鄭州地區(qū)富水砂層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)探析

曾英俊 （上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海 200331）

0 前言

隨著地下空間的開發(fā)利用日益廣泛，地鐵作為一種快速、經(jīng)濟(jì)的交通方式，正在快速普及到中國的眾多二三線城市[1]。與傳統(tǒng)的隧道施工相比，盾構(gòu)法因為其速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、自動化程度高、擾動小等優(yōu)勢，普遍應(yīng)用于城市地鐵施工[2]。

然而盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)，容易造成刀具磨損、管片上浮、掘進(jìn)參數(shù)異常和噴涌等問題，嚴(yán)重時會造成重大事故。近年來，在富水砂層中盾構(gòu)掘進(jìn)的問題引起重視。周沈華，田涌泉等人[3]發(fā)現(xiàn)在富水砂層中，快速封堵洞門可以使用深孔雙液注漿，有良好的止水效果。曹振，白俊峰等[4]總結(jié)盾構(gòu)機(jī)選型、施工過程控制以及渣土改良等技術(shù)手段的運用，可以控制保證施工的安全。劉石琦[5]通過有限元分析的方法，理論計算出，在盾構(gòu)管片外不小于3m 處注漿加固，可以有效減少富水砂層盾構(gòu)施工對周圍的影響。王曉明[6]從哈爾濱地鐵工程中總結(jié)到采用旋挖鉆機(jī)地面清除盾構(gòu)區(qū)間錨管群，可以有效解決盾構(gòu)直接通過錨索區(qū)所遇到的不可控難題。劉華[7]和黨成鵬[8]等人通過工程實例對富水砂層盾構(gòu)接收控制技術(shù)進(jìn)行了一定總結(jié)。劉偉[9]通過三維數(shù)值模擬的方法，得出在富水砂層中隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)行，土體變形逐漸變大并且盾構(gòu)的上部土體變形影響范圍明顯大于下部的結(jié)論。方江華，姜平偉等[10]為規(guī)避風(fēng)險源，用數(shù)值模擬的方法分析了富水砂層施工過程中地層孔隙水壓力、地層沉降損失演化過程。黃耀飛[11]、蔣昌盛[12]、劉海東[13]、張濤[14]、王文威[15]、張生林[16]等人根據(jù)富水砂層中的施工案例，對施工的技術(shù)控制進(jìn)行了總結(jié)。然而盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)是一個復(fù)雜的綜合性技術(shù)問題，如何保證在盾構(gòu)富水砂層中掘進(jìn)的安全，提高施工的精度仍然是一個值得探討的問題。

本文以鄭州地鐵8 號線一期工程為背景，研究分析土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)可能遇到的風(fēng)險難題和對應(yīng)的技術(shù)措施，以期為類似的工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

本項目為龍湖中環(huán)路站～鄭大一附院（東區(qū)）站，屬于鄭州市軌道交通8 號線一期工程土建施工02 標(biāo)段的一部分。區(qū)間隧道采用兩臺?6470mm 的土壓盾構(gòu)機(jī)施工，區(qū)間隧道采用單層襯砌，襯砌環(huán)形式為通用楔形環(huán)，管片外徑6200mm， 內(nèi) 徑 5500mm， 厚 度350mm，寬度1500mm，楔形量為40mm（雙面楔形），管片拼裝為錯縫拼裝。

區(qū)間設(shè)置2個聯(lián)絡(luò)通道，1個聯(lián)絡(luò)通道兼泵房，均采用凍結(jié)法加固地層、礦山法開挖構(gòu)筑施工。

1.1 工程地質(zhì)條件

本區(qū)間隧道穿越主要地層有②33黏質(zhì)粉土、②33C 粉砂、②22 粉質(zhì)黏土、②41層粉砂、②51層細(xì)砂。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和勘察成果，本區(qū)間隧道主要沿龍湖中環(huán)路下方敷設(shè)，地勢相對平坦，地面標(biāo)高約91.4～93.15m，大體呈自西向東緩降。

