大粒径卵石地层隧道直接式泥水平衡盾构机关键技术研究

李鸿

摘  要：大粒径卵石地层隧道盾构掘进是业界棘手的施工难题。对于大多选用的直接式泥水盾构机，盾构机再掘进过程中极易产生排浆管堵管、出渣不畅、频繁开采石箱清渣等施工难题。基于此，本文以大粒径卵石地层盾构隧道为研究对象，对直接式泥水平衡盾构机关键施工技术进行研究，对盾构机刀盘刀具进行自适应优化，对掘进参数进行调整，对掘进设备进行优化改造，总结出适应该地层的施工技术，为类似地层隧道盾构施工提供指导和借鉴。

关键词：砾石地层  大粒径卵石  直接式泥水平衡盾构机  盾构掘进  关键技术

中图分类号：U455                              文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0048-04

Abstract： Shield tunneling in large-size pebble stratum is a difficult construction problem in the industry. For most of the direct slurry shield machines， the construction problems such as blocking of discharge pipe， blocking of slag discharge pipe， frequent slag removal by stone box and so on， are easy to occur in the process of shield tunneling. Based on this， this paper studies the key construction technology of direct slurry balance shield machine with large particle size pebble stratum as the research object. The cutter head cutter of the shield machine is optimized adaptively， the tunneling parameters are adjusted， and the tunneling equipment is optimized. Finally， the construction technology suitable for stratum is summarized， which provides guidance and reference for shield construction of similar stratum tunnel.

Key Words： Gravel stratum; Large size pebble; Direct slurry balance shield machine; Shield tunneling; Key technology

泥水平衡盾构机施工关键技术的研究及应用是一个系统性科学难题。国内外诸多相关学者对此进行了一定程度的研究与探讨。陈健[1]等以武汉地铁八号线越江隧道、南京长江隧道等盾构隧道为研究对象，探究了泥水平衡盾构机穿越超大直径复杂地层隧道的施工重难点及关键技术，总结得出盾构机始发、掘进及接收技术，膨胀土地层的盾构机改造技术、刀盘刀具更换技术及开挖稳定性控制技术等。刘滨[2]等探究了泥水平衡盾构机穿越高富水复杂地层隧道的施工关键技术，提出了盾构隧道砂浆回填方案、盾构机姿态控制及管片拆除方案等三方面研究。

不难发现，泥水平衡盾构机关键施工技术研究是一项复杂的系统性工程，一直是施工的重点及难点，研究的热点及前沿。对于大粒径卵石地层隧道，极少有对改良后的直接式泥水平衡盾构机关键技术进行研究，本文以此为研究对象，以期得出关键施工技术，供相关研究及工程应用参考。

1  工程概况

以某盾构隧道为例进行说明。据隧道地质勘查资料显示，隧道穿越的地层主要为砾石、泥岩、钙质泥岩、泥质粉砂岩等复合地层。其中，砾石呈中密～密实狀，粒径较大，粒径大致范围为2～30mm，厚度为1.90～28.00m;泥岩成岩程度较深，呈半岩半土状，风干开裂，遇水易软化，天然状态下单轴抗压强度为1.03～7.39MPa，属A2类膨胀土;泥质粉砂岩为粉砂质结构，呈半岩半土状，天然状态下单轴抗压强度为0.92～3.56MPa;钙质泥岩已固结成岩石状的半成岩，天然状态下单轴抗压强度为1.40～4.15MPa。

隧址区地下水主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和基岩裂隙水。

其中上层滞水主要赋存于人工填土层和浅部粉土、砂土层中，分布不均匀、水位不连续、高低变化很大。第四系松散岩类孔隙水主要分布在邕江低阶地亚区和高阶地亚区。碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下伏古近系半成岩的粉砂岩和泥质粉砂岩中，该层地下水具承压性，富水性弱，属弱～中透水层，水位埋深1.6～18.5m。基岩裂隙水主要赋存于泥质硅质岩全风化、强风化带内，受大气降水及地表水体补给，水量随季节变化较大。

