成都富水砂卵石地层盾构小曲线施工技术

曹建辉

（中铁三局集团桥隧工程分公司盾构工程段，河北 邯郸 056036）

成都地区富水砂卵层地层结构松散，卵石含量高，地层自稳性差，地下水丰富。盾构刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重，出渣控制难度大，地表沉降控制难度大。本文以成都地铁1－3号线联络线，300m半径曲线盾构施工为背景，从盾构掘进姿态、碴土改良、掘进参数及隧道成型管片质量等方面进行了研究。本盾构区间顺利贯通为今后工程中盾构施工提供了有益的借鉴和参考。

1 工程概况

成都地铁1－3号线联络线是连接既有1号线车辆段和在建3号线的联络线，始于1号线车辆，下穿兴达地块单层砖房、沙河、香澜半岛小区、凤凰渠等风险源，最后进入驷马桥北站与正线相接。联络线盾构区间长956.43m。区间平面300m半径的曲线有3处，曲线长度共计811.418m，占区间全长的84.8%。盾构区间纵向线路为“V”字坡，最大坡度34.9‰，隧道埋深在4.2 16.9m（见图1）。盾构区间主要穿越稍密卵石、中密卵石、密实卵石等地层。本区间地下水位高，透水性强。采用中铁装备CET6250复合式土压平衡盾构机。

图1 1－3 号线联络线盾构区间隧道平面图

2 成都地区砂卵石地质特性

隧道穿越的地层主要为卵石土层,卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成，以亚圆形为主，卵石含量50%

80%，粒径20 80mm为主，部分粒径大于100mm，最大粒径500mm（极少）。卵石单轴极限抗压强度为90.9

91.7 MPa。充填物为砾石、细砂、中砂，卵石硬度最大强度可达200MPa。地下水为第四系孔隙水，水位埋藏较浅，地下水位正常埋深约为3m，渗透系数大（一般渗透系数为20 25m／d）。成都充沛的降雨量是地下水的重要补给源之一。车站挖掘出来的砂卵石如图2。

（1）砂卵石地层为典型的力学不稳定地层，地层结构分散且离散性大，无黏聚力。开挖面不稳定，地层反应灵敏，易发生坍塌（见图3）。

（2）砂卵石地层内摩擦角大，卵石的颗粒大，碴土级配性差且受地下水的影响大，土仓内不易形成不透水流塑性状态的碴土，螺机排渣困难。

（3）因该地层的特点，不能建立成理论的土压平衡机理。土仓压力不稳定，从而造成开挖面失稳，会引起地表塌陷（见图4）。

图2 砂卵石地层车站开挖时渣土

（4）砂卵石地层卵石土级配性差、卵石粒径大、充填物为砂粒等，导致盾构掘进时对刀盘、刀具、螺旋机的磨损严重。

（5）目前，盾构在砂卵石中切削机理尚不够明确，造成盾构的推力、扭矩、速度等重要参数难以确定。盾构掘进参数在没有明显征兆的情况下迅速恶化。

（6）因该地层的碴土内摩擦角大，刀盘中心区域和土仓两腰部分碴土流动性差，刀盘中心区域及土仓内两侧下部4-5点和7-8点位置易结泥饼，因此减小了碴土从刀盘面板流入土仓的通道（见图5）。

3 富水砂卵石盾构的配置

本标段采用1台中铁装备CET6250复合式土压平衡盾构。该盾构刀盘开挖直径Ф6280mm。刀盘面板采用4辐条+4面板的结构形式。刀盘开口率36%，中心区域开口率达到38%。刀盘可配置36把滚刀。刀盘面板、刀盘周边和螺旋机采用复合钢板或耐磨块，以加强耐磨性能。最大推力3700t；额定扭矩6650kNm。螺旋机筒体内径800mm，最大通过粒径为Φ300×570mm（见图6）。

图3 砂卵石地层盾构掘进示意图

图4 砂卵石地层盾构掘进地表塌陷示意图

图5 土仓及刀盘结泥饼图

图6 盾构刀盘结构

4 富水砂卵石盾构掘进施工技术措施

掘进参数在盾构掘进过程中是不断变化、相互影响的。掘进参数的管理是动态的管理及各掘进参数范围的管理。施工过程中只有保持各参数之间相互匹配、相对稳定，才能使盾构处于最佳工作状态。

4.1 优化掘进参数

盾构主要掘进参数包括土压力、刀盘扭矩、推力、推进速度、螺旋输送机转速（排土量）、加泥量、加泡沫量、注浆量与注浆压力、盾构姿态等。由于砂卵石地层本身的特点，现场施工时遇到的突发事件较多，各项参数值的波动也较大，所以很难给出一个准确的设定。根据盾构性能、地质条件和施工环境的特点，在分析总结各参数相互关系的基础上，结合工程实际情况（包括穿越的土层性质、刀具的状态），权衡利弊、综合考虑，找出各项参数之间一个最优化的组合。进一步指导施工，达到满足施工进度、安全和质量要求及有效控制地面沉降的目的。盾构正常掘进参数如表1。

