大直徑泥水盾構(gòu)長距離軟硬不均復(fù)合地層應(yīng)對措施

王永喜 柳值

【摘 要】杭州環(huán)城北路—天目山路（中河立交—古翠路）地處快速路路網(wǎng)骨架干道，是緩解城市中心區(qū)域通行的主要大動脈，為了提升該路段通行效率，項目改造工程刻不容緩。文章針對長距離穿越軟硬不均巖性多變地層施工難點進行分析，重點介紹了13.46 m大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu)施工面臨的主要風險，以及施工中遇到的結(jié)泥餅、沉降、超限等一系列問題，并對上述問題逐一進行解決，同時總結(jié)出一套安全高效的施工方案，希望為類似項目提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】大直徑盾構(gòu);軟硬不均地層;應(yīng)對措施

【中圖分類號】U455.43 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0082-03

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，城市交通日益擁堵，為緩解交通堵塞等問題，大直徑隧道建設(shè)數(shù)量隨之增多。大直徑盾構(gòu)具有技術(shù)先進、安全可靠的施工優(yōu)勢，成為當前主要的施工工法。但由于我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，存在軟硬不均巖性差異較大的復(fù)合地層，因此傳統(tǒng)的盾構(gòu)設(shè)計方案針對性不強，在實際操作中存在諸多問題，必須依據(jù)項目實際狀況采取針對性的施工方案。

1 工程概況

環(huán)城北路—天目山路（中河立交—古翠路）提升改造工程是杭州“天目—環(huán)北—艮山”快速路的中段部分，沿天目山路東西走向，分東段和西段2個標段，分別由2家單位施工，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為11.9 m，管片外徑為13 m，環(huán)寬2 m，采用“中鐵裝備”4臺直徑為13.46 m氣墊式泥水平衡盾構(gòu)施工，2臺盾構(gòu)由1號井始發(fā)自西向東掘進880環(huán)，另2臺盾構(gòu)由3號井自東向西始發(fā)掘進886環(huán)，貫通后均從中間2號井接收退場。

1.1 周邊環(huán)境

本工程盾構(gòu)隧道沿城市主干道天目山路敷設(shè)，沿線兩側(cè)建構(gòu)筑物眾多，地下管線密集，需穿越城市地表內(nèi)河，需下穿地鐵2、10號線及預(yù)留的地鐵3號線，要求沉降控制精準，施工難度極大。

1.2 地質(zhì)條件特點

隧道區(qū)間頂部覆土6～34 m，主要穿越地層及特點見表1。

東段盾構(gòu)隧道土層長度641環(huán)占72%，上軟下硬長度245環(huán)占28%，隧道主要以土層為主，上半斷面均含有淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土。西段盾構(gòu)隧道上軟下硬長度670環(huán)占76%，硬巖長度120環(huán)占14%，土層長度89環(huán)占10%，隧道主要以上軟下硬、左軟右硬復(fù)合地層為主，上半斷面均含有碎石夾黏土、全風化含礫粉砂巖，地層復(fù)雜多變，巖性差異大。

1.3 盾構(gòu)機選型設(shè)計

本項目結(jié)合長距離軟硬不均地質(zhì)特點及風險，對盾構(gòu)機刀盤進行優(yōu)化設(shè)計。

1.3.1 盾構(gòu)主要參數(shù)

主機長約15 m，驅(qū)動功率為4 900 kW，額定工作扭矩為29 950 kN·m，最大推力為18 857 t，工作壓力為6 bar，最大掘進速度為50 mm/min，裝機功率為8 685.2 kW，最大進漿流量為2 100 m3/h，最大排漿流量為2 500 m3/h。

1.3.2 盾構(gòu)機及配套設(shè)備選型

本工程選用常規(guī)刀盤，采用8條輻中心支撐設(shè)計形式，刀盤開挖直徑為φ13 460 mm，總厚1 024 mm，開口率為31%。安裝雙刃中心滾刀6把、單刃滾刀82把、刮刀121把、邊刮刀16把。

1.3.3 泥漿處理系統(tǒng)配置

東段泥漿處理采用泥水分離設(shè)備+管道直排上船方案，安裝了2套3000型分離設(shè)備及管道輸送系統(tǒng)。西段泥漿處理采用“泥水分離設(shè)備+壓濾機+離心機”方案，左右雙線采用2組2 600/20型泥水分離設(shè)備，經(jīng)過一、二級旋流后采用3臺離心機和6臺壓濾機處理方案[1]。

