成都地铁4号线砂卵石地层土压平衡盾构施工技术

冯欢欢，杨书江

(1.中铁隧道集团盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001;2.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450001)

0 引言

盾构在砂卵石地层掘进时易出现刀盘刀具磨损、刀盘及螺机卡机等常见故障现象和滞后沉降等控制难点。针对盾构在砂卵石地层条件下掘进的特点，研究人员已从刀盘选型及优化设计、刀具磨损规律、同步注浆技术和地层沉降控制等方面进行了相关研究。张明富等［1］采用最新动态监测装置，对北京地铁4号线4标角门北路站—北京南站区间隧道盾构刀具进行磨损监测，并对砂卵石地层条件下盾构刀具动态磨损情况进行了分析;黄清飞［2］采用理论分析、现场实验及盾构模型实验等手段对砂卵石地层盾构刀盘刀具设计及其与土相互作用进行了系统深入地研究;王振飞等［3］对富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性进行了分析;宋克志等［4］和马连丛［5］分别进行了砂卵石地层条件下土压盾构施工泡沫技术和渣土改良技术的研究;杨书江［6］对成都地铁某富水砂卵石盾构区间地表坍塌原因进行初步分析，并结合工程实践提出相应的施工对策;何川等［7］对土压平衡盾构在富水砂卵石地层中的快速掘进技术进行了初步探讨;王树华［8］针对成都地铁砂卵石地层特点进行了盾构选型探讨;江华［9］以北京地区典型砂卵石地层盾构工程为背景，研究了土压平衡盾构与砂卵石地层的适应性特征。本文基于成都地铁4号线一期工程4标区间砂卵石地层条件下盾构施工情况，着重对小半径曲线段掘进、滞后沉降控制等工程难点进行分析，并提出相应应对措施。

1 工程概况

成都地铁4号线一期工程4标区间隧道起于苏坡立交站东端，止于草堂路站西端。区间隧道线路见图1。

图1 区间隧道路线示意图Fig.1 Route of the running tunnel

该区间盾构穿越地层主要为:粉质黏土〈2－3〉、粉土〈2－4〉、细砂〈2－5〉、中砂〈2－6〉及卵石土〈2－8〉。其中，卵石地层主要包括:松散卵石土〈2－8－1〉、稍密卵石土〈2－8－2〉、中密卵石土〈2－8－3〉和密实卵石土〈2－8－4〉。卵石含量50% ～75%，粒径以20～80 mm为主，部分粒径大于100 mm，充填物为中砂，局部夹漂石。该地层特点是整体松散、自稳性较差、经扰动后极易塌方，洞内和地面加固效果差。

2 掘进参数控制

盾构施工的关键是掘进参数的合理选择。施工时，根据地质环境和施工条件的变化，严格控制和灵活调整盾构掘进参数，主要包括土仓压力、出渣量、刀盘转速和扭矩、掘进速度和推力、注浆压力和流量等。

2.1 土仓压力控制

由于区间隧道为砂卵石地层，采用土压平衡模式掘进，刀盘极易“卡死”而造成推进困难，因而采取适量欠压模式掘进［10］。土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量的方法建立，并以维持切削土量与排土量的平衡为基准。在盾构掘进速度一定的情况下，主要通过调整螺旋输送机的转速来调整出土量，以维持土仓压力的相对平衡。盾构隧道覆土厚度9～13 m，掘进时土仓上方压力保持在0.1 MPa左右、土仓下方压力保持在0.08 MPa以上为宜。

2.2 出渣量控制

盾构在砂卵石地层掘进时，出渣超量会造成地面沉降超限，因此，必须将出渣量作为各项掘进参数的重点加以严格控制［11］。出渣量采用体积与质量双重控制机制，螺旋输送机出土以保证土压值的稳定为前提，不能过大波动。

施工中对渣斗车进行分格量化，从渣斗车顶往下每10 cm所对应的渣土数值进行精确计算，确保快速确定每环出渣量。掘进时采取渣土改良措施增加渣土的流动性和止水性，密切观察螺旋输送机的栓塞和出土情况，以及时调整添加剂的掺量。螺旋输送机转速一般控制在7～10 r/min为宜。

2.3 刀盘转速及扭矩

因富水砂卵石地层自稳性差，如刀盘转速过高，将加大刀盘、刀具的磨损，同时对土体扰动也会加大，不利于土体自稳，因此需适当降低刀盘转速［12］。刀盘转速控制在1.0～1.2 r/min较为合适，刀盘扭矩控制在3 000～4 600 kN·m为宜。

2.4 掘进速度和推力

理论上，只要有足够的推力就能获得足够的掘进速度，但在刀盘转速一定的情况下，掘进速度越大，刀盘贯入度也越大，在粒径大的密实卵石层中极易出现卡刀盘等不良现象。

推力的大小依据掘进速度来调整，过大会引起刀盘向掌子面的正压力增大，对刀盘扭矩控制不利。另外，推力也易受到土压变化的影响，从盾构总推力的构成分析，除了要克服盾体前进时的摩擦力和刀盘正面破碎岩石的正压力外，还要克服土体对掌子面的正压力，该项目盾构掘进速度与推力分别控制在45～55 mm/min、10 000～13 000 kN范围内为宜。

