上卵石下泥岩地层盾构掘进控制技术研究

王海明

（中铁十六局集团地铁工程有限公司 北京 100023）

1 工程概况及水文地质

（1）工程概况

成都地铁5号线某盾构区间，单线总里程1 316 m，以350 m曲线半径下穿剑南大道、绕城高速之后，顺次穿越锦城湖、栏杆堰、成昆铁路等重大风险源，最终以250 m曲线半径到达接收井。

隧道平面总体呈缓S形，纵断面总体呈V形。隧道最大覆土厚度14.5 m，最小覆土厚度5.7 m，最大纵坡为32‰。采用一台海瑞克土压盾构机，开挖直径为6 280 mm。

（2）水文地质

隧道始发和接收段位于单一卵石土地层，卵石粒径2～20 cm，磨圆度较好、分选性差，含有漂石；卵石单轴抗压强度42.44～102.29 MPa。隧道最低点位于单一中风化泥岩地层，块状构造，岩芯多呈碎块状，少量短柱状，节理、裂隙较发育。其余约2／3线路位于上部卵石下部泥岩的复合地层中，隧道埋深8.8～14.5 m，且大部分位于湖区下方。锦城湖为人工回填湖，湖区内自上而下依次为杂填土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密实卵石、强风化泥岩和中风化泥岩。地质组成较复杂，透水性较强（见图1）[1－3]。

图1 隧道局部地质断面

隧道断面内地下水丰富，主要来源于地层潜水、地表降水及泥岩裂隙水。经勘察在岩层较破碎区段有水压较高的局部富水段发育，且与锦城湖湖水连通[4－6]。

2 推进过程中遇到的困难

实际勘察发现该区段上覆杂填土层厚1.2～1.8 m，素填土层厚仅1.5～2.5 m，其余为卵石层。长期在湖水与地下水渗透及冲刷作用下，细颗粒流失，孔隙率变大，十分松散，受扰动后极易剥落。卵石层受开挖扰动影响下沉后，覆土层也随之下沉并进一步形成塌陷。

2．1 盾构机掘进速度不稳定

（1）刚推进时速度从零缓慢爬升，但仅能维持在10～20 mm／min且来回跳动，增大推力和螺旋机转速后可以提高推进速度，但刀盘扭矩急剧增加，甚至造成刀盘卡停。出渣基本以泥岩块和卵石夹杂状态为主，且卵石居多。该状态一般维持1～2渣土车。

（2）维持主要推进参数不变，在推进第2车时速度继续提升至10～30 mm／min，仍不稳定且来回跳动。出渣开始趋于稳定，卵石量开始减少、泥岩块增多。

（3）连续推进至第3车时速度开始稳定在20～40 mm／min，并有提升迹象。出渣主要为泥岩块，卵石夹杂于泥岩块间，大卵石可见，小卵石则不易发现。

（4）到第4车时速度一般能基本稳定在35 mm／min左右，到第5车时速度达40～50 mm／min，直至掘进完成。后续两车出渣基本为泥岩块，偶见卵石。

在连续掘进状态下，一般到第3车速度可基本正常，但出现如喷涌、设备故障等情况，导致掘进不连续时（作业间隔超2 h），刀盘就会卡死使启动更加困难。

上述情况随卵石在断面范围内的占比不同而不同，但无规律可循。推进过程中基本采用保压掘进的方式，压力一般控制设定在0.6～0.8 bar，压力过高则地面极易击穿，压力过低则掌子面坍塌速度过快致使推进速度降低，进一步导致超排[7－9]。

2．2 渣土改良困难

渣土改良主要通过注入泡沫剂、膨润土、黄泥和水进行，但效果不佳。由于地层受扰动后塌落速度较快，渣土在土仓内无法充分搅拌，改良剂不能与切削下来的卵石和泥岩块充分混合，从而不能形成有效流塑体。渣土从螺旋机排出时呈现卵石与泥岩分离且有间歇性喷涌的状态，即渣土和卵石分段排出，有时泥岩集中排出，有时卵石集中排出，有时集中喷涌，喷涌出的泥浆内携带有细砂、卵石和泥岩块。喷涌时，掘进速度一般会有明显提升，但喷涌会造成拼装区积泥积砂，清理耗时过长，且在停机过程中，掌子面塌落的卵石堆积、改良好的渣土出现离析，造成恶性循环，大大降低掘进效率。

3 推进困难原因分析

经过多次开舱检查以及分析总结，造成推进困难的主要原因如下：

（1）该区段覆土浅且上部卵石级配不好，松散、自稳性差，渣土改良又不能有效改良掌子面土体；受到扰动后的松散卵石层由于本身没有黏聚力，且覆土浅无法形成塌落拱。以上几个综合因素是造成塌方和推进困难的主要原因（见图2）。

图2 刀盘面板区的卵石

（2）刀盘刀具切削地层过程中易产生高温，使得卵石黏土形成胶结状板块，堆积在开挖舱扭腿中间和螺旋机出口两侧，甚至堵塞切削口，造成进出渣不畅。正面渣土不能进入开挖舱，也导致速度不能迅速提升（见图3）。

图3 螺旋机两侧、扭腿中心结饼

4 针对性处理措施及效果

4．1 膨润土保压掘进

在掘进前和掘进后分别向土舱内注入配置好的膨润土浆液，同时提高掌子面土压至0.8～1.0 bar，使用膨润土浆液建立土压平衡并保持，减少隧道上方卵石剥落量，提高推进速度。结果表明，使用膨润土浆液可有效降低推进扭矩，减少超排量，但速度提升效果不明显。

