典型粉砂地层盾构选型及施工参数研究

周祥春

摘    要：当今地下空间的开发成为解决城市地面空间资源日益匮乏的重要方法，而地铁作为地下空间开发方面解决城市地面交通日益拥堵现象的良药，近年来一直为以公共交通导向型开发（TOD发展模式）所推崇，使得城市交通功能得到加强。盾构法作为作为地铁区间隧道广泛采用的工法，已广泛的应用到地铁建设工程实践中，鉴于地下工程地质水文条件及工程周边环境，盾构选型、施工掘进参数合适与否将直接影响到工程安全、质量。针对杭州8號线一期工程所处钱塘江两岸所遇的特殊复杂工程条件，结合盾构选型的原则与方法提出适用于砂层盾构机型、配置特殊技术、施工掘进参数。

关键词：选型，粉砂，参数

1   前言

杭州地铁8号线一期工程起于文海南路站，出站后沿2号大街铺设，穿越钱塘江及其堤坝，上南岸线路通过规划绿地折向河景路，沿道路东行，在大江东新城核心区西侧偏离河景路，穿过核心区后再次折回河景路东行，至工程终点新湾路站。

2   工程及水文地质简介

工程所在沿线地形平坦，属典型的冲海积平原地貌单元，填土、砂质粉土、粉砂、淤泥质土，其中淤泥质土层为储气层，富含沼气。地铁区间隧道底位于12m～27m之间，粉砂层底板深度约18～22m，其渗透系数为10-5m/s，盾构隧道不可绕避的穿越粉砂性土层，地表主要分布有地表水和潜水，由于粉砂层较厚沿线河道较多，造成地下水补给较快，在该地质条件下盾构始发、接收、掘进过程均存在涌水涌砂的风险，对盾构施工较为不利。

3   盾构选型原则和步骤

3.1  选型原则

盾构选型主要从安全性、对地层适应性、经济性、技术先进性等几个方面综合考虑，

尽量减少辅助工法及工序，并确保开挖面稳定和快速掘进，总原则是安全性第一，以确保盾构法施工的安全性，适应地层能提高盾构设备较为稳定的运转，继而在安全可靠又稳定运行的前提下，在考虑盾构机摊销费用，即经济性的前提下采用先进技术。

沿线的地质条件较为平缓起伏不大的情况下，在选则盾构机型时应兼顾具有特殊性的地层的影响，还要满足区间隧道长度、外径、埋深、施工场地、周围环境等影响条件，同时后配套与主机匹配的前提下应具有结构形式简单、布置合理和易于维护保养的特点。

3.2  盾构选型步骤

盾构机根据工作方式和出渣方法分为泥水气压平衡盾构和土压平衡盾构，地层的渗透系数小于10-7m/s时，通常选用土压平衡盾构;当地层的渗透系数在10-7～10-4m/s之间，两者均可选用;当地层的透水系数大于10-4m/s时，应优先选用泥水盾构。

土压平衡盾构刀盘切削下来的土体，经过土仓底部通道，由螺旋输送机旋转输出，在螺旋输送机内形成压力梯降，来保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定，控制地面沉降，故从地对地层适应性角度，土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工。结合大量的施工案例，当地层范围粉粒、黏粒的的总量达到40%及以上时，宜选用土压平衡盾构，而当水压大于0.3MPa时，螺旋输送机难以形成有效的土压下降，螺旋喷涌的风险增大，为确保开挖面的稳定，宜采用泥水盾构，如因地质原因需采用土压平衡盾构，需对盾构机设备进行特殊改造，增大螺旋输送机的长度或采用一级螺旋输送机或采用保压泵，同时后配套应相应的调整，整机费用将增加。

本工程盾构隧道穿越区域主要为富水粉砂层及淤泥质土层，渗透系数介于10-3～10—8m/s，其颗粒组成0.075～0.005之间占比为28.5～72.2%，受到周边可用场地条件的限值，选用土压平衡盾构，需通过向土仓内及刀盘面板注入膨润土、泡沫剂并均匀搅拌改善渣土性能，使得改良后的土体具有较好和易性能较好的传递土压在螺旋输送机内形成压力梯度，同时降低涌水流砂和发生喷涌的风险。工程区间隧道平均线路长度约1.7km，考虑到长距离掘进，刀盘和刀具易磨损区域应采用耐磨材料，盾构机设计时应进行专项的耐磨设计，并配备磨损检测装置。

4   施工参数

富水粉砂地层自稳性差，盾构掘进刀盘切削土体形成渣土，渣土充满土仓，使得土仓维持一定压力并与掌子面水土压力平衡来稳定开挖面，该掘进模式主要通过控制盾构掘进速度、千斤顶推力和螺旋输送机的出渣量共同产生压力，并通过测量土仓压力来随时调整、控制推进速度、顶推力和螺旋机转速，保持既定的掘进效率。

应预估每环的出渣量，控制土仓内的渣土量，保证土仓压力值，同时改良土体，降低渗水量，实时监测土仓压力，避免土仓内渣土过稀而发生喷涌。掘进中要严格控制出渣量，加强巡检，如有异常应停机保压排查，同时要加大盾尾油脂的注入量并密切观测压力，避免堵管，并防止盾尾被击穿或铰接密封处渗水。

此地层掘进除受到隧道下穿范围地层影响外，外围高水压的影响。应采用土压平衡模式掘进。下穿河道前，要对设备进行全面的检查和保养，保证设备的完好，特别是盾尾密封、铰接密封、刀具的完好。掘进时要尽量降低对地层的扰动，防止土仓与水系的直接连通，加泡沫或高分子聚合物增加对地层的止水性，确保盾尾密封效果，通过调整浆液配合比，提高浆液的凝固速度。

4.1  各掘进参数的相对关系

遵照选型原则选择与地层相适应的盾构机型，不可忽视掘进参数的优化调整，参数选择得当与否，关系到地表沉降的有效控制、盾构机工作状态可靠与否、刀具及配套机械设备的损耗大小。在掘进中起主要调节作用的参数为：油缸推力、刀盘转速、刀盘扭矩、土仓压力、螺旋输送机转速，刀盘转速及油缸推力可以调节土仓压力、切削速度，调节切削的渣土量，螺旋输送机转速可以调节出渣速度，同时又影响这刀盘扭矩、掘进速度。在掘进中，需要结合地质情况对这些参数进行综合观测，通过适当调节确保工程的顺利推进。

4.2  粉砂层中掘进参数参考表

5  结束语

盾构机作为地下工程隧道施工高度自动化的专用机械设备，选型合理与否直接关系到工程风险、质量、成本，需综合考虑，规避风险。既涉及到工程所处的水文和地质条件，又与地面环境条件、隧道结构设计、盾构机本身的部件配置密切相关，本文通过对典型粉砂地层盾构选型较重要的三方面渗透性、颗径、水压进行分析，同时结合施工过程中推力、扭矩、出土量、同步注浆量、土仓压力等掘进参数的分析给出施工参数建议值，为盾构选型和施工参数选择提供参考建议。

参考文献：

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[3] 杨雪芳，倪鸿斌，王涛，万坤.淤泥软土地质土压盾构的选型与技术应用[J].建筑机械， 2019（8）.

[4] 李海生.全断面饱和砂层盾构掘进施工参数研究[D]郑州大学，2015.