高富水大粒径卵漂石地层中土压平衡盾构掘进浅析

种鹏飞

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250014）

兰州在地铁隧道的埋深范围内，主要地质为砂卵石地层，越靠近黄河地区，卵漂石粒径越大。兰州于2013年开始建设第一条地铁线路，在四余年间的地铁隧道建设过程中，一直伴随着土压平衡盾构机如何应对高埋深大粒径强富水砂卵石的磨损性。

本文根据兰州地铁1号线世纪大道站站-中间风井区间左线土压平衡盾构的施工经验，阐述在高埋深强富水大粒径卵石地层土压平衡盾构的掘进方法，希望能够为类似地层的盾构选型及掘进提供参考。

1 工程概况

1.1 线路概况

[世纪大道-风井区间]右线为里程YCK10+900.00～YCK 12+028.097，长1 128.097 m。左线里程ZCK10+900.0～ZCK12+028.097，长1 141.701 m（长链 13.604 m）。

区间隧道左右线间距约20.7 m。隧道埋深为11.4～40.4 m，区间隧道最大纵坡坡度27‰，最小平面曲线半径450 m（见图1）。

图1 世纪大道-风井区间

1.2 地质状况

[世纪大道-中间风井]区间隧道穿越地层大部分为全断面3-11卵石层，始发段隧道穿越地层为2-10卵石层和3-11卵石层复合层（见表1）。

表1 卵石颗分成果统计

2-10卵石层：杂色、青灰色。局部夹有薄层或透镜状砂层，广泛分布于河漫滩上部和安宁区二级阶地黄土状土之下。据颗分资料及现场调查，粒径大于20 mm 的漂石、卵石平均含量占63.5%，一般粒径20～50 mm，漂石含量较少，最大粒径为500 mm；粒径2～20 mm 的圆砾平均含量占12.4；中粗砂充填。

3-11卵石层：灰黄色、青灰色，饱和，局部夹有薄层或透镜状砂层，广泛分布于河漫滩及安宁区二级阶地下部。据颗分资料及现场勘探，该层粒径大于20 mm 的漂石、卵石平均含量占64.53%，一般粒径20～60 mm，漂石含量较少，最大粒径为500 mm；粒径2～20 mm 的圆砾平均含量占14.82%；中粗砂充填。

在盾构掘进过程中，从渣土斗中随机抽取渣土样品进行筛分发现，该区间实际的卵石含量和粒径比地勘报告中的更多、更大，并且大粒径卵石群随机出现，掘进发现的最大粒径可达700 mm。

部分取样中大卵石及实际掘进螺旋机出土中的较大粒径卵石（见图2）。

图2 卵石渣土样品

1.3 水文状况

区间赋存地下水，地下水类型为潜水。根据沿线地下水的埋藏形式、含水层及相对隔水层特点，地下水详细情况如下：

潜水：水位标高为1 522.17～1 534.10 m，水位埋深为3.12～11.65 m，含水层为2-10-3卵石层、2-10-4卵石层、3-11卵石层，该层地下水分布较为连续，地下水位由北东向南西缓慢降低。主要接受大气降水、地表水入渗以及黄河水补给，以径流与地下越流方式排泄。根据勘察设计文件并结合施工实际状况，该区间地下水丰富、渗透系数大（渗透系数：65～72 m/d）。

2 项目难点及风险

（1）根据世纪大道站-中间风井区间右线的掘进经验，盾构在穿越该区间高埋深强富水大粒径卵石的过程中，刀具和刀盘的磨损严重，工程期间需频繁更换刀具，加固刀盘；

（2）该区间卵漂石最大粒径为900 mm，超过刀盘及螺旋输送机300 mm×500 mm的通过粒径，大粒径漂石需在刀盘前方破碎。如刀盘无法及时破碎大粒径漂石，将造成多个漂石在刀盘前方堆积，造成刀盘启动扭矩增大，掘进缓慢，严重情况下将导致刀盘卡死或无法推进；