2  适应性盾构机设计

如上所述，该地层隧道地质情况较为复杂，地层起伏变化较大，泥岩占比高达70%，刀盘易结泥饼，根据盾构机适应性设计分析，采用2台泥水平衡盾构机分别用于隧道左线和右线，泥水仓由气垫式改造成直接式，提高排渣效率。盾构机简介如表1所示。

盾构机刀盘开口在整个盘面均匀分布，能够实现碴土径向方向的顺利流动，使碴土在刀盘中心区域不易形成因流动不畅而引起的堵塞和堆积，保证刀盘掘进过程中碴土顺利进入泥水仓，有效提高出渣效率。刀盘结构见图1，刀具配置见表2。

3  盾构机始发段掘进参数控制及设备优化改造

3.1 掘进参数

盾构始发段穿越砾石层，自稳定较差，地下水位较高，为确保掌子面稳定及提高排浆管携带大粒径砾石能力，根据实际掘进情况、仓内液位的波动情况、地面沉降监测等确定掘进参数，如表3所示。

3.2 盾构机姿态

结合拼装管片姿态与人工复合姿态对比，砾石地层成型管片平均上浮量为20～30mm，盾构机掘进垂直姿态控制在-20～30mm，每环纠偏量控制在6mm以内。

3.3 同步注浆及二次注浆

同步注浆采用注浆量及注浆压力双重控制，每环注浆量控制在5.5～6m3，注浆压力控制在0.3～0.35Mpa，确保壁后空隙填充密实，同步注浆配合比如表4所示。

二次注浆通过盾尾平台自备KBY-50双液注浆泵在管片拖出盾尾后4～6环进行，采用水泥水玻璃双液浆作为注浆材料，浆液配比为1：1，二次注浆压力为0.3～0.4Mpa，单孔注浆量为1～1.5m3。通过同步注浆和二次注浆，有效解决了泥水盾构机穿越砾石地层管片易上浮、地面沉降难控制的难题。

3.4 设备优化改造

通过进排浆管流量计算重新匹配P2泵功率，将原排浆管直径200mm调整为250mm，提高可最大携带砾石直径。

第一次改造采石箱内部结构，增加横向钢筋格网，间距150mm，利用钢筋网将采石箱分为二层，使排浆管路内大于150mm砾石头留在采石箱内，小于钢筋格网的砾石可正常循环至分离设备分离，大块砾石通过开采石箱进行人工清理，由于横向钢筋格网强度较低，实际施工过程中易变形。采石箱内部结构及第一次改造见图2。

第二次改造采石箱内部结构，将横向钢筋格网改为横向钢板格网，间距150mm，满足实际施工强度及刚度要求，但由于钢板格网上部存渣数量有限，每掘进一环需开采石箱3～5次，掘进效率较低。第三次改造采石箱内部结构，将横向钢板格网改为竖向钢筋格网，间距150mm，通过实际施工验证，强度满足要求。同时增大采石箱容积，提高采石箱存渣量，将原将采石箱仓门螺栓连接改造为简易连接，确保快速开关仓门进行人工清理大块砾石，减少因开采石箱影响盾构掘进时间。

经过三次改造采石箱，使每环掘进开采石箱次数降低至1次，人工开采石箱清理渣土开关仓门时间节约0.5h，大大提高了掘进效率。

4  结语

本文所得大粒径卵石地层隧道直接式盾构掘进施工技术，在工程中的成功应用，大大减少了排浆管堵管及开采石箱清理砾石次数，提高了掘进效率，降低了施工成本，取得了良好的经济效益和社会效益。其研究成果对今后地铁或类似工程的建设提供了重要参考，同时对提高我国隧道和地下工程领域的总体技术水平也有着十分重要的意义。

参考文献

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