郑州地铁砂性地层盾构长距离掘进技术研究

张 昭

(郑州市轨道交通有限公司， 河南 郑州 450000)



郑州地铁砂性地层盾构长距离掘进技术研究

张 昭

(郑州市轨道交通有限公司， 河南 郑州 450000)

为解决盾构在砂性地层中长距离掘进可能存在的风险难题，以郑州地铁1号线2期工程为背景，分析盾构在砂性地层长距离掘进施工中可能存在的风险，在盾构掘进前针对所穿越地层的物理力学参数从耐磨性、刀盘开口率等方面对盾构进行适应性设计，在盾构掘进过程中通过现场试验确定合理的土体改良措施和注浆参数，最终顺利完成掘进。结果表明： 采取上述技术措施能够有效提高盾构在砂性地层中的耐磨性和掘进效率并且控制了地表沉降，从而克服了盾构在砂性地层中长距离掘进的施工风险。

郑州地铁； 砂性地层； 长距离掘进； 盾构设计； 土体改良； 注浆参数

0 引言

在城市轨道交通工程建设中，盾构法是一种被广泛采用的施工工艺[1]。砂性土具有黏聚力小、内摩擦角大、流塑性差、渗透系数大的特点。盾构在砂性地层中掘进时，易出现刀盘、刀具、螺旋输送机磨损，刀盘扭矩和推力增大，掘进参数异常，出土困难以及地面沉降难以控制等一系列风险问题，严重时会造成重大安全事故[2]。近年来，在砂性地层盾构掘进中出现的问题越来越引起研究者的重视： 文献[3-5]通过试验方法分析了盾构在全断面砂性地层掘进的渣土改良措施；文献[6]结合南京地铁砂性地层盾构掘进，通过现场试验研究了不同浆液的配合比对砂性地层的注浆填充效果的影响；文献[7]通过西安地铁砂性地层盾构刀盘、刀具的实际磨损情况，分析了导致刀盘、刀具磨损的因素，提出了改进刀盘、刀具耐用性的相关措施；文献[8]提出了一套适用于砂性地层中盾构刀具磨损的计算方法，通过求解平衡方程计算出盾构在砂性土中的理论扭矩；文献[9]采用颗粒流数值计算方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况，并分析了砂性地层中隧道管片的受力规律。尽管前人已经做了部分相关研究，但仅是针对盾构在砂性地层中掘进的某一方面，而盾构在砂性地层中掘进的适应性问题是一个比较复杂的综合性技术问题，需要从盾构选型配置、掘进参数、土体改良、同步注浆等方面综合考虑，特别是盾构在砂性地层中长距离掘进还存在停机进舱更换刀具的风险[10-11]。因此，如何规避诸多潜在风险，使盾构在砂性地层中长距离掘进更加安全高效是值得研究的问题。

本文以郑州地铁1号线2期工程为背景，分析盾构在砂性地层长距离掘进可能存在的风险，通过盾构适应性设计以及掘进过程中土体改良和同步注浆现场试验研究，探讨盾构在砂性地层中长距离掘进采取的技术措施，以期为类似条件的盾构掘进施工提供技术参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

郑州地铁1号线2期工程龙子湖中心站—市体育中心站区间右线长1 886.796 m、左线长1 885.295 m，采用土压平衡盾构掘进。隧道衬砌采用外径6 000 mm、厚度300 mm、环宽1 500 mm的预制钢筋混凝土管片错缝拼装。管片强度为C50，抗渗等级为P12。区间隧道主要穿越地层为〈16〉细砂、〈17〉中砂、〈17〉-2细砂。盾构穿越砂层地质剖面和土层物理力学参数见图1和表1。本区间浅层含水层岩性以粉细砂、中砂为主，属中等-强透水层，富水性好。地下水位埋深为4.20～7.13 m，地下水补给来源主要为大气降水。

图1 区间地质剖面图

1.2 砂性地层长距离掘进潜在风险分析

本工程盾构长距离穿越富水砂性地层，单线掘进距离长且不设中间风井，施工时易出现以下问题：

1)刀盘、刀具等设备磨损严重。盾构长距离掘进施工时，砂层与盾构之间会产生较大的摩擦，且砂土颗粒强度高，易造成盾构的刀盘、刀具、螺旋输送机、盾尾刷等部位磨损，严重时存在中途更换刀具的风险。