（3）该区间的卵漂石颗粒之间胶结差或基本无胶结，当盾构通过时，上方土体经刀盘扰动后极易塌落，造成地面沉降；

（4）该区间盾构开挖面位于地下水位线以下，地下水丰富并且岩层渗透率高。造成螺旋输送机出碴含水量较大，经常性喷涌严重，易从皮带机前方倒流至管片拼装区域，需花费大量人工及时间清理，严重影响掘进效率。

3 盾构机的选型及配置

综合考虑盾构机各个系统的动力匹配、刀盘扭矩、转速及驱动功率储备、螺旋输送机形式以及各个部件的耐磨措施，为使盾构机能实现在该地层下高效掘进。项目组最终选定区间左线采用辽宁三三工业有限公司（前 加拿大罗威特隧道设备有限公司）的土压平衡盾构机。该盾构主要技术参数如下：

（1）刀盘开口率34%（中心开口率50%），配备33把17英寸单刃滚刀，4把17英寸中心双联滚刀（均可更换为18寸刀圈）；正面刮刀80把，周边刮刀24把。刀盘开口率与最大刀具布置数量成反比，对于该区间的卵漂石地层，34%的刀盘开口率比较适宜。另因为刀盘中心的刀具因其运行半径较小，因此在其工作时受到的侧向力较大，对滚刀的切削效率、工作寿命均有较大影响，因此要保证刀盘中心开口较大，便于中心部位切削松散后的渣土更快进入土舱内，避免在刀盘前方堆积，降低中心部位刀具的工作负担。

（2）刀盘正表面布置CAT特种耐磨合金板，侧面布置镶嵌式耐磨合金条；刀盘布置7个渣土改良注入口，均采用单管单泵的形式；刀盘的耐磨性主要通过两个方面进行控制，一是主体耐磨材料的选择，二是通过有效的渣土改良系统对土体进行改良，降低其磨损性。

（3）刀盘主驱动为6台200 kW水冷变频电机，刀盘额定扭矩6 300 kNm，额定扭矩转速范围0～1.8 r/min，最高转速3.2转；脱困扭矩8 300 kNm；在应对该区间的大粒径卵漂石地层，刀盘动力储备更足、极限扭矩高、主轴大、扭矩强；在遇到地层突变，扭矩剧烈变化时，刀盘不会出现变形，刀盘开挖系统可靠性高。变频电机驱动具有提供刚性扭矩大，极限扭矩高、低能耗、设备高效、工作环境好（噪音小、温度低），故障低、维修少、检修方便和减少消耗物资等优势。

（4）螺旋输送机内径850 mm，最大通过粒径300 mm（直径）×500 mm（长度）；最大推进速度200 mm/min。更高的推进速度使盾构具备快速通过恶劣地层的能力，降低单位时间内刀盘对单位长度内土体的扰动，有效降低上方岩层塌落，减小地面沉降。

4 掘进中遇到的困难

基于该项目具有兰州地区地铁施工以来所面临的最困难的地质条件，辽宁三三盾构机又是第一次在兰州地区使用。因此，项目组根据兰州地区以往盾构机的掘进经验，采用在以往标段中已经成熟的半仓欠压掘进法进行施工。其主要表现为：

（1）根据过往兰州地铁掘进经验，刀盘转速应控制在1 r/min左右，以避免对土体扰动过大，造成上方土体沉降。

（2）刀盘土舱应保持半仓状态，并对刀盘周边注入膨润土，以减小刀盘扭矩，避免刀盘卡死；然而，在掘进初期，盾构机频繁遭遇螺旋机卡死，推进困难，地面沉降过大等问题。区间左线最长的脱困周期超过25 d。

