南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间复合地层内盾构掘进控制技术

金 华

(南京地铁建设有限责任公司,210008,南京∥高级工程师)



南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间复合地层内盾构掘进控制技术

金 华

(南京地铁建设有限责任公司,210008,南京∥高级工程师)

南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间盾构沿线穿越复合地层时极易引发盾构过度磨损和掘进功效低下等不良后果。从盾构选型设计、盾构掘进关键参数控制和辅助控制措施等多方面开展研究,总结了满足该区间施工要求的掘进综合控制措施。研究结果表明，选用复合式盾构且根据掘进断面地层特性动态调整掘进模式和施工参数、优化浆液和改良剂配方的综合控制技术可以保障盾构安全穿越复合地层。

地铁；复合地层；盾构；掘进模式

Author′s address Nanjing Metro Construction Co.,Ltd.,210008,Nanjing,China

土压平衡盾构复合地层施工是盾构施工领域的传统难题。穿越复合地层时盾构常遭遇到过度磨损、掘进功效低下甚至是刀盘被卡或刀盘断裂等事故。广州、深圳和南京等城市均为典型的复合地层。文献[1-10]对盾构在此类地层内穿越的施工控制技术开展了系统的研究,形成了盾构选型设计、盾构施工控制和辅助工法等系列技术。但南京与其他城市复合地层相比有自己的特点。例如，南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间隧道穿越的复合地层，具备沿线地质特性变化快等特点,是南京地区具有代表性的复合地层区间。针对南京复合地层的大直径泥水盾构掘进技术已开展较系统的研究[11],而中小直径的地铁盾构隧道尚缺乏系统性的研究。

故依托南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间,从盾构选型设计、盾构掘进关键参数控制和辅助控制措施开展多方面研究,形成了满足本区间施工要求的掘进综合控制措施。

1 工程概况

所谓岩土复合地层,指在隧道断面上既有土层又有岩层,且两者岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层。南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间位于南京市玄武区,区间隧道为双线隧道。其左线长2 688 m,共2 227环管片；右线长2 684 m,共2 223环管片。区间设置中间风井1座,联络通道4座。其中，2号联络通道及泵房与中间风井合建。隧道设置4条平面曲线,且平面曲线最小半径为R = 350 m。纵断面设计为“V”型坡,最大纵坡坡度为28.495‰。隧道拱顶覆土厚度为9.2 ～34.0 m。至玄武湖边中间风井处的隧道埋深达最大34 m。区间主要穿越地层为③-2b2粉质黏土、②-2b4淤泥质粉质黏土、②-4c2-3粉土夹粉质黏土、③-4c3粉土夹粉质黏土、③-4e1混合土、δu-2-1强风化闪长岩、δu-3中风化闪长岩、T2 h-2j强风化角岩化泥岩、T2 h-3j中风化角岩化泥岩。

2 复合盾构技术

南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间隧道(以下简为“新—鸡区间”)在玄武湖底下穿九华山隧道。为避免破坏九华山隧道底部的抗拔桩,将下穿处的地铁隧道埋深大幅增加。这导致盾构隧道穿越的地层情况十分复杂，先由软土层逐渐进入到硬岩段,通过硬岩段后再回到软土层。其中，硬岩主要分布于情侣园段及玄武湖段。由于隧道穿越的地层含粉质黏土、粉细砂等软土,以及强度较高的闪长岩、角岩化泥岩等硬岩,因此盾构机的正确选型、掘进控制和必要的辅助控制措施是本区间成功穿越复合地层的关键要素。

2.1 盾构机选型要求

盾构机具有开挖系统、出碴系统、碴土改良系统、保压系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等，其基本功能应能够满足正常的盾构掘进要求[2]。

盾构机要穿越不同地层，不仅要能适应软土地层，对岩石地层的适应性也要强。

盾构机应具备土压平衡和气压平衡模式掘进功能,并能进行不同开挖模式的转换。

盾构机应具有足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力以破除软土及硬岩,并且保证盾构机能克服掌子面水土压力及盾构机与围岩的摩擦力向前掘进。

刀具配置合理,刀盘具备足够的刚度,刀盘开口率合适,开口位置合理。本区间为典型的复合地层,应进行合理的刀具配置,充分研究刀具的均衡性、各种刀具的破岩机理；除考虑各种刀具的轨迹覆盖整个刀盘面外,还应考虑刀具的组合形式、刀具的高度及高度差等性能并便于刀具更换。刀具配备型式统筹兼顾全断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层；还要考虑随着不同开挖面性状,灵活地变化刀具组合,有利于防止泥饼的形成和破除。根据地质详勘报告,部分地段岩石较硬,地层变化较快,闪长岩与角岩化泥岩相互侵入,岩层软硬不均,要求刀具具备足够的破岩能力。

