(gòu)機姿態(tài)控制的難度。過慢的推進速度又降低了施工效率。在前期的試驗掘進階段及風(fēng)險系數(shù)較高的推進階段，可以適當(dāng)降低推進速度。印尼雅萬高鐵1號隧道半膠結(jié)粉質(zhì)粘土地層中的正常掘進速度37mm/min，掘進1467米出洞無換刀，順利穿越高速公里及立交橋。

印尼雅萬高鐵1號隧道使用的中交天和泥水平衡盾構(gòu)機?？偼屏Γ?75000kN，盾構(gòu)千斤頂：3500 kN×50根.（25組）。盾構(gòu)機總推力參數(shù)的設(shè)定對盾構(gòu)機掘進速度、刀盤扭矩、管片和刀盤刀具的保護都有直接影響。始發(fā)階段，總推力還要考慮反力架可以承受的最大推力，盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎過程中適當(dāng)降低總推力避免造成管片破損?？偼屏?shù)的設(shè)定既要滿足掘進速度的要求也要考慮施工實際情況，是一個相當(dāng)重要的參數(shù)。

總推力=泥水倉壓力×盾構(gòu)截面積+盾構(gòu)盾體表面積×土體摩擦系數(shù)+盾尾刷與管片的摩擦力+拖車及喂片機牽引力

3.3同步注漿量的計算

印尼雅萬高鐵1號隧道中交天和泥水平衡盾構(gòu)機刀盤開挖直徑13230mm，管片外徑12800mm，管片寬度2000mm。盾尾同步注漿配置了12個（6個備用）具備清洗功能的同步注漿注入裝置，注入的管徑為DN65，盾尾部的管徑為2B，能夠均勻地進行注漿。該裝置為內(nèi)置式構(gòu)造。

盾構(gòu)施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)以及地下水的滲透，是導(dǎo)致地表、建筑物以及管線沉降的重要原因。為了減少和防止沉降，在盾構(gòu)掘進過程中，要盡快在脫出盾尾的襯砌管片背后同步注入足量的漿液材料充填盾尾環(huán)形建筑空隙。同步注漿時要求在地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不宜劈裂。注漿壓力過大，隧道將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿;而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不充足，會使地表變形增大，本工程同步注漿壓力設(shè)定為0.3～0.6MPa，并根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整。

單環(huán)管片理論注漿量=（刀盤開挖面積-管片外面成洞面積）×管片寬度=[13.23/2）^2×3.14-（12.8/2）^2×3.14] ×2=17.6方

實際同步注漿量為建筑間隙的150%-250%。本工程實際注漿量為：每環(huán)20方左右，注漿效果良好，地表無沉降和隆起。

3.4盾尾油脂消耗量計算

盾尾油脂在管片外表面形成的油膜厚度為2mm，考慮到管片外表面的粗糙度、盾尾與管片的相對位置關(guān)系、地層壓力的高低、管片拼裝質(zhì)量（錯臺）、推進速度、油脂質(zhì)量等有很大關(guān)系，依據(jù)工程檢驗富裕率設(shè)置為2得到盾尾油脂消耗數(shù)據(jù)相對比較準確。

每環(huán)管片盾尾油脂消耗量=管片外徑×3.14×管片寬度×油膜厚度×富裕率=12.8×3.14×2×0.001×2=320L

盾尾油脂按200L/桶計算，每掘進一環(huán)消耗油脂1.6桶。實際掘進統(tǒng)計盾尾油脂的消耗量為2.8桶/環(huán)，計算數(shù)據(jù)具備一定的參考價值。按歷年大直徑泥水平衡盾構(gòu)盾構(gòu)掘進消耗油脂統(tǒng)計數(shù)據(jù)管片外表面每平米消耗盾尾油脂6-9L，按此數(shù)據(jù)計算印尼雅萬高鐵1號隧道每環(huán)管片消耗油脂482.4L～620L（2.4桶-3.1桶）。影響盾尾油脂消耗量的相關(guān)因素較多，且多為不確定量，故而按歷年工程消耗油脂數(shù)量計算數(shù)據(jù)較為準確。

3.5泥漿參數(shù)對泥水?dāng)y渣能力的影響。

泥漿攜渣能力就必須涉及到泥漿黏度，目前國內(nèi)泥水平衡盾構(gòu)機泥水處理系統(tǒng)大多數(shù)使用1006型漏斗黏度計，泥漿黏度計的流出管為孔徑 5mm，長 100 mm的圓管，清潔的水注入黏度計，流出 500 ml所需的時間為 15 秒，有隔層的量杯其一端的容量為 500 ml，另一端的容量為 200ml。