1.4 主要風險及施工情況

西段盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，以上軟下硬地層為主，刀盤設(shè)計以考慮硬巖段破巖能力和強度為主，因此犧牲了刀盤開口率，而且糊刀盤易結(jié)泥餅，掘進異常艱難并引發(fā)一系列問題，目前分別施工到339/490環(huán)，共帶壓開倉清理泥餅更換刀具86次，有效掘進時間僅占50%。東段以土層為主，掘進比較順利，共帶壓開倉6次，有效掘進時間占87%，單日單臺最高掘進11環(huán)（22 m），月最高210環(huán)。

2 長距離軟硬不均地層主要風險及處理措施

西段盾構(gòu)區(qū)間長距離軟硬不均地層出現(xiàn)了一些風險，如淺覆土始發(fā)地面隆起10 cm、從未封堵好的勘察孔滲水、跑漿泄壓、管片上浮10 cm等，這些風險問題在試驗段階段得到有效解決，以下主要針對糊刀盤結(jié)泥餅及沉降超限的應(yīng)對情況進行介紹。

2.1 糊刀盤結(jié)泥餅問題及應(yīng)對措施

2.1.1 糊刀盤結(jié)泥餅的征兆

掘進參數(shù)異常無法正常掘進，是結(jié)泥餅前兆。在右線掘進至105環(huán)時，此時掌子面地層是碎石夾黏土、全風化含礫粉砂巖、強風化含礫粉砂巖、中風化含礫粉砂，泥漿比重為1.1，速度降低至3～5 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.9 r/min，貫入度為2～3 mm，總推力達到70 000 kN，刀盤總軸承推力超過上限值22 500 kN，刀盤扭矩為6 000 kN·m，參數(shù)變化超過上一環(huán)10%以上，并且增大推力調(diào)整轉(zhuǎn)速，泥漿比重調(diào)整至1.0 g/cm3以下，扭矩速度仍無變化，并有惡化趨勢，初篩無明顯渣土排出，排出泥漿溫度升高，泥塊超過40 ℃，通過空載環(huán)流再復(fù)推，情況沒有改善，無法正常掘進，初步判斷這種現(xiàn)象是糊刀盤結(jié)泥餅征兆。

2.1.2 糊刀盤情況檢查及處理

降低泥水倉液位后通過可視化系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，刀盤開口處、滾刀與刀箱間隙全部被泥土糊住。105～106環(huán)掘進時先后嘗試在泥水倉加入工業(yè)洗潔精潤滑，注入分散劑和雙氧水浸泡刀盤等措施，都沒起到分解作用。最后在107環(huán)實施帶壓進倉檢查，人員進倉后發(fā)現(xiàn)整個刀盤開口、滾刀與刀箱間隙全部被泥土硬塊糊住，中心區(qū)已經(jīng)硬化固結(jié)，對泥餅進行清理并對磨損刀具進行了更換，此次歷時15 d，清理刀盤泥餅8 d，更換刀具7 d，共進倉32倉，更換單刃滾刀76把。在這種地層下，右線自93環(huán)、左線自107環(huán)開始，左、右線均表現(xiàn)為推進10環(huán)左右，刀盤就完全糊死，需要進倉清理并更換刀具[2]。

2.1.3 糊刀盤結(jié)泥餅原因分析

經(jīng)過研究分析，糊刀盤結(jié)泥餅主要是地質(zhì)特性引起，在碎石夾黏性土、強風化（含礫）粉砂巖、中風化（含礫）粉砂巖地層中，黏土礦物含量高，黏性極大，地層中20 mm以上礫石含量高達60%。對凝結(jié)的泥餅取樣分析，黏粒蒙脫石含量達到59%，易吸水形成膠結(jié)物，在被擠壓摩擦后導(dǎo)致刀盤開口及刀箱全部糊死，同時地層中的碎石、礫石與膠黏物質(zhì)結(jié)合后，加快了糊刀盤結(jié)泥餅的速度。始發(fā)段前70環(huán)地層中含粉質(zhì)黏土地層占比較大，扭矩速度參數(shù)正常，掘進比較順利，即使泥漿比重達到1.3仍能正常推進。東段區(qū)間隧道以粉質(zhì)黏土為主地層，500環(huán)之前沒有發(fā)生糊刀盤現(xiàn)象，也沒有更換刀具，掘進非常順利。

