盾构法施工在砂卵石地层中掘进的质量通病研究

刘祎

一、工程概况

（一）工程设计概况

成都地铁3号线工程内容只包括一个盾构区间，双流西站～三里坝站区间，该区间线路全长左线1458.6米，右线1436.3米，区间共设两处联络通道兼泵房，左、右线分别采用中铁装备52#、中铁装备97#盾构机由三里坝站南端头始发，掘进至双流西站盾构接收井接收吊出。

（二）水文情况

1、地表水及地下水

区间范围内地表没有河流或沟渠。

地下水类型主要有：上层滞水、孔隙水、基岩裂隙水。

上层滞水：主要存于人工填土中，透水性微，水量微薄，富水性枯窘。

孔隙水：该层地下水主要存于卵、砂石土之中，水量比較丰富，为孔隙潜水，没有统一地下水位，根据成都地区水文地质和相关工程资料，该层卵、砂石土综合含水层渗透系数K约为3.5～30.0m/d，为强透水层，水量丰富。

基岩裂隙水：保存于泥岩裂隙中，水量微弱，含水量较小，分布受裂隙发育程度控制，总体具弱透水性。

2、地下水补给、径流、排泄及动态特征

在中亚热带季风气候区的成都，气候终年比较温湿，四季分明，多年平均降雨量947.0 mm。全年降雨日140天以上。主要的地下水补给来源是大气降水，另外地表的河流以及沟渠也是局部地下水补给的来源。

地形、水系等因素控制浅层地下水的径流、排泄，区间范围内地势平坦，总体是南东高、北西低，根据地形浅层地下水自南东向北西径流。深层地下水主要以径流为主，排泄主要靠城市人工开采及周边工程降水，另外大气蒸发同是重要的排泄方式之一。

（三）地质情况

1、区间地质

成都地铁的地质情况是极为复杂的，包括粉质粘土、粉土、泥岩地层、人工填土、卵石土层及细砂土层等。但是本区间主要穿越砂卵石、泥岩和二者混合的地层，砂卵石地层中卵石含量达到50%～85%，粒径以20～80mm为主，部分粒径大于200mm，最大粒径达到300mm，砂卵石地层有松散体、稍密、中密和密实之分；卵石、砾石以岩浆岩、变质岩组成，填充物为中细砂、随机分布在透明体砂层，均匀性差、自稳能力差；砂卵石地层中局部还散布着粒径超过500mm的高强度漂石，卵石和漂石单轴抗压强度达55～165MPa。

二、砂卵石地层盾构掘进预控措施及效果分析

（一）砂卵石地层盾构掘进高扭矩问题

由于成都地铁中密、密实卵石层中〈3-8〉细颗粒成分含量少，碴土摩擦阻力比较大，刀盘需要较大搅拌力矩，一般约为4000～5000kNm，在盾构掘进时，土仓如果建立压力，则刀盘扭矩急剧增大，根据左线中铁97#盾构机在始发阶段的掘进经验来看，刀盘扭矩持续达到4500kNm以上时就容易产生“卡刀盘”的现象，因此盾构机所需额定扭矩最好一般在6000kNm以上，脱困扭矩在 7500kNm 以上。

预控措施及效果分析：一是在掘进过程中不应建立“实土压”，采取“欠压”推进模式，根据地层密实情况，能采取用气压保压的方法是最优选择；二是盾构机选型方面，本工程左、右线盾构掘进选取的均是中铁装备盾构机，经过实际掘进经验来看盾构机主驱动扭矩可以满足成都地区砂卵石地层掘进高扭矩问题，根据相邻标段选取的海瑞克盾构机推进情况判断，同样适用于成都地区砂卵石地层推进。

（二）砂卵石地层欠压掘进地面易沉降问题

成都地铁砂卵石地层中细颗粒含量比较少，有较好的透气效果，盾构机土仓压力建立相对比较难，并且欠压掘进的情况经常出现，地面就容易产生较大沉降。严重还会使掌子面特别是拱顶将发生坍塌；而且，由于刀盘掘进时常常扰动地层发生超挖现象，此时同步注浆又不能补充，所以空洞极易形成，即便当时不会发生沉降，但盾构过后地面会陆续发生沉降，因此成都地区砂卵石地层掘进“滞后沉降”现象比较普遍。