1.2 水文地質(zhì)條件

龍湖中環(huán)路-鄭大一附院（東區(qū)）站區(qū)間線路左CK40+962～左CK41+085下穿東運河，東運河屬鄭東新區(qū)景觀河，與北龍湖、東風(fēng)渠相連，長約2km，與8號線線路交叉處河面寬度約80m，東運河水深1～2m，豐水期河水深可達(dá)2～3m，河底有襯砌。

地下潛水水位埋深介于6.0～12.2m（絕對標(biāo)高約79.45m）。地下水年變幅1～2m，近3～5 年水位約3.0m（絕對標(biāo)高84.0m），歷史最高水位埋深約1.0m（絕對標(biāo)高86.0m），地下水類型為潛水，主要賦存于粉細(xì)砂層中。車站地下水主要為第四系松散巖類潛水，含水層為強(qiáng)透水層。綜合確定龍湖中環(huán)路站～鄭大一附院（東區(qū)）站區(qū)間抗浮設(shè)防水位標(biāo)高為86.0m。

1.3 施工風(fēng)險分析

施工區(qū)間全線隧道地下水含量豐富，主要穿越②41粉砂、②51細(xì)砂地層，盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)，容易造成刀盤和刀具以及螺旋輸送機(jī)的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤的扭矩和推力增大，掘進(jìn)參數(shù)異常，盾構(gòu)出土異常和地面沉降難以控制等一系列問題，不加以解決可能會造成嚴(yán)重的工程事故。因為盾構(gòu)機(jī)自身的重量，可能會向下偏離隧道中心線。需要下部更大的推力來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。這樣，導(dǎo)致管片下部受力過大，加劇了上浮的趨勢。盾構(gòu)推進(jìn)速度過快，會導(dǎo)致盾構(gòu)通過區(qū)域的地層不穩(wěn)定，極易沉降，注漿漿液不能及時凝結(jié)，使管片易上??；渣土改良效果不佳，易出現(xiàn)噴涌等現(xiàn)象。

2 盾構(gòu)設(shè)計

2.1 刀盤、刀具設(shè)計

刀具布置：刀盤結(jié)構(gòu)采用6扭腿6主梁6 輔梁結(jié)構(gòu)，主梁、輔梁和扭腿均采用圓管，主梁焊接貝殼撕裂刀。開口率52%，開口在整個盤面均勻分布，使得渣土流動流暢及土壓傳遞更為真實；較大的刀盤開口率使刀盤在掘削過程中不容易產(chǎn)生泥餅。刀盤背面在不同軌跡配置有4 根主動攪拌棒，用以攪拌土倉內(nèi)渣土，增加渣土流動性，防止土倉內(nèi)結(jié)泥餅。

中心魚尾刀：在刀盤中心部位裝配鑲硬質(zhì)合金的魚尾刀，配合中心魚尾刀在其他軌跡配置切刀及先行刀。

邊刮刀及撕裂刀：刀盤外沿采用直角設(shè)計，對周邊地層擾動小。最外部布置12 把邊刮刀和6 組大合金保徑撕裂刀，保證開挖直徑。

大圓環(huán)保護(hù)刀：大圓環(huán)保護(hù)刀主要作用是保護(hù)開挖直徑，減少大圓環(huán)的磨損。大圓環(huán)保護(hù)刀使用大尺寸耐磨硬質(zhì)合金設(shè)計，大圓環(huán)保護(hù)刀數(shù)量為12 把，布置在切口環(huán)位置。

超挖刀：刀盤配有一把超挖刀，帶仿形功能，可根據(jù)角度控制超挖，最大超挖量為45mm。

刀盤刀具磨損檢測：刀具磨損情況通過油壓式刀具磨損檢測裝置檢測，布置在2 個位置，具備磨損后可更換的功能。

渣土改良口：刀盤正面均勻分布6個渣土改良入口，其中4 個為泡沫噴口，2個為膨潤土噴口。噴口采用新式防堵塞設(shè)計，增加噴口使用壽命。如果噴口發(fā)生堵塞還可從刀盤背面整體拆除，便于更換。

