小半径无水大粒径卵砾石地层盾构施工技术

宋亚伟

（中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030000）

目前国家水利工程建设飞速发展，尤其是在城市水利工程建设中，盾构工法得到迅速推广。由于受到城市规划及周边建筑物影响，盾构输水隧洞小半径曲线掘进施工越来越多。小半径全断面无水大粒径卵砾石地层盾构施工远比黏土、砂土等地层中困难，因此对无水大粒径卵砾石地层盾构施工的研究有着重要意义，对同类型盾构施工具有一定的指导作用。

1 工程背景

北京市南水北调配套工程河西支线工程自大宁调蓄水库取水，加压输水至三家店调节池，为丰台河西及门头沟区提供生活用水，设计规模10m3/s。施工第八标段位于北京市丰台区，包含两段盾构区间约3.4km，其中一段盾构输水隧洞长度约1820m，从北京市园博园5号门斜对面2#盾构始发井始发，至园博园1号门对面1#盾构接收井接收，盾构掘进线路由西北至东南，整体位于园博大道西侧。线路设计最小曲线半径275m，曲线长度约占隧洞全长的32.8%，盾构掘进为下坡，最大坡度1.183‰，竖曲线半径为5000m。盾构管片外直径3.8m，内径3.2m，宽度1.2m，厚度0.3m，采用弯曲螺栓连接，混凝土强度等级C50W10F150。

根据工程地质勘查报告，盾构输水隧洞位于永定河右岸一级阶地，管底高程55～57m，管底埋深12～14m。盾构输水隧洞置于②层卵石，地下水主要为潜水，水位按标高大致在42～44m，稳定性较差，含水层较薄，因此盾构掘进不受地下水影响。

②层卵石杂色，稍湿～饱和，密实，局部含圆砾及砂质透镜体夹层，卵石粒径以4～12cm为主，局部含漂石及孤石。卵石磨圆度较好，主要呈亚圆形；级配较高，含砂量5%～20%，含泥量较低。卵石成分主要为砂岩、砾岩、安山岩、花岗岩等。石粒（200～20mm）含量52.4%～82.8%，砾粒（20～2mm）含量5.8%～35.2%，砂粒（2～0.075mm）含量4.0%～19.6%，卵石粒径较大，夹漂石、孤石较多，勘探及附近施工可见最大粒径约2.0m，级配不良。

盾构全断面穿越无水大粒径卵砾石地层施工，是国内外罕见的施工难题。根据工程概况，主要存在以下难题：（1）刀盘和螺旋输送机以及密封舱内部磨损严重；（2）在盾构机密封舱内建立土压平衡状态比较困难；（3）大粒径砂卵石切削和破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也困难；（4）盾构掘进时的刀盘扭矩，推进阻力大，对设备能力要求较高；（5）小半径曲线施工轴线较难控制，管片很可能因为推力过大造成破坏；（6）盾构机独头掘进约3.4km长，掘进距离长，地质条件较差，风险性高。

针对以上难点，通过总结已经完成掘进的盾构输水隧洞施工经验，着重从三方面采取措施：一是盾构机参数的优化，二是土体的塑流化改良，三是盾构掘进参数的优化。

2 盾构机参数的优化

盾构输水隧洞施工采用1台由中国铁建重工集团有限公司生产的Φ4030mm土压平衡式盾构机，根据本工程地质条件，本着“吃得进、掘得动、排得出、挖得稳”为理念，根据施工经验及专家论证确定盾构机参数。

（1）“吃得进”，即刀盘需要大开口，可以使渣土顺利进入。刀盘结构采用4幅条+4面板复合式刀盘，开挖直径Φ4060mm，开口率约58%。刀盘法兰采用梅花形，4个支腿设计，提高刀盘支撑刚度、强度，满足砂卵石地层下对刀盘的高冲击要求。同时，增加刀盘格栅，避免面超大粒径卵石（大于螺旋输送机最大通过粒径Φ415mm×460mm）进入土仓。刀盘照片如图1所示。

图1 刀盘照片

（2）“掘得动”，即设备需要足够的扭矩和推力。刀盘主驱动采用液压驱动，额定扭矩2501kN·m，脱困扭矩2920kN·m，转速0～2.5rpm。盾构机推进油缸规格Φ200/170～1900mm，共16根，分4个区，最大推力17592kN，最大推进速度80mm/min。

（3）“排得出”，即螺旋输送机有较大的排渣能力。为保证螺旋输送机能够尽可能排出大粒径卵石，采用液压驱动，无轴螺旋型式，最大通过粒径Φ415mm×460mm；螺旋输送机出渣能力155m3/h，转速0～22rpm。

（4）“挖得稳”，即设备需配备良好的渣土改良系统。在盾体的径向方向、刀盘、前盾承压隔板均注入膨润土浆液；采用单管单泵进行泡沫注入。

3 土体塑流化改良

输水隧洞盾构掘进位于卵砾石地层中，土体的塑流化改良能够有效减少刀具磨损、降低刀盘扭矩、减少螺旋输送机的磨损，同时可较好地控制地面沉降。

3.1 土体改良材料

土体改良就是通过盾构机配置的专用装置泡沫系统、膨润土系统等向刀盘掌子面、土仓、螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土体混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的土体具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足盾构机掘进时达到理想的工作状况。