2)盾构掘进效率低。本工程穿越地层属于密实砂层(标贯击数达到30以上)，盾构在掘进时容易出现推力、刀盘扭矩增大以及推进速度缓慢的现象；同时，由于砂性土流塑性差，会造成渣土难以进入土舱，降低盾构掘进效率。

3)地表变形控制困难。根据勘察报告，本工程穿越地层存在局部液化土层，由于砂性土自稳性差，盾构施工可能会造成砂土液化以及地层破坏，导致盾构在砂性地层中推进时地表变形不易控制。

4)螺旋输送机发生涌水涌砂。本工程区间位于地下水位线以下，隧道部分区段需下穿郑东新区龙子湖，若施工不当易造成螺旋输送机出土口处涌水、涌砂，危及施工和周边环境安全。

2 盾构适应性设计

2.1 加强刀盘、刀具耐磨性

为避免刀盘、刀具发生严重磨损的风险，需要提高其在砂性地层中的耐磨性[12]。本工程盾构刀盘刀具布置如图2所示。刀盘整体采取耐磨设计，刀盘的正面、侧面及圈梁上沿侧结构轮廓有网格状堆焊(厚度5 mm)，刀盘外圈有条状耐磨堆焊(厚度5 mm)，如图3所示。堆焊合金焊条采用德国CARBODUR63型耐磨焊条，硬度为HRC60～HRC64。刀具采用钨钢硬质合金，具有硬度高、耐磨、耐热等性能，其硬度和耐磨性在500 ℃高温下也能保持不变。

图2 盾构刀盘刀具布置

2.2 加强螺旋输送机耐磨性及设置防喷涌应急闸门

为防止螺旋输送机叶片严重磨损导致叶片断裂以及螺旋输送机驱动系统密封损坏，本工程盾构在螺旋输送机前槽体、螺杆采用耐磨设计，叶片前端设置加厚层并增加网格状耐磨堆焊，如图4所示。为防止在富水砂性地层掘进时发生喷涌，将螺旋输送机增加1套手动应急闸门，以满足在应急情况下的密封需求，如图5所示。

图3 刀盘及刀具堆焊耐磨加强

Fig. 3 Wear resistance enhancement by bead welding on cutterhead and cutters

图4 螺旋输送机叶片补强

(a) 示意图

(b) 实物图

2.3 加强盾尾刷耐磨性

盾尾刷是保证盾构与管片之间密封的重要部分，其作用是防止泥砂以及注浆浆液从盾构盾尾缝隙处渗漏[13]。当盾构在砂性地层中长距离掘进时，盾尾刷内外两侧不断与管片棱角、砂性土发生卡碰、摩擦，易造成盾尾刷钢板、钢丝磨损和异常损坏、掉落，从而导致盾尾漏浆、漏水，因此，加强盾尾刷耐磨性是保证盾尾密封的有效手段。本工程盾构配备了多道可更换的盾尾刷，并在盾尾刷材料中加入锰等金属元素，以提高盾尾刷的耐磨性。

2.4 加大刀盘开口率

刀盘开口率是盾构选型重要指标之一，合理的开口率能够使砂土顺利地进入土舱。在砂性地层中，增大刀盘开口率可以使开挖面切削的土体顺利进入土舱[14]。本工程盾构刀盘的开口率选用45%，大开口率可以使砂土进入土舱阻力减小，盾构掘进效率提高。

2.5 减小盾构壳体摩阻力

由于本工程所穿越砂层的密实度较大，为了减小盾构掘进施工中壳体与周边砂土的摩阻力，本工程盾构盾壳采用倒锥形设计；同时，在盾构壳体上增设注浆孔(如图6所示)，通过盾构壳体上的注浆孔向周边土体注入减摩浆液来减少盾构壳体所受摩阻力。

(a) 剖面图

(b) 纵断面图

3 掘进技术研究

3.1 盾构掘进参数控制

1)正面土压控制。根据土压平衡式盾构的工作原理，为维持开挖面土体的稳定，土舱内的压力应与刀盘前方水土压力保持平衡。本工程区间隧道断面位于地下水位以下，为准确反应盾构正面平衡压力，采用水土分算的方法对正面土压进行计算[1]。

