土壓平衡盾構(gòu)在大粒徑砂卵石地層中的應(yīng)用

溫小東/WEN Xiao-dong

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著地下交通工程的快速發(fā)展，盾構(gòu)法施工技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市軌道交通、地下綜合管廊、引水等工程，盾構(gòu)法施工對地層適應(yīng)性廣泛、施工安全系數(shù)高，但因地質(zhì)情況的千變?nèi)f化、施工環(huán)境復(fù)雜，在施工中必然存在盾構(gòu)適應(yīng)性和施工方法、措施的調(diào)整[1]。在富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)方面，已有不少學者進行了研究[2-14]，本文主要結(jié)合成都、北京等地區(qū)砂卵石地層盾構(gòu)施工經(jīng)驗，研究洛陽地區(qū)七里河站～王城公園站區(qū)間大粒徑砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)，重點解決土壓盾構(gòu)在大粒徑砂卵石地層掘進過程中滯排、保壓、刀具磨損等難題。

1 工程概況

七里河站～王城公園站區(qū)間地層情況為第四系沖洪積的黃土狀土、卵石，其中黃土狀土屬中軟土，卵石為中硬土，地下水埋藏深度一般5.90～9.70m，水位112.87～119.60m，整體呈西高東低。盾構(gòu)主要下穿：1-1 雜填土、1-2 素填土、填筑土、2-2 黃土狀粉質(zhì)黏土、2-3 黃土狀粉土、2-4-3 卵石、3-2 粉質(zhì)黏土、3-3 粉土、3-4-3 細沙、3-9-3 卵石、3-9-4 卵石等地層，其中粉質(zhì)黏土含零星鈣質(zhì)結(jié)核，屬中壓縮性土，淺黃褐色，局部具高壓縮性；卵石層其粒徑以20～100mm 為主，最大粒徑達400mm，多為亞圓形，磨圓度為中，分選性差，卵石成分主要為砂巖、石英巖、玄武巖等，微風化，極少為強風化、中風化，卵石含量高達35%～45%，填充物以砂、礫砂為主，少量黏性土、粉質(zhì)黏土。卵石層厚10～28m，平均厚度20m。超重型動力觸探試驗經(jīng)桿長修正后平均值N120=11.4 擊。

2 工程重難點分析

工程主要重難點有：卵石地層掘進刀盤、刀具磨損及換刀困難；砂層掘進時的渣土塑流性、止水性差；在含有黏性土的卵石地層中掘進，易產(chǎn)生刀盤的堵塞及“糊刀”現(xiàn)象；地表沉降控制難度大。

3 盾構(gòu)選型及適應(yīng)性分析

3.1 盾構(gòu)選型

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)條件、詳勘報告及投標書相關(guān)要求，分析盾構(gòu)設(shè)計特點如下。

1）盾體為后鉸接結(jié)構(gòu)，注漿管內(nèi)置，滿足最小250m 轉(zhuǎn)彎半徑，同時可適應(yīng)1500m 及1200m 管片施工。

2）人艙采用并列雙艙在前盾上部安裝形式，以利于復(fù)合地層換刀的快捷安全。

3）土倉采用中心隔板固定方式并配有高壓水沖刷系統(tǒng)，有效防止土倉中心 泥餅。

4）刀盤采用六主梁+六面板結(jié)構(gòu)，減少在砂卵石層施工中攪拌扭矩，刀盤開口均勻分布，加強渣土改良，有效防止刀盤泥餅。

5）螺旋機具有優(yōu)良的耐磨性能，延長砂層掘進的修復(fù)周期。

6）主機皮帶機坡度≯10°，在發(fā)生噴涌是可順利輸送水性渣土，避免濺落。

7）泡沫系統(tǒng)采用單管單泵設(shè)計，確保渣土改良的有效性及效果，避免泥餅。

本區(qū)間盾構(gòu)選用?6470mm 土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如下。

3.2 盾構(gòu)刀盤刀具適應(yīng)性分析

結(jié)合本工程地質(zhì)概況，盾構(gòu)刀盤采用復(fù)合式刀盤，刀盤結(jié)構(gòu)為6 主梁+6 面板形式，刀盤開口率35%，開口結(jié)構(gòu)在整個刀盤盤面均勻分布，利于渣土流動的性質(zhì)使土壓傳遞更流暢；降低刀盤泥餅的形成。