4.2 土压力控制

土压力的合理设定是盾构施工中维持地层原始应力状态的关键。主动土压力值是盾构土压平衡掘进保持的最小压力值。根据砂卵石地层原状地层内摩擦角大，水压力随隧道埋深增加等特点，盾构在该地层中掘进时应按主动土压力进行控制，可以减少盾构土舱结泥饼、刀盘卡死等问题产生。

主动土压力计算公式p土＝（q+γh）tg2（45°-Ф/2）-2ctg（45°-Ф/2）。根据盾构施工经验，实际盾构掘进的土压力值在理论计算主动土压力值的基础上再考虑0.02 0.03MPa的压力作为预备压力，这样才能确保盾构掘进一直处于土压平衡掘进模式，避免掘进超方。本盾构区间土压力控制在0.6 0.14MPa。

4.3 出土量控制

盾构在砂卵石地层掘进时，出渣超方会造成地面沉降超限。出渣量采用体积与质量双重控制机制。施工中对渣斗车进行分格量化，从渣斗车顶往下每10cm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5 9r/min为宜。1.2m管片碴土的控制指标：碴土的体积在43 45m3，碴土的重量为92 95t。

4.4 控制注浆质量

盾构掘进对砂卵石地层扰动较大，尤其是刀盘上部地层长期在欠压模式下，地层的损失较多。考虑到其它因素如浆液固结收缩、浆液流失及超挖后的固结沉降等，同步注浆采用双控即注浆压力和注浆量。砂卵石浆液的注入率较大，一般为150% 200%，本区间平均浆液的注入量为5.5m3/m；注浆压力控制在0.2 0.25MPa。浆液质量和注入方式对隧道成型管片的质量影响较大，所以在掘进中对注浆工艺要严格。

（1）浆液的初凝时间控制在5 8h以内，浆液比重控制在1.75以上。

（2）浆液注入前要充分搅拌均匀，从而提高浆液的流动性，保证注浆量能够填充背后空隙。

（3）在盾构掘进过程中需同步注浆，避免因浆液不到位引起盾构意外停机。严禁在没有浆液的情况下进行盾构掘进施工。

（4）密切关注注浆压力，压力过大则会击穿盾尾刷而漏浆。

5 小半径曲线隧道施工难点及技术控制措施

5.1 小半径曲线隧道施工难点

盾构主机为长近9m的直线形刚体，中间设有铰接，将盾构分成前后2个部分。隧道成型曲线是由一段段连续的折线拟合而成。为了使隧道轴线与设计轴线相吻合，盾构掘进过程中需要进行连续纠偏。曲线半径越小，越难拟合，掘进轴线控制比较困难。常见隧道轴线偏离、管片错台和崩裂、管片上浮和扭转、渗漏水等质量问题。小半径曲线隧道在施工过程中主要有以下难点：

表1 盾构正常掘进参数表

（1）曲线上盾构测量系统的通视条件受成型隧道影响，测量系统移站频率加快；管片背后空隙率较高，管片产生较大的水平偏移，所以每次移站时盾构机前端轴线跳动较大，从而误导掘进。

（2）实际上盾构前端是沿着设计曲线的轴线在掘进，所以盾构时时在纠偏。曲率越小，盾构的纠偏量越大，所以盾构前端控制困难，经常发生纠偏过大的现象。

（3）盾构在曲线上掘进，实际上是蛇形前进，盾构前端和盾尾时时在变化，从而导致盾尾密封及盾尾间隙较难控制。

（4）盾构拟合曲线的过程中，盾构左右推进油缸分区的推力不同，管片在左右方向上的受力也不同，从而使管片向曲线外侧发生移动。

5.2 小半径曲线隧道施工技术控制措施

针对小半径曲线隧道常见的隧道轴线偏离、管片错台和崩裂、管片上浮以及扭转、渗漏水等质量问题，在施工过程中从掘进轴线控制、铰接装置、掘进参数、管片选型及拼装、注浆等几方面进行控制，以保证小半径曲线段成型管片质量。以下针对技术难点逐一进行分析并探讨解决措施。

5.2.1 盾构掘进姿态的控制

（1）盾构掘进过程从微观来讲是一个“S”型纠偏的过程，盾构前端要跟着隧道线路设计轴线掘进。每延米纠偏量控制在2 3mm，掘进每环纠偏量控制在5mm以内。否则盾构转弯过急易导致盾尾间隙过小，造成管片破裂漏水（见图7）。

（2）盾构推进轴线的预偏。

在小半径曲线隧道掘进时，盾构实际掘进轴线应在曲线内侧15 30mm范围内。因为盾构时时在转弯，如果盾构的轴线在曲线外侧，势必增大盾构的纠偏量。盾构转弯更急，管片承受侧向压力增大，铰接部位的相对位置变化增大，从而导致盾尾间隙减小，管片的错台破损机率增加。适当预留隧道一定的偏移量，使隧道最终偏差控制在规范要求的范围内。预偏量示意图见图8所示。