正面平衡压力

p=k0×(γ土-γ水)×h土+γ水×h水。

式中：p为平衡压力(包括地下水)；h土为隧道中心埋深；h水为地表水位至隧道中心深度；k0为土的侧向静止平衡压力系数。

盾构在掘进过程中压力的设定值应结合监测数据进行不断地微调，k0值也应根据现场实际情况以及100环试掘进的反馈参数来确定。

2)掘进速度控制。正常施工段的盾构掘进速度一般控制在3～4.5 cm/min。

3)出土量控制。严格控制每环的出土量为理论值的98%～100%，严禁出现超挖现象。若出现超挖问题，需及时调整土压力等掘进参数，并适当增加同步注浆量和二次注浆量。

3.2 正面土体改良

盾构在砂性地层中进行长距离、全断面掘进时，采用泡沫剂对正面土体进行改良，可以有效地提高砂性土的黏聚力、减小砂性土的摩阻力和渗透性，使其达到流塑状态。为进一步确定和优化泡沫改良参数，以本工程左线前120环试掘进段为研究对象，研究不同的泡沫体积分数、发泡率以及注入率对盾构推力、刀盘扭矩、推进速度等掘进施工参数的影响。根据以往工程经验，泡沫体积分数试验选取4%、5%、6%；发泡率试验选取12倍、16倍、20倍；注入率试验选取45%、55%、65%。

1)图7(a)示出不同体积分数泡沫溶液的各项盾构掘进参数变化曲线。由图可知： 随着泡沫体积分数的提高，推力和扭矩减小，推进速度加快。泡沫体积分数由4%增加到5%时各项参数变化明显，由5%增加到6%时各项参数变化较小。泡沫体积分数为5%时，盾构推力控制在20 900 kN左右，刀盘扭矩控制在2 750 kN·m左右，推进速度保持在2.6 cm/min左右。

2)图7(b)示出不同发泡率的各项盾构掘进参数变化曲线。由图可知： 随着发泡率的提高，推力和扭矩减小、推进速度加快。发泡率由12倍增加到16倍时各项参数变化明显，由16倍增加到20倍时各项参数变化较小。发泡率为16倍时，盾构推力控制在18 300 kN左右，刀盘扭矩控制在2 560 kN·m左右，推进速度保持在3.6 cm/min左右。

3)图7(c)示出不同注入率的各项盾构掘进参数变化曲线。由图可知： 随着注入率的提高，推力和扭矩减小，推进速度加快。注入率由45%增加到55%时各项参数变化明显，由55%增加到65%时各项参数变化较小。注入率为55%时，盾构推力控制在16 800 kN左右，刀盘扭矩控制在2 440 kN·m左右，推进速度保持在4.2 cm/min左右。

图7 不同泡沫改良参数的各项盾构掘进参数变化曲线

Fig. 7 Curves of shield tunneling parameter variation under different foams

通过以上试验研究，综合考虑各种因素，最终确定本工程泡沫剂改良参数为： 溶液体积分数5%、发泡率16倍、注入率55%。

3.3 地表沉降控制

由于砂性地层自稳性差，必须采用同步注浆控制盾尾处地表沉降[15]。本工程同步注浆采用大比重惰性浆液，主要由砂、粉煤灰、水、膨润土、石灰和外掺剂组成。该浆液具有高稠度、高强度的特点，同时其压缩性和泌水性小，能够有效控制隧道上浮和地表沉降。本工程所用浆液配合比见表2。为研究不同注浆参数对地表沉降的影响，以本工程左线前100环试掘进段为研究对象，分别从注浆压力、填充率、注浆时间3个方面进行试验研究。

表2 同步注浆浆液配比表

Table 2 Mixing proportions of materials of synchronous grouting slurry kg/m3

1)本试验分别选取0.1～0.6 MPa的注浆压力进行试验，图8(a)示出不同注浆压力地表沉降变化曲线。由图可知，随着注浆压力的增大，地表沉降量逐渐减小。当注浆压力增大到0.5 MPa时，地表沉降量趋于稳定；继续增大注浆压力，对地表沉降影响不大。