考虑到盾构输水隧洞在全断面无水卵砾石地层中施工，土体改良剂主要选择优质的膨润土和泡沫。

3.2 土体改良注入点的优化

（1）膨润土注入点的优化。盾构机膨润土注入口原为“2路刀盘”设计，由于受无水卵砾石地层极易扩散的影响，导致膨润土损失量较大，土仓内土体改良效果较差，不易通过螺旋机排出。经过现场施工试验，将“2路刀盘”改为“1路土仓+1路螺旋机”，能够有效降低膨润土损失，土体改良效果良好。

（2）泡沫注入点的优化。盾构机膨润土注入口原为“2路刀盘”设计，同样由于受到无水卵砾石地层影响，经过现场施工试验，将“2路刀盘”调整为“2路刀盘+1路土仓”，土体改良效果良好。

（3）优化效果。通过现场施工试验，土体和易性得到有效改善，能够有效防止切削土体黏附在刀盘及螺旋输送机内造成堵塞，同时降低刀盘扭矩，减少卵砾石对刀盘及螺旋输送机的磨损。

3.3 土体改良注入量的优化

控制膨润土及泡沫的注入量在卵砾石地层盾构掘进中非常重要，合理的注入量一方面能够使土体的塑流化达到最佳状态，同时也能节约成本。

通过现场施工试验，膨润土采用优质膨润土，泥浆配比为水∶膨润土=10∶1，将膨润土泥浆稠度由30s提高至80s时，可使每环膨润土注入量由7～8m3降至约2.5m3。泡沫混合液原液占比约5%，混合液发泡体积膨胀率为15～17倍，每环泡沫原液注入量为25～30L。土体改良剂注入量调整后，极少出现螺旋机卡顿等情况，盾构掘进过程中排渣通畅。

4 盾构掘进参数的优化

盾构全断面穿越无水大粒径卵砾石地层施工，合理选择盾构施工掘进参数至关重要，主要包括土压力控制、出渣量控制、盾构推力控制、刀盘参数控制及注浆控制等。

4.1 土压力控制

由于输水隧洞位于卵砾石地层，采用土压平衡盾构机，刀盘极易“卡死”而造成推进困难，考虑到土压的数值和刀盘的扭矩及盾构推力呈正比关系，为了尽量降低刀盘的磨损，减小盾构的推进阻力，提高掘进速度，应在满足地表沉降要求的前提下采取适量欠压的模式掘进。根据隧洞覆土厚度8～10m，掘进时土仓上压力控制在0.3bar左右，下土压控制在0.6bar左右为宜。

4.2 出渣量控制

盾构在掘进时出渣量超挖会造成地面沉降超限，因此，必须严格控制每环出渣量。结合北京地区相似地层施工经验，同时总结现场施工经验，地层松散系数按1.1～1.2考虑较为合适，每环出渣量宜控制在17.1～18.6m3。实际施工时出土量应针对地层、结合地表沉降监测分析结果，随时进行调整。

4.3 盾构推力控制

在刀盘转速一定的情况下，掘进速度越大，刀盘贯入度也越大，在粒径大的密实卵砾石层中极易出现卡刀盘等不良现象。盾构推进时应保证推进速度的均匀性，总结现场施工经验，无水卵砾石地层中理想推力应控制在6000～8000kN。

4.4 刀盘参数控制

因无水卵砾石地层自稳性差，如刀盘转速过高，将加大刀盘、刀具的磨损，同时对土体扰动也会加大，不利于土体自稳。总结现场施工经验，刀盘转速宜控制在1.2～1.4rpm，刀盘扭矩控制在800～1000kN·m较为合适。当刀盘扭矩超过75%时，应该对土体改良的质量进行检查，应在土体改良效果正常的前提下再适当地对刀盘参数进行调整。

4.5 注浆控制

盾构施工过程中，同步注浆及二次补浆对盾构姿态及成型隧洞轴线位置控制有着至关重要的作用。同步注浆材料选用水泥砂浆（现场自拌），总结现场施工经验，同步注浆量为理论注浆量的1.3～1.5倍为宜，即每环同步注浆量为2.5～2.9m3。由于卵砾石地层掘进采用欠压模式，极易造成地表沉降，所以管片壁后二次补浆应根据地表检测情况及时进行，补浆位置为管片两侧上半圆范围，二次注浆采用双液浆，双液浆混合后的胶凝时间控制在20～30s范围之内。

5 施工效果

通过对盾构机参数的优化、土体的塑流化改良、盾构掘进参数的优化等方面的研究，极大提高了盾构的施工速度，成功克服了大粒径卵石地层掘进困难、刀具磨损、刀盘和螺旋机频繁卡停等难题，并在盾构推进取得单班日掘进21环、单日掘进39环、单月掘进742环的好成绩。输水隧洞管片拼装衬砌环直径椭圆度、轴线偏差（高程和平面）、管片错台及地表沉降均满足设计及规范要求。

6 结束语

在北京南水北调配套工程河西支线施工过程中，通过对盾构机参数的优化、土体的塑流化改良、盾构掘进参数的优化等方面的研究，顺利完成了盾构全断面穿越无水大粒径卵砾石地层施工，并在小半径曲线段施工、地表沉降控制等方面取得了良好效果，最终实现了盾构安全高效掘进。该工程施工经验对无水卵砾石地层盾构施工具有很好的借鉴意义。