由于新—鸡区间地层中有较多黏粒含量较高的粉质黏土及碾压研磨后粘性较高的强风化角岩化泥岩,因此盾构施工过程中必须进行渣土改良,通过向土仓和开挖面注入泡沫等措施来降低刀盘、螺旋输送机的扭矩,降低盾构机的负荷,降低刀具的磨损,防止产生泥饼,同时，在渗透性大的地层还可减少地下水的流失，控制土体平衡,有利于沉降控制;

盾构本体在压力状态下应有良好的防水密封性能。整个隧道区间顶覆土厚度9.2～34.0 m，其中，覆土最大处在玄武湖下方,掌子面最大水土压力可达到0.50 MPa,故刀盘主驱动密封应能承受此最大压力。

岩石地层含水量较大,且隧道埋深高达34.0 m,故水土压力较高，极易造成螺旋机喷涌。盾构机应具备防喷涌功能,对螺旋机闸门密封性要求高。

为了提高推进速度,减小刀具的磨损或破坏,施工中应加强对工作面地质条件的研究和预测,并根据不同的地层,及时更换与地层相适应的刀具,配置人仓及加压环境下作业设备。人仓可作为加压环境下作业保护屏障，对复合地层盾构机施工具有特殊意义。当通过软硬不均的地层，或遇到球形风化孤石时，或在常压下开挖面不能自立的地段,建立人仓加压环境可成为排除掘进障碍、更换刀具降低安全风险等作业不可缺少的条件。

综合考虑区间隧道的地质及水文条件、隧道断面设计、施工环境、施工场地条件及经济性等条件,新—鸡区间工程采用两台德国海瑞克铰接型复合式土压平衡盾构机。

2.2 复合地层盾构施工关键技术

2.2.1 掘进模式的选择

新—鸡区间工程所使用的海瑞克复合型盾构机根据土体的状况不同,采用不同的掘进模式进行掘进[3-4]:

本区间在所有的软土层段均采用土压平衡模式进行掘进。土压平衡模式主要在软弱土层等掌子面稳定性较差的地层和地下水含量较大时使用。土仓内渣土产生的压力能对掌子面进行有效支撑,从而避免掌子面以外的泥土涌入土仓(舱内完全充满土体)。开挖舱内的工作压力通过土压传感器进行连续监测。通过改变盾构机的掘进速度或螺旋输送机的转速,可调节土舱内的压力来适应隧道开挖面的压力。

在半土半岩地层段则选择以气压平衡模式掘进,即在土仓内加入一定的压缩空气,以减少土仓内的渣土量。土仓内的压缩气体同样能为掌子面提供有效支撑,既避免了掌子面软弱地层的失稳坍塌,又降低了盾构机刀盘的扭矩。

当开挖面土体的稳定性较好或全断面为岩石时,盾构机可采用其它操作模式(敞开模式)。此时，土仓中的土体可不经压力调节由螺旋输送机输送出去。敞开模式操作可减少摩擦和对刀具的二次磨损。掘进时,开挖仓内的1/2 或2/3是空的。此时不需要进行压力监测，而以面板式刀盘作为避免土层在松动状况下涌入开挖仓的机械支撑。在这种模式下,没有有效的隧道开挖面支撑。如在左线488—691环全断面中风化闪长岩段采用敞开模式进行掘进,土仓的中部及上部土压均为0。

2.2.2 掘进参数控制

当盾构机选型确定后,盾构机掘进参数控制就成为复合地层中盾构施工的关键[5-6]。推进参数的合理设置是保证盾构机正常掘进、减少对地层周围环境影响的关键因素。在软土段、半土半岩段及全断面岩层段其推进参数均有区别,均需对刀盘转速、推力(油压)、推进速度、贯入度、分区油压、接触压力及土压力等进行合理设定。

以新—鸡区间右线为例，全断面岩石段采用敞开模式推进,半土半岩段根据出土量及监测情况选择气压平衡模式或土压平衡模式等掘进模式,其他软土段则采用土压平衡模式。

工程师及盾构司机必须对盾构机推进时各参数的异常变化敏感,如有必要应停止推进,并分析原因。如新—鸡区间右线盾构机在517环时推进参数发生了异常。2012年6月12日推进517环时盾构扭矩由1.8 MN·m上升到3.0 MN·m以上,最高达3.5 MN·m(见图1),推力为9 000 kN,推进速度由8～10 mm/min 下降为2～4 mm/min(见图2),中心土压为0.05 MPa,而盾构掘进时土仓内有异常响声,卡刀盘现象频繁。于是立即停止盾构掘进,开仓检查。