预控措施及效果分析：该难题主要是解决“欠压推进”易超方问题，分析盾构掘进易超方原因，结合本工程的实际施工经验，可以采取的预控措施有：

一是对刀盘前方的地层进行预注浆加固，注浆采取“单液”与“双液”注浆相结合的方式进行，主要根据地层以及地表周边的环境状况来决定采取以哪种方式为主。在地面情况良好，表层土比较密实，例如城市道路上，主要采取“单液注浆”的方式对地层进行预注浆加固；在绿化带以及表层杂填土较松散的地段主要采取“双液注浆”的方式进行预注浆加固。通过实际施工经验验证，该预控措施效果比较显著，可以很好的起到控制地面沉降的作用。

三、本工程出现的技术难题

（一）砂卵石地层掘进遇大粒径砾石、漂石的难题

根据对本工程在砂卵石地层中盾构掘进出渣情况进行调查分析和工程详细勘察报告，盾构机通过地层中最大漂石粒径达到750mm， 局部地段大粒径漂石含量较高且富集成群，盾构机在此类地层中掘进主要面对破碎大粒径漂石的难题，就可能会造成刀具严重磨损、掘进时困难、损坏刀盘、卡断螺旋机轴等问题。

本工程遇到的难题就是右线在大粒径漂卵石地层中掘进两次卡断螺旋机轴：

第一次断轴于3月3日右线盾构推进163环，上部油缸行程至1600mm时，螺旋机突然被卡扭矩从20KN.m跳至120KN.m最后无法转动，螺机反转后扭矩正常，此时发现螺机无法出土，刀盘扭矩持续降低，降至700KN.M，土仓压力持续增大，最终导致推进暂停。

第二次断轴于4月3日右线推进165环，掘进过程中螺旋机油压多次超设定的保护值，油缸行程至1100mm时螺旋机轴再次被卡，在采取反转后恢复，恢复后掘进过程中螺旋机正常旋转，但无法出土，通过检查螺机观察口，发现螺机前段约1.1m处断裂。

（二）针对本工程出现的难题采取的措施

1、对盾构机刀盘进行改造，加焊格栅，允许进入到土仓内的卵石粒径控制在300mm以内，同时，重新分配刀具配置，增加双刃滚刀数量，割除刀盘最外周主动搅拌棒。2、更换新的螺旋机轴，同时对螺机轴进行改造，增加螺旋机轴端部锥度，增大螺旋机轴端部与土仓底部的空间间隙，便于大卵石通过，避免碰撞螺旋机轴。3、渣土改良以膨润土改良为主，降低刀盘与螺机扭矩。4、对螺机泵压力设定保护值，压力控制值设定在120bar以内，推进过程中注意观察螺机扭矩变化及渣土卵石含量与卵石粒径变化，出现螺旋机卡停现象时，立即停机，禁止频繁正反转螺机。

四、总结

（一）做好盾构机选型工作

对于成都地铁砂卵石地层的掘进，刀盘的设计本着“以排为主、排破结合”的理念，在刀具的配备上，要安装足够数量的滚刀、刮刀、切刀、撕裂刀及保径刀并合理布置，滚刀以18英寸为宜，而且要加厚加宽，滚刀刀间距控制在90～100mm，且滚刀要与可拆除的撕裂刀互换，在刀盘的开挖直径处最好设计有2～3把滚刀，以保护开挖直径，同时刀盘要有足够的刚度和强度，满足大扭矩和大推力的要求；为了防止大粒径的乱石进到土仓并卡断螺旋机，要在面板上设计开放式的格栅。

（二）重视地质补勘工作

进场前期准备工作阶段，一定要认真做好地质补勘工作，对于详勘单位未勘查的地段以及隧道上方重要建构筑物所处的地层是重点补勘对象，对于卵石地层卵石粒径的勘查可以参考车站开挖过程中的土体颗粒大小，也可在隧道区间范围内随机选取点施工人工挖孔桩，用于探查卵石粒径的分布状况及粒径大小。

五、结语：

根据在成都地铁3号线的盾构施工技术管理中，我认为对于一个项目来说除正确分析施工的重难点，对盾构机的设计提出针对性的要求，并使盾构机的技术性能、参数、配置、安全设计、制造等方面满足盾构施工要求后，只是为盾构施工正常进行打下了良好的基础，而最重要的还是施工过程的科学管理。因为，科学的管理才能把盾构的优良性能充分发挥，并快速安全完成施工任务。