外圈梁保護(hù)：外圈梁整圈鑲焊耐磨復(fù)合鋼板，可降低刀盤在粗砂層掘進(jìn)時碴土對刀盤外圈梁的磨損。

2.2 驅(qū)動設(shè)計

配置的主軸承為三排圓柱滾子軸承，可承受較大偏載，主軸承直徑3060mm，主軸承有效使用壽命≥10000小時。

主驅(qū)動采用變頻電機(jī)驅(qū)動，配置6組變頻電機(jī)，總功率達(dá)到660kW，最大扭 矩 可 達(dá) 6307kN·m，脫 困 扭 矩7569kN·m，最高轉(zhuǎn)速2.2r/min。

驅(qū)動內(nèi)、外密封系統(tǒng)均采用聚氨酯密封，配置形式為一道端面指型密封+一道徑向指型密封+一道徑向VD 密封。密封系統(tǒng)設(shè)計承壓能力10bar。

2.3 盾體結(jié)構(gòu)

盾體對未襯砌的隧道可以充當(dāng)臨時支護(hù)，可以承受土壓、水壓和起到一定的防滲效果，由三部分：前盾、中盾、尾盾等組成。

盾構(gòu)機(jī)前盾組成分為盾殼、主驅(qū)動連接法蘭、土倉隔板、螺旋傳送機(jī)連接座和人艙連接座組成。其中在隔板上設(shè)有被動攪拌棒，可以與主動攪拌棒一起對渣土強(qiáng)制攪拌。土倉隔板上還有渣土改良材料注入口，土壓力傳感器和預(yù)留的電液通道、水氣通道、保壓孔等。

中盾和尾盾通過被動的鉸接連接在一起，兩者之間設(shè)計了兩道密封，一道橡膠密封和一道緊急氣囊密封。沿著中盾殼體的周圍布置設(shè)計了10 根超前注漿管，在前盾的壓力隔板上布置有1 個固定式超前注漿孔和6 個鉸接式注漿孔，用于對地質(zhì)的注漿加固。

尾盾上的內(nèi)嵌有注漿和油脂管路，每根注漿管設(shè)置有觀察窗，利于清洗、維修。尾刷密封采用三排焊接密封刷，起到防滲作用。在盾尾設(shè)置一排止?jié){板，防止砂漿進(jìn)入盾體前部的同時也可以防止盾體前部的泥漿干擾注漿。

3 掘進(jìn)施工技術(shù)

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)時，會有管片上浮的情況，因此可以將盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)適當(dāng)向下調(diào)整，用來抵消管片上浮的位移，盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中工作需要提高防水密閉性，盾尾處密封采用三排鋼絲止水密封刷，在之間注射密封脂，使用唇形橡膠密封鉸接處。對同步注漿進(jìn)行多次配比試驗，提高同步注漿質(zhì)量，縮短漿液初凝時間，保證注漿量與管片脫出盾尾的空隙之間的平衡，避免漿液因為被水稀釋而降低性能。加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量，控制好盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，避免蛇形和超挖，控制好掘進(jìn)速度，盡可能沿著軸線做微小運動。出土量和土倉壓力，同時加入適量的泡沫和膨潤土來做好土倉及螺旋機(jī)內(nèi)渣土改良，采用螺旋輸送機(jī)雙閘門控制，以防止產(chǎn)生噴涌等危險。

3.2 正面渣土改良

施工過程中通過盾構(gòu)機(jī)配置的專用裝置向刀盤面、土倉內(nèi)注入泡沫或膨潤土，使用刀盤土倉等的各種攪拌裝置，使得土渣和添加劑充分混合，讓渣土具有比較好的流塑性，較低的透水性和摩阻力以及合適的黏稠度。區(qū)間隧道范圍以粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂為主，采取向刀盤和土倉內(nèi)注入泡沫的方法進(jìn)行渣土改良。