图1 新—鸡区间517环盾构刀盘扭矩监控图

盾构开仓后发现其刀具损坏严重:周边滚刀基本损坏,其中滚刀后部刀圈开裂甚至掉落,刀盘3号臂滚刀磨损严重,1号臂齿刀掉落并损坏8把螺栓,周边8组刮刀大部分崩掉。经分析,主要为刀具掉落后,在刀盘旋转过程中撞击其他刀具,从而导致整盘刀具损坏严重。在进行复合地层掘进时,盾构机的各项异常大都可以从PDV(数据采集系统)信息中表现出来,如能够及时发现掘进参数的异常变化,则可防止对盾构机的进一步损坏,降低损失,减少风险。

图2 新—鸡区间517环盾构推进速度监控图

合理制定盾构掘进报表,包括掘进信息报表、油脂统计报表、掘进指令单、交接班记录、姿态报表、出土情况报表等,使掘进过程中的关键信息在报表记录中能够全部体现,为工程师指导盾构掘进提供参考。地面设置远程监控室,将盾构机PDV信息、导向及视频同步传送至地面监控画面上,以便工程师在地面实时了解盾构机的状态及各项参数。工程师对盾构机掘进时各参数不间断监控,实时指导盾构司机进行参数的调整,合理下达指令。

2.2.3 出土量控制

盾构推进过程中需要对土仓内的渣土进行土体改良。通过加入泡沫剂、分散剂或聚合物等添加剂来调整渣土的流动性、粘结性等。受地下水及岩石渣土的膨松影响,不同地层需控制不同的出土量,以防止超挖。根据整个区间的掘进经验,在粉细砂中出土量平均2.8箱/环,在粉质黏土层中掘进平均3.5箱/环,在硬岩段掘进平均4箱/环。在含水量较大的复合地层中出土量平均为4.5～5箱/环。本工程均采用16 m3土箱。

通过制定每箱土千斤顶行程记录表,能够真实掌握推进时是否存在超挖现象。尤其在半土半岩地层中,由于掌子面上部土体较软,容易剥落,而下部为岩层,开挖难度大,如采用较高的土压则盾构推进困难,扭矩较大；如通过降低土压来减小扭矩,提高推进速度,则极易导致掌子面上部失稳坍塌,造成超挖,最终导致地面沉降较大。

2.2.4 渣土改良

高渗水性的土层(砂层、砾石等)中开挖时,需进行土体改良以保证盾构能够顺利掘进。由于该土层易于形成结块，故需保持螺旋输送机内的水压。在黏粒含量较高的黏土层中,同样需要进行土体改良来提高刀盘的切削效率,防止黏土附着在刀盘上形成泥饼;在不同种类的地质状况下,可选择使用泡沫、膨润土或聚合添加剂(如聚合物、分散剂等)等作为土体改良的介质。

2.2.5 刀具管理

刀具是实现盾构进行有效开挖的基本工具,其正常工作与否直接关系到盾构机的正常掘进。盾构在硬岩等复合地层推进时,其刀具极易受到损坏。对刀具的保护及其重要。

对于硬岩段掌子面比较稳定的地层,尽可能创造开仓条件,勤开仓,勤检查,及时更换刀具。

复合地层的岩层强度高且软硬不均,强度变化快,故盾构在此软硬不均地层中掘进时,刀具受不均匀撞击磨损严重,推进困难,换刀频繁。当刀具磨损超过规定值时必须更换。其中，如一般周边滚刀正常磨损超过1.0 cm,正面滚刀正常磨损超过2.5 cm，则必须及时更换。而周边滚刀和刮刀必须完好,以保证开挖直径不变,防止盾壳被卡。

在全断面硬岩段掘进时,应对齿刀加以保护或者拆除,亦应对刮刀加以保护,防止因岩石撞击或者掉落刀具撞击将其撞落,并防止刀架损坏和刀盘磨损。具体加固措施如图3、图4和图5所示。主要加固方法包括拆除齿刀并加钢板、齿刀两侧用3 cm厚钢板焊接加固和周边刮刀用3 cm厚钢板加固等。

图3 拆除齿刀并加钢板保护刀座

例如，新—鸡区间左线盾构在514环时,其全断面为硬岩段掌子面。故拆除正面所有齿刀,并对刀座进行保护。在掘进至619环即将进入软土段时再将所有齿刀恢复。整个区间掘进过程中无一把齿刀受到损伤,同时保证了软土段的有效开挖。

图4 齿刀两侧用3 cm钢板焊接加固

图5 周边刮刀用3 cm钢板加固

应根据岩石的硬度及地质情况选择刀具,并合理配置刀圈硬度和启动扭矩。在新—鸡区间强度较高的闪长岩段,盾构采用的刀圈硬度为56HRC,启动扭矩为31～32 N·m;在强度较低的泥岩段是,盾构采用的刀圈硬度为52HRC,启动扭矩为24～25 N·m。结果表明，合理的配置减少了刀圈的开裂和滚刀的偏磨。

