富水砂卵石地层地铁隧道盾构施工问题与处置措施

撒应群 （中国中铁股份有限公司，北京 100039）

1 成都地铁主要地质简况

成都盾构隧道穿越的地层主要有粉土、细砂、卵石土（2-8）、密度不一的卵石层（3-8）和风化泥岩（5-2、5-3），以及卵石层与泥岩复合地层等。卵石地层中的卵石含量50%～85%，卵石粒径从2cm～15cm，局部含漂石，粒径达20cm，充填物为砾石、细砂或中砂；卵石地层富水时自稳差，但失水后具有一定自稳性。全强风化泥岩（5-2、5-3）呈半岩半土、碎块状，软硬不均，遇水易软化，容易形成“泥饼”。

成都位于岷江水系冲洪积区，根据区域水文地质资料，区内地下水季节性变化明显，水位总体呈西北高东南低，沿河一带高，河间阶地中部低的特点。盾构隧道范围以孔隙水和基岩裂隙水居多，渗透系数为18m/d～22m/d，属于富水地层。

2 成都地铁盾构施工的主要难点

通过成都地铁前一阶段盾构掘进施工的情况来看，泥水盾构和土压平衡盾构机在砂卵地层均可采用。泥水、土压平衡两种类型的盾构机在成都地质情况下施工的共同难点：

①隧道穿越粘土和砂卵石地层，地面环境复杂，防沉降控制要求高；

②卵石地层盾构掘进困难，卵石地层难以切削，且搅拌阻力大，卵石进入土仓后，建立土压掘进时刀盘扭矩高，达到设备扭矩极限时就容易卡刀盘，甚至刀盘旋转跳闸；

③刀盘刀具磨损快，开仓检查且换刀困难；

④部分地段为粉质粘土，易形成泥饼；

⑤富水砂卵石地层渣土改良困难，容易出现喷涌现象。

3 工程的主要应对措施

3.1 应对措施理念主要贯穿三点

①盾构在卵砾石地层的要能够建足土压掘进，确保地层不坍塌，地表不发生异常沉降。

②刀盘开口和渣土改良适宜，满足砂卵石、泥岩地层的顺利掘进和防结泥饼的需要。

③刀盘、刀具和螺旋输送机有足够的强度和良好的耐磨性，不易出现异常损坏，尽可能长距离不换刀。

④优先采用降水常压换刀措施，降水过程做好地层加固处理，减少地下水流失和有效控制地面沉降。

3.2 提高主驱动大扭矩的措施

由于卵石土、稍密、中密砂卵石地层的不自稳或空洞的存在，盾构掘进扰动时容易出现地表异常沉降或地层坍陷。刀盘刀具以冲击剥离或刮切方式使卵石层掉落，刀盘切削力矩很大，对于密实度不同的地层，随着贯入度的加大，切削扭矩上升较快，在失水性致密砂卵石地层（3-8-4）中表现尤为突出。通过停止推进测试，搅拌摩擦力矩在2000～3000kN·m左右，平均切削力矩在1500～2000kN·m左右；碴土改良至浆状，土仓顶部压力约为0.5bar时，刀盘扭矩可达到4000kN·m左右。如果压力升高至0.7～0.9bar，所需扭矩达5000～5500kN·m左右。

由于成都主要地质为砂卵石层，易发生刀盘被卵石卡住的现象，因此在盾构中采用液压驱动。主驱动采用9组液压马达驱动，驱动功率945kW，额定扭矩6650kN·m（扭矩系统26.8），脱困扭矩8100kN·m，可以满足在对扭矩要求较高的地层中掘进；最高转3.35r/min，可以满足在风化岩中较快转速的掘进要求。

