穿越泥岩地层的泥水平衡盾构推进技术与实践

徐文平

【摘 要】盾构机在泥岩地层掘进时，会出现刀盘结泥饼、泥水滞排、刀盘扭矩大、掘进速度慢等一系列不利于施工的困扰，为解决上述问题，提高泥水盾构机在泥岩地层的适应性，文章以南宁市轨道交通3号线青市区间盾构施工为例，介绍了对泥水平衡盾构机采取针对性的优化改造，并加以相应的管控措施后，取得较好实施效果，为类似工程提供参考。

【关键词】泥水平衡；泥岩地层；适应性改造；盾构推进技术

【中图分类号】U455.43 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）02-0153-04

0 前言

盾构机在泥岩地层掘进时[1]，会出现盘结泥饼、泥水滞排、刀盘扭矩大、掘进速度慢等一系列不利于施工的困扰，为解决上述问题，提高泥水盾构机在泥岩地层的适用性，本文以南宁市轨道交通3号线青市区间盾构施工为例，介绍了在施工中对泥水平衡盾构机进行优化改造的过程，以及采取了相应的管控措施后，取得了较好的实施效果。

1 工程概况

1.1 项目概况

本项目为南宁轨道交通3号线青秀山～市博物馆站（原博艺路站）区间（简称青市区间），左、右线盾构下穿邕江段施工。侧穿南宁大桥，穿越邕江河道段的桩号范围为YCK21+126.66（青环路）～YCK21-846.38（龙堤路），穿越段线路长719.72 m。穿越邕江最低河床高程为46.6 m，对应的隧道顶部高程为38.2 m，埋深最小为8.4 m。

1.2 掘进地质条件

根据地质资料文献[2]揭示，青市区间左右线穿越地层相对复杂，既存在全断面粉砂质泥岩⑦1-2、⑦1-3、⑦2-3，也存在⑤1-1圆砾层、⑦1-2粉砂质泥岩、⑦1-3泥岩、粉砂质泥岩、⑦2-3粉砂岩、泥质粉砂岩等的复合地层。其中，穿越邕江段洞顶8～10 m范围内，主要为不透水泥岩或者粉砂岩。

2 设备适用性改造

根据青市区间的地质特点，结合已竣工南宁轨道交通1号线白苍岭站—火车站区间的施工经验[3]，针对结泥、滞排等情况，在始发前对盾构机进行了相应的改造，以达到盾构施工最佳效果。具体改造情况如下。

2.1 泥浆循环系统改造

（1）增设泥浆冲刷泵。①新增泥浆冲刷泵的主要参数：泥浆泵流量为500 m3/h；电机功率为132 kW；泵出口压力为5.5 Bar；转速为980 n/min。②新增泥浆冲刷系统。该系统与原泥浆循环系统互相独立，可通过开关泥浆管路上的球阀相互切换，根据需要冲刷碎石机、刀盘、泥水舱泥浆门及P2.1泵。具体改造方案如图1所示。

（2）刀盘冲刷改造。改进冲刷刀盘冲刷管路孔，主要是泥浆管将延长至刀盘中心附近，达到冲刷效果。刀盘注水孔、冲刷管置示意图如图2所示；刀盘冲刷喷口现场改造情况如图3所示。

（3）鄂式碎石机增设搅拌桩。在鄂式碎石机部位增加1套搅拌桩（左右各焊接1根），用来搅拌碎石机前方的积渣，便于排浆排渣。搅拌桩尺寸为200 mm×150 mm×100 mm。碎石机鄂搅拌桩焊接图如图4所示。

2.2 刀盘改造及刀具配置

（1）增加搅拌桩。①在刀盘上对称焊接2根搅拌桩，增加泥浆门搅拌范围，防止泥漿门处积渣，使出渣顺畅（如图5所示）。②搅拌桩焊接情况如图6所示。

（2）增设焊接撕裂刀。在刀盘面板焊接部分撕裂刀，为每把滚刀或撕裂刀配置一把焊接撕裂刀，焊接撕裂刀与滚刀或撕裂刀的运行轨迹相同。焊接撕裂刀高出刀盘面板160 mm。刀盘配置及焊接撕裂刀布置情况见表1。