（3）适当的铰接角度。

盾构增加铰接部分，将盾构分成前后2个部分，增加了盾构的灵敏度。被动铰接的盾构盾尾和隧道的线路拟合是非常重要的，也就是让盾构的铰接打开，使盾构自身的曲线与隧道设计的线路曲线相同。在CAD上模拟300m半径的曲线，盾构铰接左右行程差控制在约90mm为最佳。在实际施工中，由于前端纠偏、推力的大小、盾尾磨擦力等原因，将铰接行程差控制在70 80mm范围均可顺利通过。铰接行程差决定着铰接密封的效果，差值越大，密封越容易受损，因此尽量将铰接行程差控制在合理范围内，满足姿态控制以及管片选型条件。

5.2.2 盾构掘进控制

（1）掘进速度及推力的控制。

图7 盾构曲线纠偏示意图

图8 小半径曲线段盾构推进轴线预偏示意图

曲线段盾构掘进，盾构掘进速度、盾构推力需进行严格控制。同等条件下，掘进速度大，则要求相应的盾构推力就大。小半径曲线段宜减小盾构的推力，从而控制管片侧向位移。根据在砂卵石土层小曲线段盾构掘进情况，总结掘进速度控制在40mm/min左右为宜。

（2）推进油压差的控制。

盾构的推进和纠偏是通过推进千斤顶在上、下、左、右4个扇形分区来完成的。当盾构需要调整方向时，可通过调整4个区域的油压来调节千斤顶的推力。盾构纠偏时要使千斤顶各区域压力分布呈线性状态，如盾构要向右纠，除左区要较右区有一个较大的压力差外，上、下区域的压力也要适当，一般可取左、右区域压力的平均值。盾构司机要总结左、右2个分区的油缸压力差值，确定在合理的压力差值范围，使盾构前端的偏移量最小，水平姿态控制到理想状态。

5.2.3 管片选型及拼装

小半径曲线转弯的管片选型主要依据线路曲率和转弯环管片的几何形状。成都地铁采用的管片长度为1.2m，契形量为38mm。根据计算通过300m半径曲线段每隔1.9m要用一环转弯环。加上纠偏管片拼装点位变化，标准环与转弯环的拼装关系为：1环标准环+2环转弯环。盾构隧道管片破损外观上直接显现的主要有管片崩角、崩边、裂纹等几种现象，在隧道衬砌的内外两侧均有发生。管片破损发生原因是多方面的，要从盾构纠偏、盾尾间隙及管片拼装等方面进行综合分析，找出原因并制定措施。盾构掘进过程中应注意以下几点：

（1）严格控制把握管片选型准确性，随时关注盾尾与管片间的间隙。在曲线内侧盾尾间隙过小的情况下，可以适当地调整铰接油缸的长度或将盾构机头向盾尾间隙过小的方向调整一下，使盾尾间隙有所变大。在姿态稳定、千斤顶行程差可控的情况下，若曲线外侧盾尾间隙小或盾尾间隙左右较平均，选择转弯幅度较大的点位。若转弯方向内侧盾尾间隙小，则选择转弯幅度较小的点位。

（2）管片拼装点位选择严禁急纠偏。盾尾间隙较差，掘进司机的急剧纠偏很容易造成管片的大错台和破裂。

（3）盾构司机管片选型重点考虑的是减少曲线外侧、内侧的行程差。管片选型中油缸行程差过大，特别是在曲线部位，如果外侧油缸比内侧油缸长很多，需要连续安装大量的转弯环来跟上主机的姿态，同时造成盾尾间隙过小，成型管片脱出盾尾后形成管片错台。合理的油缸行程差不能超过60mm。

（4）因纠偏、管片拼装质量差、环缝夹泥、管片环面不佳等引起的环面不平整，盾构千斤顶作用于管片上产生较大的劈裂力矩造成管片开裂。

（5）千斤顶的撑靴损坏或重心偏位时，会对管片产生扭矩的作用，使管片向内或者向外挤压，使得撑靴部位的管片形成集中应力，易使管片开裂。

（6）拼装时管片未能形成正圆，造成内外张角，导致下一环推进过程中管片出现变形。

（7）拼装时盾壳内没有清理干净，造成杂物进入环缝，形成喇叭口。在盾尾中的杂物对管片进行挤压，管片形成错台，易使管片开裂。

（8）管片拼装小时，K块位置不够的时候强行插入，容易使K块与邻接块的接触处挤环。

6 结束语

在成都地铁1－3号线联络线盾构施工的工程实践中，针对盾构小半径曲线隧道常见的隧道轴线偏离、管片错台和崩裂、管片上浮和扭转、渗漏水等质量问题，在施工过程主要考虑从掘进参数、管片选型及拼装、注浆、碴土改良等方面进行控制。实现了成都富水砂卵石地层小半径曲线的条件下，盾构安全穿越了兴达地块单层砖房、沙河、香澜半岛小区、凤凰渠等风险源。本项目地表沉降在规范的控制值内，成型的隧道线形符合设计要求，隧道成型治理得到业主的好评，为同类工程提供了宝贵的经验。