2.1.4 采取的防治措施

防治措施：①根據(jù)參數(shù)變化情況，制定每10環(huán)主動帶壓進倉檢查，把勤檢查作為常態(tài)措施，每環(huán)有計劃降液位利用土倉可視化系統(tǒng)勤查看刀盤刀具工作狀態(tài)。②掘進時，確保中心沖刷流量保持在1 000 m3/h以上，掘進30 min，對氣墊倉進行環(huán)流洗倉，防止滯排造成攜渣不順。③排漿比重嚴格控制在1.15 g/cm3以內(nèi)，此階段地層黏土黏粒成分非常高，泥漿比重上升非常快，每環(huán)廢漿1 400? m3，關(guān)鍵是做好配套壓濾能力保障及渣土外運組織。④在碎石夾黏土、強風化、全風化含礫粉砂巖地層刀具配置，將滾刀更換成撕裂刀，糊刀情況有所緩解，并且避免了糊刀后滾刀偏磨現(xiàn)象。⑤提前對進倉點進行預(yù)加固處理，降低土體滲透性，為帶壓進倉能夠成功實施創(chuàng)造條件。在隧道拱頂碎石夾黏土、全強風化含礫粉砂巖地層，進行擠密注入單液水泥漿固結(jié)，不僅減少地面漏氣影響，還可以防止帶壓進倉作業(yè)轉(zhuǎn)動刀盤時，擾動拱頂?shù)魤K形成空洞隱患。

2.2 沉降超限問題及應(yīng)對措施

2.2.1 沉降超限問題經(jīng)過

5月31日下午在左線165～168環(huán)位置，盾構(gòu)機停機做泥膜保壓，準備進行帶壓進倉作業(yè)，人員進倉發(fā)現(xiàn)拱頂上方有掉塊現(xiàn)象，并且12點位有清水流出，人員停止作業(yè)撤出后，將泥水倉立即充滿泥漿平衡，壓力穩(wěn)定在2.1 bar（埋深19 m）。在1 h后地面巡視值守人員發(fā)現(xiàn)165環(huán)處綠化帶也出現(xiàn)涌水（該處有1根DN400給水管），將自來水管道關(guān)閉后，從涌水位置有泥漿涌出，盾構(gòu)機當時壓力為2.0 bar，液位每分鐘下降2 cm，隨著冒漿量增大，泥水倉液位持續(xù)下降，水管處綠化帶2 m×3 m范圍出現(xiàn)沉陷情況，項目部立即進行現(xiàn)場封閉應(yīng)急處置，抽排泥漿并用砂漿回填處理，對交通安全未造成影響。

2.2.2 原因分析

原因分析：①盾構(gòu)機目前停機位置為綠化帶，隧道拱頂為碎石夾黏性土，地質(zhì)松散并存在裂隙，滲透系數(shù)較大，上方自來水管材質(zhì)老化滲漏造成土體浸泡松軟，地層經(jīng)擾動后進行泥漿環(huán)流時，導(dǎo)致地面冒漿，泥漿攜帶泥土流失造成綠化帶較大沉降，這是主要因素。在未施工前，該水管已發(fā)生多次自然爆裂涌水情況，當時正在分段改造中。②在此類地層下，盾構(gòu)機掘進困難需要頻繁帶壓開倉清理刀盤和更換刀具，在氣壓作業(yè)過程中，泄氣量雖然符合10%的規(guī)范安全要求，但是高壓氣體在地層形成逃逸通道，對地層產(chǎn)生直接擾動。盾構(gòu)機在此處帶壓進倉停機時間長，泥漿長時間浸泡造成土體軟化也是沉降的誘因。③推進過程中發(fā)生2次泥漿泵及管路堵塞，造成壓力波動0.3 bar，增大對地層沖擊，加劇了泥漿在地層中的擴散范圍。

嚴格控制掘進參數(shù)環(huán)流管理及停機時泥水倉泥漿質(zhì)量，措施如下：①在不良地質(zhì)掘進，確保掘進時參數(shù)穩(wěn)定。推進速度保持在7～12 mm/min，壓力波動小，統(tǒng)計好出渣量，防止結(jié)泥餅，減少帶壓進倉頻次。掘進時泥水倉壓力設(shè)定高于臨界值0.2 bar，防止周圍土體水分滲入泥水倉破壞泥膜或者降低土倉泥漿質(zhì)量，每環(huán)推進結(jié)束后，定時進行泥漿循環(huán)。②停機時嚴防氣墊倉液位上漲。按照經(jīng)驗值，液位下降正常，每小時液位下降1 cm正常。長時間停機必須采用高性能泥漿填充泥水倉，隔板上部取樣黏度不應(yīng)低于30 s，比重不低于1.1 g/cm3。刀盤每4 h間隔以0.8 r/min左右旋轉(zhuǎn)5～10 min，達不到以上指標，應(yīng)重新制漿置換。③帶壓進倉作業(yè)時，泥水倉壓力設(shè)定高于臨界值0.2 bar，新膨潤土漿黏度至少在80 s以上，液置換完成泥漿比重不低于45 g/cm3。帶壓進倉發(fā)現(xiàn)拱頂上方或前方掉塊形成空洞，立即停止作業(yè)，創(chuàng)造條件快速恢復(fù)掘進，在空洞到達中盾位置后，利用空洞穩(wěn)定的時間效應(yīng)，在地面采取跟蹤注入雙液漿進行回填密實，避免塌陷風險。④對不良地質(zhì)采取注漿預(yù)加固處理，防止帶壓作業(yè)時掌子面掉塊形成隱患。對地面管線及地面空洞檢測，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