3 施工管控措施

3.1 掘进地层动态跟踪

（1）每天在平、纵面相应位置标注盾构机机头和机尾的位置，查清地质和地面建（构）筑物。

（2）每天在泥浆处理设备进行渣土取样，并对照勘察结果，判断地质对盾构施工的影响。

（3）对圆砾层、软硬不断地层、泥岩都要提前预警分析。

（4）理清线路上建（构）筑物平面关系、垂直距离，以指导盾构掘进模式、土压力设置。

3.2 掘进参数动态调整

（1）每天密切关注盾构推力（铰接压力要叠加计算）、盾构扭矩、盾构刀盘转速及盾构掘进速的参数变化，结合地质、土压及掘进速度的变化，研判参数正常与否。

（2）始发阶段，推力控制以保障反力架不发生变形、位移为控制指标，盾构推力控制在1 100 t，分区推力不宜过大。

（3）推力不断变大，而速度不断下降，扭矩不断增大或变小时，要分析原因，找到对策。

（4）根据不同的地层及更换刀具情况，设定不同的刀盘转速，如在软土地层常设定为0.5～1 rpm；而全断面泥岩层中，经常控制在1.0～1.5 rpm。更换新刀具后，都宜放慢刀盘转速，避免刀具撞击损坏。

（5）通过贯入度的公式，明确掘进速度与刀盘转度的关系[贯入度=掘进速度（v）/刀盘转速（w）]。贯入度大时，减少渣土中磨蚀矿物接触滚刀的时间，降低滚刀磨损量。

（6）判断掘进的“有效推力”参数。同时，关注分区推力，并分阶段地增加，避免偏压或压力集中损坏成型的隧道管片。

（7）掘进和纠偏过程中，对千斤顶行程参数检查，分析上下左右4组千斤顶行程记录。若发现行程差过大，要根据姿态情况和盾尾间隙、线路情况进行综合分析。

3.3 注浆量及注浆压力控制

盾构工程既可采用盾构自带的注浆系统进行同步注浆，也可以在盾构机上增加1套补充注浆，利用管片注浆孔进行注浆。

（1）盾构隧道注浆时，要保证壁后空隙充填密实，注浆量充填系数宜为1.3～2.5。采用注浆量和注浆压力2个参数控制填充效果。

（2）注浆易出现如下几个方面的异常：①注浆量很大而压力很小，这时要检查盾尾和土仓是否“跑浆”，此刻应立即停止注浆，尤其要预防水泥凝结卡住刀盘。②注浆量很大而压力很小，结合地勘的溶洞发育情况，要放慢掘进速度，增加注浆量，直到注浆压力达到设定恒压。③注浆压力不断上升但注浆量很少，则可能已堵管，需及时清管，更换已沉降初凝砂浆。④要控制最大注浆压力，注浆压力不宜大于理论隧道埋深水土压力的1.2倍，防止注浆压力击穿盾尾密封，破坏隧道永久结构。

（3）在易发生管片上浮的盾构施工中，宜在盾尾3～5环进行整环补充双液注浆，有效控制喷涌和上浮问题。

3.4 泥水加压及泥水管理

3.4.1 切口水压设定

在泥水加压式盾构施工中，用泥水压力使开挖面与作用在开挖面上的土压保持平衡，水压与开挖面上含水土体的重力和土的内摩擦角大小有关。切口水压设定为自然状态下盾构机头部2/3高度处的水土压力加0.01～0.02 MPa。

3.4.2 切口水压确定及修正

工程开工前，在多个地点进行土质和地下水调查，预先决定每个地点的设定切口水压。此外，还应对开挖面状态予以考虑，并做相应的修正。

3.4.3 泥水性能管理

泥水材料拌制泥浆前，根据地层情况进行泥浆配合比的设计，调节其比重、黏度、塑变值、胶凝强度、泥壁形成性、润滑性，使其成为可塑流体，以保持开挖面稳定的同时，将切削下来的渣土形成泥水并运往地面。

3.5 盾构掘进线路轴线和姿态控制

盾构掘进过程中轴线偏离设计轴线不得大于+50 mm；盾构垂直和水平偏差相邻环变化应控制在5 mm范围内为宜，以确保成型隧道平整度。盾构前体、中体及盾尾之间趋势控制在0.4%的范围内，避免纠偏困难。

3.6 盾构掘进施工监测控制

沿隧道线路轴线每5 m布置一个监测点，每隔25 m水平方向不少于5个监测断面，并对建（构）筑物各角布置监测点。盾构掘进中，对盾构刀盘前后50 m线路范围内的测点进行监测。盾构正上方的测点在施工过程中沉降控制±5 mm为宜，通过后地表沉降量应控制在+10～-30 mm。