3.3 盾构出渣的约束条件及防结泥饼应对措施

为确保卵石不堵塞或卡死螺旋输送机，使盾构能够在砂卵石地层顺利掘进，刀盘的开口尺寸是制约卵石排出的主要约束条件。

为使盾构能够在砂卵石地层顺利掘进，采用四辐条加强面板形式刀盘，开口率36%（中心38%)。对刀盘进渣通道采取前小后大或倒喇叭型，在满足刀盘强度的同时，进渣土通道尽量缩短，使渣土顺利快速进入土仓，减小刀盘结泥饼的概率。刀盘开口率大能够将土仓压力更有效的传递到开挖面，配合大扭矩形成土仓压力，避免开挖面坍塌；同时减少面板面积和挤压碴土的数量，降低刀盘摩擦力矩和对刀具的二次磨损；能够在螺旋输送机通过粒径范围内，向土仓排放剥落的卵石，减少刀具的荷载，延长其使用寿命；可以减小刀盘中心结泥饼的概率。

此外，刀盘背部安装4根主动搅拌棒和前盾隔板4根被动搅拌棒，能较好的对土仓渣土进行搅拌，提高渣土的流动性和螺旋机出渣效率，防止土仓结泥饼。在隔板上同时安装了3个高压水冲刷口，可对土仓中心部位的渣土进行冲刷，防止土仓中心产生泥饼。

3.4 刀盘、刀具和输送系统配置及防磨损措施

整个刀盘盘体及刀体本身直接与卵石接触，卵石对刀具、刀盘盘体、螺旋输送机叶片和筒体内壁都发生磨损。刀盘采用四支撑，通过圆环形法兰与主轴承连接，土仓中心隔板固定并安装有搅拌棒和中心冲刷装置，采用四辐条加准面板形式刀盘，开口率36%（中心38%)，能够有效防止土仓中心泥饼或堵仓产生。刀盘面板设计成耐磨复合钢板+耐磨网格，刀盘外圈梁焊有耐磨合金进行保护。

表1

刀具配置上采用加厚加大刀圈的滚刀、与滚刀同轨迹的焊接撕裂刀、宽重型刮刀立体布置形式。刀箱通用，可安装可更换撕裂刀、单刃及双刃滚刀。

根据成都富水砂卵石层施工经验，宜采用轴式螺旋输送机，是因为成都地铁卵石层均位于水位线下，局部有承压水。螺旋输送机内径800mm，最大通过粒径290×560mm，盾构出土口设置2个出渣闸门，交替开启以降低喷涌压力。预留了膨润土和高分子聚合物注入接口，必要时，可向土仓壁和螺旋机内注入膨润土或高分子聚合物，以缓解螺旋机的喷碴压力。设置保压泵接口，必要时可联接泥浆泵或泥浆管，缓解喷碴压力。螺旋机轴可伸缩，伸缩量800mm。在螺旋轴前端叶片上焊装有耐磨块，在螺旋机前端筒体加装可更换的耐磨板。通过以上措施，刀盘面板耐磨并防泥饼产生，刀具便于更换和耐磨，螺旋输送机耐磨防喷涌。

为降低推进阻力减少刀具的磨损，可调整土仓压力实施适当的欠压推进。欠压推进可有效减少刀具的磨损率及设备能耗，同时亦可提高掘进速度和减少刀盘固结泥饼出现的因素、降低渣土改良的成本。

3.5 渣土改良措施

渣土改良做为盾构施工中一个重要的环节，尤其对提高盾构掘进效率以及控制地面沉降有较大的影响。渣土改良技术应用的好坏，对降低工程造价、提高工程施工进度都有着决定性的作用。

配备4路单管单泵泡沫系统进行渣土改良，不因出口压力不等而堵管。前盾及中盾共设计有12个壳外膨润土注入口。泡沫和膨润土管路独立，可同时注入到刀盘前部，利用刀盘的旋转进行充分的搅拌，能达到更好的渣土改良效果。

通过多次试验发现，采用膨润土溶液+泡沫。溶液对成都富水砂卵石地层的改良效果较好，改良出来的渣土具有较好的流塑性、止水性，盾构的各项掘进参数均控制较好，为成都富水砂卵石地层的掘进提供了一项新的渣土改良技术。