由于覆土较浅，泡沫剂和膨润土浆液在压力作用下易击穿地面，进而造成开挖舱失压，无法有效支撑掌子面土体稳定。其次，膨润土浆液在开挖舱内被地下水稀释，如加入量控制不好，与渣土呈现分层状态，并在开挖舱内形成泥浆水包，无法在螺旋机内形成柱塞，推进过程中易出现喷涌，从而带出大量泥砂和小粒径卵石，堵塞管片拼装区，影响管片拼装作业。停机清理泥砂耗时耗力，易形成恶性循环（见图4）。

图4 喷涌影响拼装区作业

4．2 增加高压水保压掘进

在盾构机中隔板靠近螺旋机两侧的位置，增加两路供水管，向土舱内供水。在管路上安装增压水泵，提高冲洗水压，对螺旋机两侧进行冲洗，以减轻螺旋机两侧的板结情况。在控制室安装远程控制旋钮，司机在推进过程中可根据出渣情况实时控制加水量。通过改进后，一方面提高了渣土改良效果，另一方面主动补水一定程度上减少了出渣带走的地下水量，降低了超排量。渣土改良后较之前流塑性更好，但对司机的操作经验要求也极高，水加多则喷涌，水加少则板结[10－11]。

4．3 控制出渣量保压推进

（1）严格控制出渣量

出渣量控制以掘进进尺为准，按每进尺5 cm为一个控制段，严格核算出渣量与进尺的差值。当出渣量超出进尺5 cm的理论量时，调整螺旋机转速降低出渣速度，使得进尺与出渣量相匹配。出渣量超出停止掘进，视情况向舱内注入膨润土浆液或惰性砂浆进行补充，其后再恢复掘进（因惰性砂浆充填作业效率较低，一般采用注入膨润土浆液的方式。对于风险性较大的风险源建议采用惰性砂浆充填的方式）[12]。

（2）控制土仓压力

多次试验后确定掘进时顶部土舱压力控制在0.6～0.8 bar，波动范围不大于0.1 bar。掘进完成后，以向土舱内注入泡沫剂、膨润土浆液和水的方式，保证掌子面压力在停机转换工序期间不低于0.8 bar，且需持续保压。主要以土压和出土量为控制标准，推进扭矩和推进速度次之。经过试验发现，该方法可控制不超排，但在推进过程中土舱压力、刀盘扭矩和推力均缓慢上涨，司机需同时观察土压、推力、扭矩、出渣量及渣土改良情况的实时变化，并综合分析确定调整某一参数，以保证掘进顺利进行。

核心要点：保证渣土改良效果，确保螺旋机排出的渣土保持液态流塑状，否则刀盘中心区和面板会在很短的时间内结满泥饼，且必须开舱作业处理。

4．4 最终优化解决措施

经过多次试验后，本复合地层范围综合采取以下解决措施：

（1）对能够提前加固的区域以及重点风险源点，采用WSS工法进行地面注浆加固（双液浆）。

（2）司机根据上一环掘进过程排出的卵石量判断是否向舱内注入膨润土浆液。其判断标准为：当目测可见卵石集中出现，就必须在停机时注入膨润土浆液，一般为4～6 m3。“集中出现”指出渣过程中，在皮带机上某一时段连续出现抱团的卵石或卵石成堆出现的现象。

（3）尽量缩短工序转换时间，保证连续掘进，即让开挖舱内土体保持流塑状，避免时间过长渣土离析。工序转换过程中或停机过程中交替使用注入泡沫剂和水的方式，持续保压，也能保证渣土和易性。

（4）掘进过程中采取保压并控制出土量的方法控制推进。

（5）在不超排的情况下，速度允许控制在15～30 mm／min范围。穿过复合段地层进入单一地层后，再提高掘进速度。

（6）推进过程中动态调整加水量，确保渣土改良效果，防止结泥饼。如出现渣土改良效果不佳的情况，则需停止推进并通过注入泡沫或水或膨润土的方式对舱内土体进行改良，直至达到要求再恢复掘进。

5 存在的问题

（1）严格控制出渣量的操作模式下，出渣量与掘进参数的动态调整无规律可循，需由司机根据实际情况和盾构机各实时掘进参数的变化进行动态判断，对司机要求极高。

（2）本区间最后采取的综合控制方式，可控制超排和连续推进作业，但对渣土改良的要求极高，有结泥饼和卡刀盘的施工风险。

（3）使用膨润土浆液建立泥膜保压推进的方式，虽不能完全解决卵石塌落问题，却可较明显地降低卵石塌落量；但较好的泥膜又会增加泥岩块在中心区堆结泥饼的概率，这是一个相互矛盾的过程。同时由于地层中的卵石层厚度和泥岩层厚度不断变化，因此建立泥膜的平衡点也较难掌控，压力过大造成地面击穿，压力过小不能有效控制卵石塌落。

（4）上述方法除地面注浆加固外，其他通过改进盾构机硬件、优化掘进参数等方式的控制处理措施均未完全解决上卵石、下泥岩复合地层中卵石剥落与结泥饼之间的平衡问题。

6 结论

本文通过对盾构机在上卵石、下泥岩复合地层中不同推进控制方式下的试验总结，一方面给出了该地层条件下可行的盾构掘进控制模式，另一方面也初步得出结论，即在复合地层中掘进时，盾构机控制参数的设定应首先考虑不良地层（如本区间的卵石层），其后再考虑其他地层；综合参数的设定应按照复合地层占比以近似差比法的方式设定和调整，并应较大幅度偏向于不良地层。本区间掘进实践也再次证明盾构机掘进参数的设定必须以盾构施工的基本平衡原理为基础进行。