3 對類似項目管理建議措施

3.1 地質(zhì)是基礎(chǔ)

對地層變化段進行補勘驗證，要以最準確的數(shù)據(jù)為施工提供依據(jù)。復(fù)合地層大盾構(gòu)斷面內(nèi)地質(zhì)偏差極大，本項目西段區(qū)間經(jīng)常有5種以上地層交互存在，巖性突變很大，對換刀點的設(shè)定、掘進參數(shù)判斷，以及施工風險、工期風險評估更加困難[3]。

3.2 設(shè)備是關(guān)鍵

對盾構(gòu)機選型設(shè)計要深入調(diào)研，本項目所設(shè)計使用盾構(gòu)機在環(huán)流系統(tǒng)、刀盤開口率等方面存在一定問題，左右線分別在240環(huán)、335環(huán)全斷面巖層對盾構(gòu)機進行了改造。包括割除刀盤3道環(huán)筋內(nèi)外2道，對環(huán)流系統(tǒng)進行改造。刀具進行優(yōu)化配置，在土層及強風化地層，撕裂刀應(yīng)對糊刀盤結(jié)泥餅比滾刀效果好。在黏土層、礫石、碎石塊較大的上軟下硬復(fù)合地層，建議選型雙模盾構(gòu)，其特點是在泥漿環(huán)流掘進過程中，同時開啟泡沫系統(tǒng)、螺機系統(tǒng)，既可以避免刀盤結(jié)泥餅，又可以快速利用螺機輔助排渣，避免滯排現(xiàn)象。為保證不堵泵，在排漿泵之前設(shè)計滾軸式采石箱。據(jù)了解，成都至浦江鐵路工程紫瑞隧道12.84 m大直徑土壓-泥水雙模盾構(gòu)施工取得非常好的效果，獲得業(yè)界好評。

3.3 管理是根本

工期進度目標要科學(xué)合理籌劃，在掘進參數(shù)發(fā)生微小變化應(yīng)堅決停機進倉檢查，避免造成嚴重后果。施工方案論證一定要聘請有類似地層經(jīng)驗的權(quán)威專家，不能為純粹通過評審而評審，而且專家要固定。項目部團隊要做到精細管理，每掘進30 cm要對主要參數(shù)、泥漿質(zhì)量、環(huán)流系統(tǒng)、洗倉時間、出渣情況進行記錄分析，扭矩速度微小變化要敏感，發(fā)現(xiàn)異常勤檢查，要有泥漿指標紅線意識。加強監(jiān)控量測管理，對盾構(gòu)推進刀盤前100環(huán)、盾尾后20環(huán)實施動態(tài)地震波檢測，對路面進行24 h巡視及蹲守，做好預(yù)警分析和應(yīng)急管理。

4 結(jié)束語

大直徑盾構(gòu)開挖斷面大，在上軟下硬復(fù)雜地質(zhì)施工難度極大，雖然大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但是復(fù)雜地層難免遇到波折，還需要深入研究總結(jié)，要重視精細管理。只有將地質(zhì)、設(shè)備、人員管理等因素有機結(jié)合起來，才能克服結(jié)泥餅、滯排、沉降及刀盤刀具磨損難題，保證項目順利實施，推動大盾構(gòu)事業(yè)的發(fā)展。

參 考 文 獻

[1]李鳳遠，趙海雷，馮歡歡.超大直徑泥水盾構(gòu)施工風險防控方法研究[J].施工技術(shù)，2019，48（19）：100-105，

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[2]孫善輝，陳饋，王助鋒.大直徑泥水盾構(gòu)針對長距離施工的優(yōu)化[J].隧道建設(shè)，2012，32（2）：245-249.

[3]陳健，黃永亮.超大直徑泥水盾構(gòu)施工難點與關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)[J].地下空間與工程學(xué)報，2015，11（S2）：637-

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