結(jié)合工程地質(zhì)情況，在掘進過程中刀具易發(fā)生較大的磨損消耗和異常損壞。為提高刀具在大粒徑砂卵石地層中的適應(yīng)性，采用刃寬為28mm的18 寸滾刀，刀圈材料選用加厚刀圈（刃口寬25.4～32mm）抗磨性材料，刀轂表面增加耐磨焊，可適當提高刀具的抗沖擊和耐磨性能，提高盾構(gòu)刀具的使用壽命，光面刀圈按刃口分類如下。

1）超薄刀圈（刃口寬＜19.1mm）：刃口薄，破巖效果好，適用巖面穩(wěn)定、均一的堅硬巖～極硬巖。

2）較薄刀圈（刃口寬19mm）：破巖效果好，適用于掌子面穩(wěn)定的堅硬巖。

3）普通刀圈（刃口寬22mm）：破巖效果適中，適用于裂隙發(fā)育、溶洞、基巖凸起、孤石等復(fù)雜地況的中硬巖。

4）加厚刀圈（刃口寬25.4～32mm）：耐磨性、抗沖擊性較好，破巖效果稍差，適合于大貫入度的極軟巖地層、砂卵地層或沙層。

刃口形式與地層匹配的是否得當將直接影響盾構(gòu)掘進效率與成本。臨界最大貫入度與刀圈刃寬關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 臨界最大貫入度與刀圈刃寬關(guān)系曲線

土壓盾構(gòu)卵石地層掘進時，扭矩多數(shù)來源于克服倉內(nèi)渣土堆積扭矩，且受卵石粒徑大小影響，扭矩波動較大，邊滾刀沖擊較大；砂卵石地層較為松散，滾動對掌子面的剝落作用明顯大于破碎（即：卵石未達到破碎條件已經(jīng)脫離掌子面），故滾刀選擇時偏重于耐磨、耐沖擊型；考慮倉內(nèi)卵石堆積且粒徑不均，對滾刀造成的沖擊較大；刀圈選用梯度硬度刀圈避免崩刃、斷刃現(xiàn)象。盾構(gòu)刀盤及刀具主要參數(shù)如下：①刀盤：規(guī)格（直徑×長度）為?6470mm×1595mm，泡沫口數(shù)量6 個，旋轉(zhuǎn)方向為正反向，膨潤土口數(shù)量（與泡沫共用）2 個，開口率35%，主動攪拌臂數(shù)量4 件，結(jié)構(gòu)總重約60t，主要結(jié)構(gòu)件材質(zhì)Q345B；②滾刀：中心滾刀4 把，單刃滾刀32把，高度187.5mm，高度187.5mm；③焊接撕裂刀：刮刀數(shù)量23 把，刮刀徑向伸出量155mm；④邊刮刀：數(shù)量8 把，高度130mm；⑤切刀：數(shù)量36 把，高度130mm；⑥保徑刀及外圈梁保護刀：保徑刀數(shù)量12 把，2 整環(huán)合金耐磨塊；⑦仿形刀：數(shù)量1 把，磨損檢測點數(shù)量4 個，超挖量40mm。

3.3 螺旋輸送機選型

螺旋輸送機有無軸螺旋輸送機和有軸螺旋輸送機：無軸是采用了無中心軸設(shè)計，利用具有一定柔性的鋼制螺旋來對物料進行推送；有軸則是利用螺旋將物料在機殼內(nèi)推移，從而實現(xiàn)輸送，承載力要比無軸螺旋輸送機大，且使用安全可靠（不易噴涌）、具有很強的適應(yīng)能力、安裝維修方便、機器體積小，轉(zhuǎn)速比較高，能實現(xiàn)輸送快速而均勻、機器運行噪音低，密封性好，且整機剛性好。

為解決盾構(gòu)在大粒徑砂卵石地層掘進過程中螺旋輸送機卡機和其噴涌問題，螺旋轉(zhuǎn)送機選用內(nèi)徑0.92m 的軸式葉片，其螺旋轉(zhuǎn)送機最大性能參數(shù)，扭矩210kNm，轉(zhuǎn)速22r/min，通過粒徑350×560mm，在螺旋輸送機筒體上設(shè)置有2 處渣土改良口，在土倉內(nèi)設(shè)一道前端閘門，出碴口設(shè)雙閘門，可調(diào)伸縮行程最大達到0.9m，斷電時可自主關(guān)閉出碴口，從而有效的防止了由于斷電造成的噴涌現(xiàn)象。

