砂軟土復合地層盾構選型及適應性分析

摘要：以盾構穿越砂土、軟土地層工程案例為依托，對盾構掘進工程中重難點進行分析，在此基礎上，從刀盤刀具配置、推進系統(tǒng)、盾構鉸接系統(tǒng)、螺旋輸送機、注漿系統(tǒng)和渣土改良系統(tǒng)進行了適應性說明，以更好滿足工程需要，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：復合地層;泥餅防治;盾構選型;刀盤配置

0" "引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷推進，城市土地資源日益緊缺，交通擁堵成為限制人們出行質量的一大通病，為緩解這一問題，以地鐵為代表的一系列公共交通得到了大力發(fā)展。盾構法因施工速度快、安全性高，對周圍緩解影響小等優(yōu)點成為地鐵建設的主要力量[1]。我國國土遼闊，土層差異性大，因此進行盾構機的適應性選型成為盾構法施工關鍵技術。

國內外眾多學者，對盾構法施工關鍵技術進行了研究。田四明依托施工實例，從工程地質、水文地質、周邊環(huán)境及風險控制等方面，對盾構隧道的設計與選型進行了適應性分析與探討[2]。陳健分析了大直徑泥水盾構在軟土和硬巖復合地層中刀盤刀具的選型配置，創(chuàng)新采用復合刀盤設計理念，研發(fā)出常壓條件下滾刀齒刀互換技術，最后針對不同地質條件給出了刀具配置方案[3]。此外，還有一些學者根據(jù)不同地質對盾構選型進行適應性分析[4-6]。以上研究給本文提供了良好的理論基礎和工程實踐經(jīng)驗，本文在上述研究的基礎上，針對砂土和軟土復合地層進行盾構適應性選型，擬為類似工程提供參考。

1" "工程概況

某盾構隧道為左右雙線，左線長1318.2m，右線長1299.5m，盾構右線自始發(fā)井出站后以2‰上坡至最高點，再以21‰縱坡（240m坡長）、4‰縱坡（510m坡長）下坡到最低點，于最低點以8.533‰縱坡（198.287m坡長）上坡，再以24‰縱坡（265m坡長）上坡到最高點后，以2‰下坡進入接收站。右線隧道最小埋深10m，最大埋深18m。

左線出站后采用V字坡先沿車站以2‰上坡至最高點，再以21‰縱坡（240m坡長）、4‰縱坡（520m坡長）下坡到最低點，于最低點以8‰縱坡（200m坡長）上坡，再以23.919‰縱坡（271.421m坡長）上坡到最高點后，以2‰下坡進入接收井。左線隧道最小埋深10m，最大埋深18m。

襯砌隧道直徑6.2m，厚度0.55m，管環(huán)長1.5m。盾構隧道穿越土體為③₁砂質粉土、④₂淤泥質粉質黏土、⑥₁淤泥質黏土夾粉土。盾構掘進過程中下穿和側穿城市內河、城市主干道和大量城市住宅。

2" "工程重難點

工程隧道穿越地層主要為砂質粉土、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土夾粉土。土體呈塑流性、止水性差，掘進時排土不暢，引起土倉土壓不穩(wěn)定以及推力增大。為防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，如何減小結“泥餅”風險，確保盾構隧道安全順利掘進完成是本工程的重點。盾構掘進過程中，穿越城市主干道和重要構建筑物，盾構掘進地表沉降控制為工程施工重難點。

3" "盾構適應性選型

3.1" "盾構選型

盾構主要有泥水平衡盾構和土壓平衡盾構兩種類型。二者在穩(wěn)定開挖面、地層適應性、地表沉降控制、碴土處理、施工場地和工程成本等方面都有較大差異，表1兩種盾構進行綜合比較分析。

盾構機選擇的兩個主要影響因素為掘進地層顆粒大小及組成，以及盾構通過地層的滲透系數(shù)。根據(jù)地勘報告結果可知，本工程盾構主要穿越土層有砂質粉土、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土夾粉土，土層滲透系數(shù)約為15×10-5m/s，粉粒和黏粒含量大于40，隧道盾構推進過程中遇到的地層組合有輕微變化，土層的物理力學性質有一定差異，但差異較小。綜合考慮經(jīng)濟成本和場地條件，本工程采用土壓平衡盾構施工方式更加適宜。

3.2" "刀盤刀具設計

分析刀盤旋轉原理可知，刀盤中心部位的線速度較低，黏性土在中心部位的流動性較差，易沉積，故盾構刀盤需著重考慮的是盾構在砂質粉土中掘進時，如何提高渣土的流動性，降低刀盤中心結泥餅的概率。同時對比類似地質條件下實際工程刀盤結構形式發(fā)現(xiàn)，其刀盤結構形式基本相似。最終確定刀盤結構和刀具形式如圖1所示。