2)本试验根据盾构参数计算出理论填充量，以此为基础依次增加10%进行试验研究。图8(b)示出不同填充率下的地表沉降变化曲线。由图可知，随着填充率的增大，地表沉降量逐渐减小，当填充率达到170%～180%时，地表沉降量趋于稳定；再加大填充率，地表开始隆起。

3)盾构掘进过程中需在盾尾进行同步注浆，为了研究施工中盾构掘进注浆的同步性对地表沉降的影响，本试验比较同步注浆和滞后注浆(在推进过程中不注浆，推进完成后集中补压浆)2种情况下盾尾处地表的沉降变形。图8(c)示出不同注浆时间地表沉降变化曲线。由图可知，在不及时注浆的情况下地表沉降量较大。因此，一定要做到同步注浆，才能更好地控制地表沉降变形。

通过以上试验研究，得出本工程区间盾构掘进的注浆参数为： 注浆压力保持在0.5 MPa左右，填充率保持在170%～180%，并做好同步注浆。

4 实施效果

本工程在采取以上措施后，区间盾构顺利掘进，地表沉降始终控制在-5～-17 mm(区间内每100环最大沉降值曲线如图9所示)，满足设计及规范要求。在盾构顺利接收后对刀盘、刀具等磨损情况进行检查，发现磨损程度轻微。

(a) 不同注浆压力

(b) 不同填充率

(c) 不同注浆时间

Fig. 8 Curves of ground surface settlement variation under different grouting parameters

图9 每100环地表最大沉降值曲线

Fig. 9 Curve of maximum settlement of ground surface of every 100 rings

5 结论与建议

1)盾构掘进前应针对盾构所穿越地层的物理力学参数进行适应性设计，特别是在砂性地层中长距离掘进时应着重考虑刀盘、刀具、螺旋输送机、盾尾刷的耐磨性，刀盘的开口率以及减小盾壳摩阻力的措施。

2)合理选择有效的土体改良措施可以提高盾构在砂性地层中的掘进效率。通过试验研究确定本工程的泡沫剂改良参数为： 溶液体积分数5%、发泡率16倍、注入率55%。

3)针对砂性地层盾构掘进合理的注浆参数可有效控制地表沉降。通过试验研究总结出本工程区间盾构掘进的注浆参数为： 注浆压力保持在0.5 MPa左右，填充率保持在170%～180%，并做好同步注浆。

4)本工程盾构刀盘采用45%的开口率，但盾构在掘进过程中有时仍会出现渣土无法顺畅进入土舱从而造成掘进施工效率低的现象，建议在类似工程地质条件下刀盘开口率增大至50%。

[1] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2004. ZHOU Wenbo. Shield tunnelling technology[M]. Beijing： China Architecture & Building Press, 2004.

[2] 郑刚,崔涛,姜晓婷. 砂土层中盾构隧道局部破坏引发连续破坏的机理研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(9): 1556-1571. ZHENG Gang, CUI Tao, JIANG Xiaoting. Mechanism of progressive collapse induced by partial failure of shield tunnel in sandy soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(9): 1556-1571.

[3] 苏小江, 邓国华. 全断面砂层土压平衡盾构掘进渣土改良技术试验研究[J]. 水力与建筑工程学报, 2014, 12(4): 166-170. SU Xiaojiang, DENG Guohua. Experimental study of improvement techniques of muck in the tunnel whole-section sand strata soil pressure balance shield[J]. Journal of Water Resources and Architecture Engineering, 2014, 12(4): 166-170.

[4] 邱龑, 杨新安, 唐卓华, 等. 富水砂层土压平衡盾构施工渣土改良试验[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2015, 43(11): 1703-1708. QIU Yan, YANG Xin’an, TANG Zhuohua, et al. Soil improvement for earth pressure balance shields construction in watered sandy stratum [J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2015, 43(11): 1703-1708.

[5] 胡长明, 张文萃, 梅源， 等. 土压平衡盾构穿越含砂土层地表变形规律与控制技术[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2013, 45(3): 341-347. HU Changming, ZHANG Wencui, MEI Yuan, et al. The earth surface deformation and control technology as EPB shield machine driving through layer with sand [J]. Journal of Xi’an University of Architecture & Technology (Natural Science Edition), 2013, 45(3): 341-347.