1）筒體耐磨設(shè)計（圖2）：前盾螺旋輸送機筒體內(nèi)套表面貼有耐磨復(fù)合鋼板，前端兩節(jié)筒體內(nèi)表面貼復(fù)合耐磨鋼板。

圖2 筒體耐磨設(shè)計

2）葉片耐磨設(shè)計（圖3）：葉片軸前部外圓鑲焊合金耐磨塊，在螺旋葉片迎渣方向堆焊耐磨網(wǎng)格。

圖3 葉片耐磨設(shè)計

3）防噴涌設(shè)計（圖4）：采用兩道下出渣方式，兩道閘門呈相反方向，當兩道閘門同時開啟時渣土沿曲線流動，起到一定的減壓作用，從而起到防噴涌作用；同時，設(shè)立兩道閘門，當使用一道門時，另一道閘門起到備用作用，并且兩道閘門可實現(xiàn)單獨控制。

圖4 螺旋輸送機閘門示意圖

4 大粒徑卵石地層土壓盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)開倉作業(yè)注意事項

開倉作業(yè)主要施工控制點為掌子面穩(wěn)定及有害氣體檢測，以保證倉內(nèi)作業(yè)人員安全。按照地鐵施工經(jīng)驗，開倉加固方法采用：降水+素樁加固方法（圖5）。

圖5 開倉加固示意圖

開倉作業(yè)選在地層較好、掌子面較穩(wěn)定、地面條件允許，可以在常壓條件下進行進倉作業(yè)。

1）開倉前準備工作：開倉前必須保證人員全部到位，同時將準備好的機具、工具、材料等運送到工作區(qū)域，并進行清點登記。

2）將土倉內(nèi)碴土出至倉門以下，打開倉門，通入新鮮空氣，將土倉內(nèi)空氣置換。完成置換后后用氣體測試器進行測試，一切正常后方可進倉進行操作。

3）人員進入氣壓倉后，觀察周圍情況是否穩(wěn)定，如果比較穩(wěn)定則按計劃進行倉內(nèi)作業(yè)，同時現(xiàn)場工程師收集影像資料。

4）倉內(nèi)作業(yè)完畢后，現(xiàn)場人員應(yīng)按進倉前登記記錄檢查是否在氣壓倉遺留有工具或其他雜物，倉內(nèi)的管線、管路是否完好正常。確認后，撤離土壓倉，關(guān)閉倉門。

為使開倉換刀作業(yè)有序地進行，制定開倉換刀作業(yè)程序（圖6），并建立相應(yīng)的簽認制度。由當班負責人負責組織簽認。

圖6 開倉流程示意圖

4.2 盾構(gòu)刀具磨損問題

穿越澗河段地層砂卵石含量高、粒徑更大、硬度大給施工帶來一大難題就是刀盤刀具磨損較快，在此段（690m）掘進過程中前后開倉對比發(fā)現(xiàn)：2 把中心刀偏磨需更換、32 把單刃滾刀均有不同程度的磨損（最小磨損量15mm、最大磨損量40mm）、8 把邊刮刀掉落2 把，剩余6 把邊刮刀合金塊破損嚴重，最大磨損量30mm，36 把切刀最大磨損量30mm，其中11 把切刀需要更換，根據(jù)以上經(jīng)驗項目組織討論左線刀具優(yōu)化方案，經(jīng)討論決定將17 寸滾刀更換成18 寸滾刀，同時加大滾刀保護塊，對邊刮刀刀座背部進行支撐肋板加固，在刀盤外圍增加筋板。改造后的掘進過程中不但減少了刀具的磨損而且掘進效率也有明顯提高，總體效果非常突出。

4.3 卡刀盤問題

右線盾構(gòu)掘進至212 環(huán)，各參數(shù)均處于正常范圍，單班掘進在8～10 環(huán)，土倉上部壓力穩(wěn)定在1.2bar，刀盤扭矩在1200～2500kNm，平均推力在1000～1700t，推進速度在50～70mm/min，但掘進至213 環(huán)時，發(fā)現(xiàn)上部壓力突然從1.2bar 下降至0.56bar，扭矩從1500kNm 升至3650kNm，刀盤漸漸無法轉(zhuǎn)動，地面檢測人員反映地表沉降達3mm，地面有冒漿情況。項目首先對卡刀盤位置地質(zhì)情況進行調(diào)查，盾構(gòu)刀盤位于卵石層中，卵石厚度6m，上覆土厚度13.6m。分析卡刀盤原因可能是由于地層本身存在空洞或卵石不穩(wěn)定空隙較大，施工過程中地層擾動導(dǎo)致坍塌，盾構(gòu)被壓埋。核實液壓馬達、主驅(qū)動等部件情況時發(fā)現(xiàn)3 號液壓馬達有輕微晃動，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)液壓馬達固定螺栓有一個斷裂，后迅速采取措施進行更換，更換后情況仍無好轉(zhuǎn)。項目立即采取以下措施：注入膨潤土、利用脫困扭矩通過正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動刀盤、加大螺機轉(zhuǎn)速、收縮千斤頂加大艙內(nèi)壓力至1.5bar 左右時盾構(gòu)稍有后退，刀盤已能緩慢轉(zhuǎn)動，經(jīng)緩慢推進、加強渣土改良，盾構(gòu)逐漸恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。左線在掘進至371、565、環(huán)時也有類似卡刀盤等情況，通過類似的方案解決此類問題。