4 實施效果分析

本工程在實施上述措施以后，盾構(gòu)順利掘進(jìn)。各項重要工程指標(biāo)及工程實施效果列述如下。

4.1 土倉壓力

通過對實際掘進(jìn)土壓力的統(tǒng)計匯總，0～400 環(huán)土倉壓力大致在1.1～1.6bar，如圖1所示，較為合理，地面沉降情況較為穩(wěn)定，各項數(shù)據(jù)無異常。

圖1 區(qū)間1～400環(huán)土倉壓力統(tǒng)計圖

4.2 出土量

本區(qū)間1～400 環(huán)出土量統(tǒng)計如圖2所示，單環(huán)出土量最小值為52m3，最大值為62m3，平均值約為57.77m3，區(qū)間掘進(jìn)施工未出現(xiàn)因出土超量導(dǎo)致地面沉陷超限的情況。

圖2 區(qū)間1～400環(huán)出土量統(tǒng)計圖

4.3 推力和扭矩

通過對實際掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)推力和刀盤扭矩的統(tǒng)計匯總，如圖3、圖4 所示。本區(qū)間1～400環(huán)最小推力為4500kN，最大推力為 20000kN，平均值約為15609.8kN。刀盤扭矩最小為1050kN·m，最 大 為4500.5kN·m，平 均 值 為3129.39kN·m。

圖3 區(qū)間1～400環(huán)總推力統(tǒng)計圖

圖4 區(qū)間1～400環(huán)刀盤扭矩統(tǒng)計圖

4.4 掘進(jìn)速度

本區(qū)間1～400 環(huán)掘進(jìn)速度統(tǒng)計如圖5 所示，最高掘進(jìn)速度為67.5mm/min，最低掘進(jìn)速度為37.5mm/min，平均值約為54.45mm/min。

圖5 區(qū)間1～400環(huán)掘進(jìn)速度統(tǒng)計圖

4.5 同步注漿

本區(qū)間1～400 環(huán)同步注漿參數(shù)統(tǒng)計如圖6 所示，正常掘進(jìn)后單環(huán)最小注漿量為5.5m3/環(huán)，最大注漿量為7.5m3/環(huán)，平均注漿量為6.4m3/環(huán)；注漿壓力最小為0.2bar，最 大 為4.0bar，平 均 為2.8 5bar。

圖6 區(qū)間1～400環(huán)注漿量、注漿壓力統(tǒng)計圖

4.6 成型隧道偏差

根據(jù)本區(qū)間1～400 環(huán)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計實際成型隧道偏差如圖7 所示，平面最大偏差為54mm，高程偏差最大為47mm，均在控制范圍以內(nèi)。

圖7 區(qū)間1～400環(huán)偏差統(tǒng)計圖

以上工程指標(biāo)均在控制范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計與規(guī)范要求。在盾構(gòu)順利接收后對其刀具磨損和滲漏方面進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磨損程度輕微，防滲效果良好。

5 結(jié)論與建議

①土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂層中掘進(jìn)工作應(yīng)提前對刀盤刀具和驅(qū)動的物理學(xué)參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，可以避免刀盤的磨損，扭矩和推力增大，掘進(jìn)參數(shù)異常，盾構(gòu)出土異常和地面沉降難以控制等一系列問題。

②土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水層中工作應(yīng)提前做好防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免在工作時盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)滲入水和漿液等會影響盾構(gòu)機(jī)工作的情況。

③必要的掘進(jìn)控制非常關(guān)鍵，特別是管道上浮無法通過注漿來解決時，可以將盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)下調(diào)一定數(shù)值，保證成型隧道的軸線精度。

④合理使用泡沫劑進(jìn)行渣土改良可以提高土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂層地區(qū)的工作效率。