必须对刀具磨损原因及损坏原因进行分析,并据此在刀具修理和新刀选择时制定参数。应对每一次更换下来的旧刀磨损状态和拆解后内部情况进行查看分析,以为刀具修理及新刀的参数选择提供指导。

由于刀盘的所有刀具为一个整体,故其工作的能力应相同才能发挥最大的效果。维修的刀具要达到新刀的性能,则同一盘刀其设置的参数应该相同,并尽量使用同一类型的刀具。

做好刀具管理工作,旧刀维修应对其编号,并在维修好的刀具上做好标记,对每一把刀的使用次数和维修次数及安装位置进行记录。

对周边拆除的正常磨损量较小的刀具,可在做简单保养后用在刀盘正面。而盾构在复合地层中刀具受撞击,或在全断面硬岩层中刀具受高强度岩石碾磨等情况,均会加剧刀具磨损。新—鸡区间右线掘进过程中共进行了14次换刀(12次为常压换刀,2次为带压换刀),累计更换滚刀165把(不含风井保养),换刀停机时间长达60 d;新—鸡区间左线掘进过程中进行了8次换刀(7次为常压换刀,1次为带压换刀),累计更换滚刀119把(不含风井保养),换刀停机时间长达32 d。

2.2.6 地下水的影响及控制措施

复合地层中掘进最难处理的就是地下水。尤其在上软下硬土层中,必须保证土仓压力推进。沿线的岩石裂隙水如不断汇集,则会沿着隧道间隙和岩石间隙不断向土仓内汇集,从而造成螺旋机喷涌严重、管片渗漏、土压较高等一系列问题。在埋深较大水土压力高的地层,螺旋机喷涌尤其严重。直接导致的后果就是盾尾部分的清理量极大,无法及时拼装盾构机,导致盾构掘进效率低。而且，长时间停机清理时,地下水依然在不断汇集,从而形成一种恶性循环,即每推进一环都需要进行大量的清理工作。因此必须要采取有效的措施对地下水进行封堵。

封堵时具体采用同步注浆+二次注浆的措施。同步注浆采用水泥砂浆可硬性浆液[7],可防止管片壁后填充的浆液被地下水冲走造成；同时，其产生强度后还具有止水效果,可防止管片渗漏及上浮等。水泥砂浆可硬性浆液配比如表1所示。

表1 水泥砂浆配比表

二次注浆在盾尾后方管片壁后进行。每5环打一道双液浆环箍(见图6),以形成止水环,封堵隧道后方来水。

图6 管片壁后打环箍示意图

当地下水含量较大且盾尾刷受到损坏时,地下水会沿着盾尾管片纵缝进入盾尾,从而造成盾尾清理量较大和拼装困难及设备进水损坏。可通过在管片止水带外圈纵缝处贴海绵条,防止水进入盾尾。

在止水难度较大时,可通过管片壁后注入聚氨酯,堵塞水流通道。

螺旋机喷涌严重时,可通过土仓隔板球阀向土仓内加聚合物进行土体改良,增加土体粘性,以便在螺旋机内形成柱塞,从而减弱螺旋机的喷涌。

盾尾泥浆均来自于螺旋机出土口。由于短时间出土量较大且渣土呈泥浆状,渣土容易从皮带机上掉落和溢出。因此可改造螺旋机出土口,尽量减少渣土掉落的量,以节省大量清理时间,提高盾构掘进效率。

3 结论

通过对南京地铁3号线新庄站—鸡鸣寺站区间复合地层内盾构掘进控制技术探讨,结论如下:

(1) 铰接型复合式土压平衡盾构机能适应南京3号线新—鸡区间,区间沿程应根据掘进断面地层特性动态调整掘进模式和施工参数。

(2) 齿刀及刮刀应加以重点保护,并在掘进施工中采用泡沫剂进行土体改良，以进一步减小磨损量。

(3) 同步注浆宜选用水泥砂浆可硬性浆液。

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Shield Tunneling Control Technology in Complex Strata on Nanjing Metro Line: a Section from Xinzhuang Station to Jimingsi Station

JIN Hua

Excessive wear and low efficiency often occur when the shield passes through the complex strata in Xinzhuang Station-Jimingsi Station interval on Nanjing metro Line 3. In this paper, the selection of the shield design, key parameters control in shield tunneling and auxiliary control measures are studied, the comprehensive control measure is summarized to meet the construction requirements. The research shows the composite shield that adopts comprehensive control technology can ensure the security of shield tunneling through the complex strata, by adjusting the driving mode, construction parameters, optimized grout and improved formula according to the dynamic characteristics in driving section formation.

metro; complex strata; shield; tunneling mode

U455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.06.024

2016-01-10)