考慮到地層的綜合性、多變性及卵石層段較長，為確保有效的控制地表沉降和針對性降低對設(shè)備的損耗的控制，掘進參數(shù)的合理性和設(shè)備的適應(yīng)性，就凸顯的尤為關(guān)鍵。根據(jù)掘進情況和地表沉降檢測的情況來看，參數(shù)選擇如下。

以上參數(shù)為正常掘進參數(shù)，如地層出現(xiàn)變化可根據(jù)實際情況做出合理的微調(diào)。如出現(xiàn)較大的參數(shù)不合理變化要及時進行調(diào)整。

4.4 螺旋輸送機故障

左線盾構(gòu)掘進至482 環(huán)，螺旋輸送機各參數(shù)均處于正常范圍：螺機扭矩在90～150kNm，螺機轉(zhuǎn)速在12～17r/min。在掘進至483 環(huán)時螺機扭矩突然增大至200kNm 左右，轉(zhuǎn)速下降至5r/min 左右，螺旋輸送機漸漸無法正常轉(zhuǎn)動，并有異響，確定螺機卡滯，此時停止掘進，主司機立即采取措施收縮螺機及反轉(zhuǎn)螺機進行試圖使卡滯物體排出，均不能正常操作，經(jīng)反復(fù)操作初步判斷在螺機中下部有大粒徑卵石，導(dǎo)致螺機卡死。針對以上情況，項目部立即組織相關(guān)人員召開螺機卡滯脫困方案討論，根據(jù)施工經(jīng)驗制定實施性方案操作如下：首先從螺機上部注入潤滑油，間接性正反轉(zhuǎn)螺機，效果不明顯；其次將高壓水從螺機底部球閥注入，反復(fù)沖洗螺機內(nèi)渣土，雖稍有好轉(zhuǎn)，但效果不佳；再通過正反轉(zhuǎn)會使摩擦部位的溫度升高，用紅外線溫度計配備機械聽診儀確定被卡部位；最后確定被卡部位后，為防止螺機噴涌在螺機筒壁上焊接弧形閘板閥后開孔，取出被卡物，恢復(fù)筒壁。出洞后發(fā)現(xiàn)螺機螺旋耐磨塊磨損嚴重，根據(jù)磨損情況建議后期掘進施工螺機選用時適當加大螺機直徑、加大螺機壁厚、提高耐磨塊的耐磨性能。

5 結(jié)論與討論

針對七里河站～王城公園站區(qū)間的掘進情況，得出以下結(jié)論：①在大粒徑砂卵石地層掘進中渣土改良尤為關(guān)鍵，適當添加膨潤土能有效減小刀盤扭矩；②使用18 寸滾刀代替17 寸滾刀、對滾刀進行耐磨性改良能很好地提高刀具壽命；③掘進速度不宜過快，保持在50～60mm/min，掘進速度過快刀盤貫入度過高，容易卡刀盤。

對于土壓盾構(gòu)在大粒徑砂卵石刀具選擇方面有以下幾點討論。

1）滾刀首先與掌子面接觸，可以有效地切入砂卵石層，切刀、刮刀輔助切削，能有效保護卵石對刀盤磨損。

2）單刃滾刀優(yōu)于雙刃滾刀，雙人滾刀較單刃滾刀容易偏磨。單刃滾刀磨損因數(shù)小于雙人滾刀。

3）使用膨潤土直接與掌子面接觸；有利于螺機帶出土倉內(nèi)卵石；讓膨潤土在刀盤前滲透，形成一定的泥膜穩(wěn)定掌子面土壓；潤滑刀盤，降低刀盤扭矩，減小刀盤刀具的磨損。

總之砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工應(yīng)根據(jù)地表建構(gòu)筑物保護情況、砂卵石粒徑及含量、地下水情況等影響進行綜合考慮分析合理增加設(shè)備配置提高性能，重點還要加強刀具的配置、刀盤開口率、螺旋送機的選擇；同時主司機的業(yè)務(wù)水平及處理問題的能力也尤為關(guān)鍵，例如掘進過程中艙內(nèi)壓力適應(yīng)性、掘進參數(shù)的優(yōu)化、刀盤卡滯脫困手段等。