目前泥水平衡盾構(gòu)機泥漿的配置主要使用膨潤土及CMC。膨潤土是一種粘土巖、亦稱蒙脫石粘土巖、常膨潤土含少量伊利石、高嶺石、埃洛石、綠泥石、沸石、石英、長石、方解石等;一般為白色、淡黃色，因含鐵量變化又呈淺灰、淺綠、粉紅、褐紅、磚紅、灰黑色等;具蠟狀、土狀或油脂光澤;膨潤土有的松散如土，也有的致密堅硬。主要化學(xué)成分是二氧化硅、三氧化二鋁和水，還含有鐵、鎂、鈣、鈉、鉀等元素，Na2O和CaO含量對膨潤土的物理化學(xué)性質(zhì)和工藝技術(shù)性能影響頗大。蒙脫石礦物屬單斜晶系，通常呈土狀塊體，白色，有時帶淺紅、淺綠、淡黃等色。光澤暗淡。硬度1～2，密度2～3g/cm3。按蒙脫石可交換陽離子的種類、含量和層間電荷大小，膨潤土可分為鈉基膨潤土（堿性土）、鈣基膨潤土（堿土性土）、天然漂白土（酸性土或酸性白土），其中鈣基膨潤土又包括鈣鈉基和鈣鎂基等。膨潤土具有強的吸濕性和膨脹性，可吸附8～15倍于自身體積的水量，體積膨脹可達數(shù)倍至30倍;在水介質(zhì)中能分散成膠凝狀和懸浮狀，這種介質(zhì)溶液具有一定的黏滯性、觸變性和潤滑性;有較強的陽離子交換能力;對各種氣體、液體、有機物質(zhì)有一定的吸附能力，最大吸附量可達5倍于自身的重量;它與水、泥或細沙的摻和物具有可塑性和黏結(jié)性;具有表面活性的酸性漂白土（活性白土、天然漂白土-酸性白土）能吸附有色離子。CMC溶于水時呈現(xiàn)極高的黏性，是一種能增加膠乳、液體黏度的物質(zhì)，增稠劑可以提高物系黏度，使物系保持均勻穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)或乳濁狀態(tài)，或形成凝膠。CMC可分為天然和合成兩大類，泥水盾構(gòu)機泥漿使用化工合成CMC，CMC價格較貴在泥水盾構(gòu)特別是大直徑的泥水盾構(gòu)泥漿制作過程中使用量較大，經(jīng)濟效果不好，并且CMC配置材料各個廠家區(qū)別較大，性能效果區(qū)別也比較大。

印尼雅萬高鐵1號隧道泥漿配置主要使用鈣劑膨潤土和鈉基鵬潤土，試驗掘進階段添加過CMC，印尼本地制作CMC效果較差，價格較貴，在始發(fā)階段少量使用后取消。在有效抑制地下滲水的半膠結(jié)粉質(zhì)粘土地層掘進過程中，基本不需要制作膨潤土泥漿。泥漿制作主要在始發(fā)階段泥水倉無法建立有效壓力止水和地下水突變泥水倉滲水加大的情況下使用。

黏度適中的泥漿攜渣量加大，既能加快盾構(gòu)機的掘進速度，又能減輕排/送泥漿泵的工作載荷，減少泵的磨損。且泥水分離系統(tǒng)分離效果好，能減少壓濾機的工作量。各地各廠膨潤土、CMC配置和性能，以及地層條件，地層水文情況各異。在盾構(gòu)掘進前對泥漿制作等進行多方面試驗，在試驗掘進階段詳細記錄影響泥漿黏度和攜渣能力的各種數(shù)據(jù)，找到最適合本工程的泥漿配比是最行之有效的辦法。

4.結(jié)論

泥水平衡盾構(gòu)機對地層擾動較少，在復(fù)雜、含水量較大地層的隧道施工中安全可靠，經(jīng)濟效果顯著。在國內(nèi)外盾構(gòu)施工中應(yīng)用也越來越廣泛，必定會遇到的各種較少遇到甚至未曾遇到的地層。盾構(gòu)機參數(shù)設(shè)置，油脂、同步注漿料、膨潤土配置也不盡相同。我們既要廣泛收集比較已有的盾構(gòu)機掘進參數(shù)設(shè)置，也要因地制宜廣泛試驗找到適合本工程特殊的掘進參數(shù)設(shè)置，并做好記錄，為后續(xù)盾構(gòu)施工提供強有力的技術(shù)支持。

參考文獻：

[1]王德福 《超大型泥水平衡盾構(gòu)機掘進參數(shù)研究》技術(shù)探討2015年6月第18期

[2]王光輝，蔡軍峰 《泥水平衡盾構(gòu)泥漿漏斗黏度分析》隧道建設(shè)2008年12月第6期