2.5 同步注浆压力和流量

注浆压力和注浆量是同步注浆的关键数据。

1)注浆压力。同步注浆最大压力根据底层的水土压力大小来确定。从盾尾圆周上的4个点同时注浆，上部2个注浆孔的压力控制在0.15～0.2 MPa，下部2个注浆孔的压力在0.2～0.25 MPa;

2)注浆量。浆液注浆率按1.5～2.2计算，每环同步注浆量按6 m3进行控制。

3)注浆速度。注浆速度和推进速度保持同步。

2.6 二次注浆参数

盾构欠压模式掘进过程中，易造成地面沉降，因此二次注浆至关重要。

1)当盾构正常掘进时。在富水砂卵石地层同步注浆浆液终凝时间长，为防止浆液流动，利用管片吊装孔孔位对管片背后进行补充注双液浆，每隔10环封闭1圈。

2)当盾构掘进出现超挖时。在出渣超量相应位置，利用管片吊装孔及时对管片上方进行注浆填充，以防止地面塌陷。

3 工程难点及对策

3.1 管片整环旋转现象

拼装成型的管片与设计要求的拼装位置相比较，旋转了一定的角度。当进入圆曲线后，不易调整，同时也增加了封顶块的拼装难度。

3.1.1 原因分析

1)千斤顶油压差大，管片受力不均匀产生相对转动;管片位置安放不准确，导致拼装时形成旋转。

2)千斤顶的受力方向与环面不垂直，盾构推进时产生导致管片转动的力矩;管片螺栓孔和螺栓之间一般留有3 mm的间隙，给2环管片之间相互错动提供了条件。

3)盾构刀盘长时间往一个方向旋转，盾构自身的反扭矩使管片旋转。

3.1.2 应对措施

1)控制好盾构推进的姿态，每组千斤顶的油压差避免过大;调整好管片环面的角度，减少推进过程中产生的转动力矩;拼装管片时管片要放置正确，千斤顶靠拢时要有足够的顶力使管片不发生相对滑动;管片拼装时，每个油缸的撑靴在顶到管片上时，要全部扶正，尽量使管片受力均匀。

2)拼装机操作时要动作平缓。

3)盾构主司机在掘进过程中，根据滚动角及时调整刀盘的转向。

3.2 小半径曲线段掘进控制

3.2.1 难点分析

盾构到达清江中路后，需经过1个小半径曲线段(R=400 m)。盾构在小半径曲线段掘进过程中，遇到的施工难点主要有:1)隧道轴线控制难度大，纠偏困难;2)管片在水平分力作用下容易发生较大的位移，造成管片错台;3)对地层扰动大，容易产生较大的地面沉降;4)管片易产生开裂和破损;5)漏水现象严重。

3.2.2 解决措施

对于小半径曲线段转弯的难点，主要从盾构掘进参数、盾构设备(铰接装置)和管片选型等方面来采取措施。

1)纠偏与隧道轴线控制措施。掌握好左右两侧油缸的推力差，尽量减小整体推力，实现慢速急转;盾构主司机根据地质情况和线路走向趋势，使盾构提前进入相应的预备姿态，减少因后期不良姿态引起的纠偏量。

2)控制管片水平移动。进入缓和曲线段时，将盾构姿态往曲线内侧偏移15～20 cm，形成反向预偏移，抵消后期管片向曲线外侧的偏移量。

3)减小对地层的扰动，避免大的沉降。

4)尽量避免错台和破损。

5)减少漏水。①做好盾构姿态控制，避免管片推裂变形;②提高管片拼装质量，掘进过程中多次复紧螺栓，压紧止水胶条;③做好盾尾止水注脂及注浆工作。

3.3 滞后沉降控制

3.3.1 滞后沉降过程分析

刀盘切削土体时，掌子面附近土体受其扰动，在刀盘的前方、上方易形成松散带，从而引起地层损失。这些地层损失随着时间推移逐渐扩散到地表，并通过地面沉降、塌陷进行释放［13］。以下分阶段阐述成都地铁4号线砂卵石地层盾构掘进沉降过程。

1)阶段1。掘进前，掌子面土体整体稳定，刀盘前方和盾壳上方土体略有松散，松散土体是受上次掘进扰动而自然松散的。掘进前土体状态如图2所示。

2)阶段2。掘进产生地层损失。掘进时，刀盘前方、上前方原有的松散土体落入土仓，掌子面上方土体出现空隙、空洞，从而形成地层损失。同时，由于砂卵石地层内摩擦角普遍较大，土层具有一定的成拱性，形成的空洞会暂时保持一段时间。掘进时掌子面上方产生空隙如图3所示。