刀盤鋼結構由4個主刀梁、4個小刀梁及外圈梁組成，為增大刀盤耐磨性，在刀盤外圈圓周焊耐磨合金塊，以保護刀盤本體。為減小刀盤結泥餅概率，刀盤綜合開口率定為40%，以減少渣土堵塞概率。同時在刀盤背面設2根主動攪拌棒，與前盾上被動攪拌棒一起對土倉內渣土進行攪拌。刀盤設單向渣土改良噴口，背部配有疏通管路。

刀具是土體切削的主要部件，刀具選擇的合理性與否將直接影響盾構速率、刀具磨損和刀盤結泥餅情況。刀具配備有撕裂刀、刮刀、邊緣刮刀和保徑刀，刀盤中心刀間距90mm，正面刀間距100mm;撕裂刀41刃，安裝高度175mm;刮刀36把，安裝高度130mm;邊緣刮刀8把，安裝高度130mm;保徑刀8把，伸出量60mm。各種刀具組合配置，優(yōu)化了盾構掘進速率。

3.3" "推進系統(tǒng)

盾構機推進系統(tǒng)設置有30個推進缸和1套推進液壓泵站。推進缸按照在圓周上的區(qū)域分為4組，可通過調整每組液壓缸的不同推進壓力和速度，對隧道掘進進行糾偏和調向。盾構推進參數(shù)如表2所示。

3.4" "盾構鉸接系統(tǒng)

盾構中盾和盾尾之間采用被動鉸接形式，設計有兩道密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封，如圖2所示。正常情況下橡膠密封起作用，異常情況下或橡膠密封需更換時，使用緊急氣囊密封。

密封環(huán)端部設置壓緊塊，在壓緊塊和橡膠密封之間設置擋條，在端部利用調節(jié)螺栓使擋條壓緊橡膠密封，壓緊的程度可用擰動螺栓進行調整。

此種鉸接形式可滿足任意方向的鉸接運動，使曲線施工和方向調整更加便利，可滿足任意方向最小曲線半徑250m施工要求。

3.5" "螺旋輸送機

螺旋輸送機安裝于開挖室下部，其通過渣土輸送速度和閘門的開度控制土倉壓力與開挖面平衡。螺旋輸送機入口前部承壓隔板上安裝有安全閘門，當螺旋輸送機縮回進行維修時，關閉隔板上的安全閘門，及時封閉土倉，確保在此期間前方有涌水或意外塌陷時的工作安全。

為防治孤石堵塞，設置最大通過粒徑為Φ330×570mm。螺旋機筒體內徑900mm，出渣能力為458m³/h。螺旋輸送機出閘口設兩道閘門，根據(jù)掘進速度在操作室控制閘門的開啟度，通過調節(jié)排土量來實現(xiàn)土塞效應，以形成良好的排土止水效果。在土壓平衡模式掘進時，以起到調節(jié)土倉土壓力的作用。另外預留保壓泵接口，發(fā)生噴涌時，及時關閉閘門，接保壓泵調節(jié)土倉壓力。

3.6" "注漿系統(tǒng)

為防止盾構間隙和施工間隙引起過大地表沉降，配備單液同步注漿系統(tǒng)用于及時填充盾構開挖引起的地層損失。盾構機砂漿罐最大可容納7m3漿液，注漿能力為30m³/h，盾殼上設置有10個注漿管路，以確保注漿均勻飽滿。

為實現(xiàn)自動注漿的功能，在管路注入端安裝壓力傳感器檢測注漿壓力，可通過控制液壓油流量調整注漿泵動作次數(shù)，從而實現(xiàn)調整泵送注漿量目的。

3.7" "渣土改良系統(tǒng)

土壓平衡式盾構一道關鍵工序就是將土艙內土體調節(jié)為塑性流動狀態(tài)，以防止渣土凝結形成泥餅。為實現(xiàn)這個目的，開挖時需向土倉內添加水+泡沫組成的添加劑，以增加開挖土體的流塑性。為此盾構機配有一套泡沫發(fā)生系統(tǒng)，在刀盤設置6個渣土改良注入孔，用于渣土改良。

泡沫系統(tǒng)主要由泡沫混合液泵、泡沫原液泵、電磁流量閥、泡沫發(fā)生器、壓力傳感器、管路等組成。通過膨潤土注入系統(tǒng)，將泥漿或膨潤土壓入刀盤、土倉、盾壁和螺旋輸送機內，從而達到渣土改良目的。

4" "結論

本文以盾構穿越砂土、軟土地層工程案例為依托，對盾構掘進工程中重難點進行分析。在此基礎上，從刀盤刀具配置、推進系統(tǒng)、盾構鉸接系統(tǒng)、螺旋輸送機、注漿系統(tǒng)和渣土改良系統(tǒng)進行了適應性說明，以更好滿足工程需要，可為類似工程提供參考。

參考文獻

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