5 问题分析及解决方案

针对以上问题，项目领导及工区盾构施工管理人员详细分析讨论，并提出了相应的解决方案：

（1）该区间卵漂石粒径较大，最大粒径超过刀盘及螺旋机通过粒径，需要对其进行破碎，然后排出。如果采用1 r/min左右的刀盘转速，则滚刀无法形成有效的贯入度对大粒径的漂石进行破碎，从而导致大粒径漂石在刀盘前方堆积过多滞仓，最终造成刀盘卡死。辽宁三三盾构机刀盘驱动功率配置较高，其扭矩转速比有较大的富余量，在1.76 r/min的高转速时，仍能提供6 300 kNm的额定扭矩，因此，应将刀盘转速提高至1.7 r/min，刀盘扭矩保持在3 500～4 800 kNm范围内。利用刀盘高转速对刀盘前方的大粒径漂石进行破碎，从而避免漂石的堆积，解决刀盘卡死的问题。

（2）该区间地层自稳性差，卵石之间无胶结。采用半仓掘进，容易造成上方土体塌落，从而导致地面产生较大沉降。应充分利用辽宁三三盾构机扭矩富余量较大的优势，采取满仓方式进行掘进，并严格控制出碴量，减小甚至消除上方土体塌落空间，从而有效控制地面沉降。在采用以上应对措施后，盾构机掘进顺利，刀盘卡死现象未曾出现。并且，随着刀盘转速的提高，漂石破碎效果显著，掘进速度也得以大幅提高。

6 盾构机选型及参数选择建议

兰州地铁一号线世纪大道站-中间风井区间左线采用盾构法掘进的成功经验，对于日后在类似地层下采用盾构法施工中的盾构选型及掘进参数的选择有一定的指导意义。从对世纪大道站-中间风井区间左线完成的过程分析，对于高富水、大粒径、无胶结、高强度的卵石地层中盾构的选型，建议从以下几个方面入手。

（1）刀盘驱动功率。在该区间中刀盘功率配置的富余量是成功贯通的关键。在大粒径高强度的卵漂石地层中，要着重注意对超过刀盘及螺旋输送机通过粒径的漂石的破碎，避免其在刀盘前方堆积过多。

（2）刀具的优化。滚刀在无胶结地层中工况较差，松散的土体无法为滚刀提供足够的启动扭矩，造成刀具在切削过程中无法有效滚动，从而造成偏磨。因此，针对不同地层，需合理的设置滚刀启动扭矩。

（3）刀盘结构与布置。在大粒径卵石地层中掘进，刀盘扭矩始终在4 500～5 500 kNm内波动，瞬时最高扭矩达到7 000 kNm，因此，刀盘需具有较高的整体结构强度。另外，卵漂石单轴抗压强度较高，对刀盘及刀具的磨损性较高，因此对刀盘正表面及边缘的耐磨性也提出更高的要求，避免刀盘在掘进过程中提前破损，影响施工进度。

（4）推进速度。在类似地层中掘进，保持一个较高的推进速度会对其他几个关键参数带来巨大的正面影响。掘进速度越高，单环的掘进时间越短，掘进必需的油脂等消耗品的使用量也越小。在本区间中，单桶HBW最多可支持30环以上的掘进。另外，掘进速度的提高也可大幅提高刀具的使用寿命，在本区间中的换刀距离最高为546 m。兰州地铁一号线世纪大道站-中间风井区间左线地层较为特殊，特别是在高埋深强富水条件下需要带压进仓。在兰州地铁建设中成功解决砂卵石地层的经典案例较多，理念多有不同，此处仅通过介绍兰州地铁一号线世纪大道站-中间风井区间左线的掘进施工情况，为业内同仁在遇到高埋深强富水大粒径卵石时提供参考。

7 结语

在兰州地铁 1 号线施工过程中，根据地质条件的变化及盾构掘进状态，实时调整刀盘转速和螺旋机转速，对大粒径卵石进行破碎并快速排出，有效改善了因为漂石堆积导致刀盘卡死现象的发生，提高掘进效率。在自稳性差的卵石地层中应采用满仓掘进，严格控制出渣量，消除了掌子面坍塌的风险，有效地控制了地面沉降。该工程的实施经验对高富水大粒径砂卵石地层的盾构施工具有较好的借鉴意义，拓展了土压平衡盾构的适用范围。