图2 掘进前掌子面土体状态示意图Fig.2 Diagram of soil condition at tunnel face before boring

图3 掌子面上方空隙示意图Fig.3 Diagram of cavity above the tunnel face

3)阶段3。即时沉降发展。受重力等因素影响，盾体附近空洞顶部土体逐步松散、不断剥落，逐渐填满下方位置，从而使地层损失由盾体附近向上方发展。此阶段产生的地面沉降具有即时性、一次性，沉降完成后地面迅速趋于稳定。即时沉降地层损失向上发展过程如图4和图5所示。

图4 即时沉降发展示意图(发展中)Fig.4 Development of immediate settlement(in developing)

图5 即时沉降发展示意图(释放)Fig.5 Development of immediate settlement(released)

4)阶段4。再次沉降。大量降雨过后，地层水位逐渐上升，不断浸泡、冲刷地层，上层松散土体由于细颗粒被不断搬运，其土颗粒间隙越来越大，最终再次出现较大空隙甚至空洞，并在地下水流作用下快速向上发展，再次在地面释放地层损失，造成地面再次沉降、塌陷。再次沉降发展过程如图6和图7所示。

图6 再次沉降发展示意图(发展中)Fig.6 Development of secondary settlement(in developing)

图7 再次沉降发展示意图(释放)Fig.7 Development of secondary settlement(released)

3.3.2 控制措施

根据以上滞后沉降形成机制分析可知，成都地铁砂卵石地层滞后沉降产生周期长、突发性强、后期难以发现和监控。因此，必须遵循“防控为主，监测巡视为辅，建立有效应急机制”的治理方针，保障工程质量、维护公共安全。

1)掘进前控制。①掘进前做好地面原始高程测量和记录;②对即将通过地段进行全面仔细地地质分析，判断地层实际层状和土质结构，设定掘进参数值，确定掘进控制重难点;③根据前期分析，在进入困难地段、松散地层前，提前调整好盾构掘进状态［14］。

2)掘进中控制。①采用土压平衡模式掘进，保证出渣均匀连续;②进行渣土改良，调整好渣土流态，减少刀盘对地层的过多扰动;③避免强行纠偏，防止超挖而使地层损失增大;④严格控制出渣量，并加大同步注浆量，并选点及时进行洞内二次补充补浆;⑤做好各类监测、测量工作，实时掌握地层变形动态。

3)掘进后控制。对盾构通过后的地段进行及时、全面分析，包括掘进原始资料和地面监测资料等。重点分析的参数有:①松散系数、渣土构成、出渣方量和渣土称重。根据地质图分析掘进段渣土松散系数，同时参考实际渣土性状，判断理论出渣量及超挖情况;②掘进注浆速度、注浆量。根据实际注入的同步浆液、二次浆液情况判断地层松散情况，并且折算出同步注浆、二次注浆补损情况，评估地层损失量;③地面监测资料。根据地面沉降观测资料，制作沉降速率图，并根据沉降情况判断该段掘进后地层损失情况。通过综合分析以上各种参数，得出较为精确的地层实际受损情况。

根据分析，对即时沉降正在发生或即时沉降发生后、滞后沉降尚未发生的情况及受掘进扰动影响的地层进行注浆填充(见图8)。

图8 顶管注浆示意图Fig.8 Diagram of grouting

4)建立应急机制。①建立健全应急体系，确保信息渠道通畅;②责任到人、各司其责、分工明确;③设立专用抢险物资库，预备专用机械和材料;④全天候地面监测和巡视，发现异常及时处理。

5)注意事项。①地面在掘进后一周内塌陷或沉降量大的地段，其下地层基本为自由剥落的松散土，极易发生较大的滞后沉降;②掘进前、掘进中控制的目的是防止超挖、尽量减少地层损失，以控制滞后沉降产生条件;掘进后控制则是着重对可能产生滞后沉降的松散体进行跟踪处理，弥补其地层损失，从根本上消灭滞后沉降发生条件;③人是关键因素。使用经验丰富的盾构司机进行盾构掘进，技术熟练的工人进行盾构操作及施工，杜绝人为因素造成的沉降超限;④地面塌陷较浅时，采用级配良好的回填土回填，并视情况分层碾夯振实，塌陷深度大时，采用C20素混凝土灌注密实。

4 结论与讨论

在成都地铁4号线施工过程中，根据地质条件的变化及盾构掘进状态，实时调节刀盘转速及扭矩、推进速度、推力和注浆量等关键掘进参数，有效克服了管片整环旋转现象，顺利完成了小半径曲线段的施工，在滞后沉降控制等方面也取得了良好的效果，最终实现盾构安全、高效掘进。该工程的实施经验对富水砂卵石地层的盾构施工具有较好的借鉴意义，拓展了土压平衡盾构的适用范围。但在滞后沉降控制方面仍需要进一步研究，如何有效检测掘进形成的地层损失也是今后研究的重点。

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