3.6 同步注浆及二次注浆系统措施

同步注浆是地表沉降控制的第二道防线，一般而言，在出土正常、同步注浆正常的情况下，地表沉降都能得到有效控制，除防止地表沉降外，同步注浆液还有增强防水和限制管片变形的作用。

为有效地对顶部空洞进行回填，盾尾顶部增设2根内置注浆管，盾尾注浆管共有6根，注浆时根据是否超挖情况，调整泵出口管路联接位置进行作业，可直接对顶部空洞进行回填。为了及时补充注浆效果，防止地表沉降及管片上浮，在盾构上设置管片背部二次注浆系统。

3.7 结合不同的地层变化，采用适宜的掘进参数

盾构在成都地铁掘进施工主要参数统计见表1。从表1中可以看出，盾构在成都地铁隧道各地层适应性表现良好，在各类型地层掘进表现在粘土和泥岩地层能建立平均0.8～1.0bar土压掘进，扭矩平均3500kN·m,掘进速度平均55mm/min，地表正常；在泥岩与卵石复合地层掘进时，能建立0.9bar的平衡压力，扭矩在4000kN·m左右，掘进速度50mm/min，地表没有异常沉降；尤其在砂卵石地层掘进时，能够建立0.6～0.9bar的土仓平衡压力，刀盘扭矩4000～4800kN·m，局部在密实砂卵石地层、大粒径卵石区最大也有6000kN·m，掘进速度达到30～50mm/min，地表无异常沉降。

4 工程效果

成都地铁盾构经过1、2号线及目前已经开始的延长线和3、4号线各区间的掘进，普遍形成的正常工况如下：

①刀盘扭矩约在3500～5000kN·m之间，转速约在1.0～1.5r/min之间；

②盾构推力约在800～1400t之间，推进速度约在30～55mm之间；

③土仓顶部压力约在0.6～0.9bar之间；

④渣土改良普遍以泡沫+膨润土添加为主，必要时土仓和刀盘中心加水冲刷；

⑤刀具经过优化，换刀距离从最开始的100m进步到目前500m以上；

⑥砂卵石地层采取同步注浆+二次补注浆方式，更利于控制地层沉降；

⑦砂卵石地层优先采用降水换刀，减低安全风险和工程成本。

5 施工环境控制措施

施工环境主要体现在控制地面沉降和地表塌陷，避免对现有建构筑物和道路管线造成危害。控制地面沉降和地表塌陷的措施应从洞内施工过程参数控制和地表处理等两个方面考虑。

据试验段的施工经验，在未扰动时采取地面注浆根据地层的致密程度一般会出现两种情况：一是致密且水位较低时难以注入；二是松散、水量较大时浆液流失难以固结土体。在盾构通过后利用砂卵石地层上部覆盖的5m～6m的粘土层沉降的滞后效应，采取地面跟踪灌砂注浆的方法来控制地表沉降或塌陷。

为防止开仓引起的地表坍塌可采取如下措施:确定开仓位置后在刀盘前后的隧道轴线上施作适量的钻孔，孔的深度以达到盾体上部0.5m为宜；在清仓过程中并随清仓进度封闭刀盘开口尽可能不转动刀盘；检查刀盘前的掌子面情况如有空洞应立即通过钻孔灌砂；恢复推进后严格控制出渣量，通过计算如掘进进尺与出渣量不平衡立即通过钻孔灌砂以减少和延缓地面沉降；待盾构盾尾通过后及时补充灌砂并进行压力注浆。

6 结 论

①渣土改良、喷水涌砂、设备消耗和施工环境安全是其应解决的最主要难点。

②盾构机的出渣能力是其在砂卵石地层中施工是否适应的关键，出渣能力可以通过约束条件的改变和刀具的选型和布置来改善和提高。

③刀盘、刀具、螺旋输送机的耐磨性是制约盾构能否顺利施工的关键，如何提高其在砂卵石地层中耐久性是控制施工成本和施工安全应解决的首要问题。

④所有地铁工程线路一般是城市的中心，安全风险高，社会影响大，工程施工环境的控制是盾构在砂卵石地层施工中必须考虑的主要因素。

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