[6] 吴迪, 周顺华, 温馨. 砂性土层泥水盾构泥浆成膜性能试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊1): 3460-3467. WU Di, ZHOU Shunhua, WEN Xin. Laboratory test and application of filter cake formation in sand during slurry shield construction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(S1): 3460-3467.

[7] 申会宇. 砂层土盾构机刀盘刀具磨耗分析及措施[J]. 山西建筑, 2015, 41(26): 218-219. SHEN Huiyu. Analysis of cutter abrasion of sand layer shield machine and measure[J]. Shanxi Architecture, 2015, 41(26): 218-219.

[8] 赵峻. 全断面砂性地层泥水平衡盾构刀具磨损理论分析[J]. 现代隧道技术, 2016, 53(3): 124-130. ZHAO Jun. Theoretical analysis of the cutter wear of a slurry shield driving in full-face sandy strata [J]. Modern Tunnelling Technology, 2016, 53(3): 124-130.

[9] 王俊, 方勇, 何川, 等. 盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(1): 156-162. WANG Jun, FANG Yong, HE Chuan, et al. Disturbance of shield tunnel construction to sandy stratum and load bearing characteristics of segment lining[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(1): 156-162.

[10] 鲁棣源. 谈全断面砂层中土压盾构机带压换刀的技术与应用[J]．山东工业技术, 2016(8): 190. LU Diyuan. Technology and application of cutting tool replacement under pressure for EPB Shield boring in whole-section sandy stratum[J].Shandong Industrial Technology, 2016(8): 190.

[11] 王住刚，曹振，李治中. 西安地铁富水密实性砂层盾构带压换刀技术[J]. 隧道建设, 2017, 37(1): 97-102. WANG Zhugang, CAO Zhen, LI Zhizhong. Technologies for shield cutting tool replacement under hyperbaric condition in water-rich and compact sandy stratum of Xi’an Metro [J]. Tunnel Construction, 2017, 37(1): 97-102.

[12] 杨富强. 砂层掘进中盾构刀盘修复技术[J]. 建筑机械, 2009(7): 103-105. YANG Fuqiang. Repairing technology for shield cutterhead boring in sand strata[J]. Construction Machinery, 2009(7): 103-105.

[13] 张合沛, 陈馈, 李凤远，等. 盾尾密封油脂注入理论及控制方法研究[J].建筑机械化, 2014(9): 68-71. ZHANG Hepei，CHEN Kui，LI Fengyuan, et al. Research on shield tail seal oil injection theory and control method[J]. Construction Mechanization, 2014(9): 68-71.

[14] 王洪新. 土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报, 2010, 43(3): 88-92. WANG Hongxin. Type selection of the head aperture ratio of EPB shield cutterheads and adaptability to stratum characteristics[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(3): 88-92.

[15] 袁镇. 饱和砂性地层盾构法隧道同步注浆配合比研究[J]. 山西建筑, 2012, 38(7): 192-193. YUAN Zhen. Research on synchronous grouting mixing proportion of saturated sand stratum shield tunnel[J]. Shanxi Architecture, 2012, 38(7): 192-193.

Technology for Long-distance Boring of Shield in Sandy Strata: A Case Study of Zhengzhou Metro

ZHANG Zhao
(ZhengzhouMetroCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

The potential risks of long-distance boring of shield in sandy strata of Phase 2 of Zhengzhou Metro Line No. 2 are analyzed. The adaptability design of the shield machine is carried out in terms of wear resistance and cutterhead opening rate according to the mechanical parameters of sandy strata before shield boring. The rational ground conditioning methods and grouting parameters are decided by field test during shield tunneling. The results show that the wear resistance and the shield boring efficiency in sandy strata have been improved and the ground surface settlement has been controlled by adopting above-mentioned technologies.

Zhengzhou Metro; sandy strata; long-distance boring of shield; shield design; ground conditioning; grouting parameters

2017-03-20;

2017-06-04

张昭(1979—)，男，河南信阳人，2007年毕业于同济大学，岩土工程专业，博士，高级工程师，主要从事隧道及地下工程方面的研究工作。E-mail: cezhangzhao@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.011

U 455.43

B

1672-741X(2017)07-0851-06