3.7 隧道管片拼装质量控制

每天巡查，控制隧道成型管片的质量，填报《盾构施工工程师日报表》形成盾构施工记录。记录每环隧道管片错台、破损、裂纹及渗漏的位置和状况，并在日报表中对质量问题进行分析，提出预防的对策。

4 实际施工问题及处理

4.1 盾构机姿态偏差过大

4.1.1 情况简述

盾构机掘进至461环开始持续向左偏转，474环开始刀盘向左位移较大，最大位移17 mm/环。此外，根据盾构掘进姿态及管片成型姿态进行对比，除467、469环与盾构机盾尾姿态较吻合外，其余成型管片姿态在脱出盾尾后均不同程度地向右偏移，最大达到50 mm。该区域地表为江滨公园与邕江河堤交界区域，为江滨公园绿化草坪，邕江沿岸岸堤，无建筑物，地面空旷。

掘进该区域纵断面主要为⑤1-1圆砾层、⑦1-2粉砂质泥岩复合地层，埋深30.3 m，盾构掘进压力为2.8 bar。

4.1.2 原因分析

盾构机姿态出现偏差后对其周边地质、线路、刀具磨损、盾构机自身情况及管片选项等进行分析，得出如下结论。

（1）根据偏移段地质资料（如图7所示）揭示，该区域地质由全断面圆砾层⑤1-1向圆砾泥岩复合地层转变，且泥岩横断面存在“左低右高”结构面，盾构机向左转弯难度较大。

（2）根据设计线路显示，该区域线路平面位弧形（左轉弯R450 m），纵断面方向为“V”形变坡点（30‰与2‰变坡），空间组合曲线导致盾构机左转弯姿态，盾构机转弯偏移量跟不上左转趋向。

（3）盾构机刀具有一定的磨损。根据本线路274环带压进仓更换刀具情况，盾构刀具磨损非常严重。本次掘进区域主要为圆砾、泥岩、泥质粉砂岩等复合地层，刀具磨损导致盾构机开挖空间减小，在上述2个原因作用下更难以调整。

4.1.3 纠偏处置

分析原因后，采取了调节盾构机调压阀、增加辅助泵及合理选择管片选项等措施，通过增加左侧推进压力、增加左侧同步注浆量、盾尾管片二次注浆加固、降低管片与盾构机之间夹角等措施进行姿态调整，于382环开始，盾构机姿态与盾构管片走向基本趋于一致。

此外，通过参数判断刀具有一定磨损，为确保邕江边施工安全，在470～475环（全断面粉砂质泥岩地层）进行进仓更换刀具。

4.2 下坡段盾尾漏浆

4.2.1 情况简述

线路下坡段处于圆砾富水地层，该区域线路竖向坡度30‰且向左以半径450 m转弯，出现了盾尾漏气、漏浆情况。

4.2.2 漏浆原因分析

（1）同步注浆压力过大或掘进过程中盾尾油脂量不足导致漏浆。

（2）气仓及土仓可能串气，导致气体进入土体的压力过大，从而漏气、漏浆。

（3）管片拼装未跟上盾构机姿态变化，盾尾间隙过大导致漏浆。

4.2.3 处理措施

（1）加强对注浆压力的管控并及时记录。

（2）每环注入足量油脂，以保障盾尾密封效果，管片拼装成后掘进前以大于注浆压力先注入油脂，最后一道盾尾刷压力大于注浆压力2 bar。

（3）合理的管片选型能确保盾尾间隙大小均匀。

（4）调整同步砂浆配比，加快凝结时间。

（5）盾尾漏浆持续发生时，停机堵漏，同时做好抽水措施确保及时排水。具体如下：①在盾构机内部盾尾处涂满油脂，并沿着盾构机与管片之间填充盾尾间隙。②注入双液浆进行管片壁后封堵。③在相邻盾尾最近的管片注浆孔注入聚氨酯进行封堵，以形成隔水层。

5 结语

南宁轨道交通3号线青市区间目前已顺利贯通。根据前述实例，针对以泥岩为主的穿越地层，应根据地层情况，对盾构机进行相应的改造，并结合施工现场实际出现的问题，动态调整管控措施，以达到安全顺利施工的目的。

参 考 文 献

[1]曾垂刚.泥岩地层中泥水盾构掘进施工技术[J].建筑机械化，2017（6）：48-52.

[2]寇宝庆，赵鄢鹏，张华芬，等.泥水平衡盾构机复合破碎模式改造技术[J].油气储运，2017（9）.

[3]张海彬.泥水平衡盾构机泥岩地层适应性优化改造探索[J].山西建筑，2017，43（19）：151-152.