南京长江漫滩区软硬不均地层盾构掘进关键技术

李陶朦/LI Tao-meng

（中铁隧道局集团有限公司 设备分公司，河南 洛阳 471009）

随着我国城市地铁、公路、铁路、水利隧道的兴建,土压盾构得到了广泛应用[1],本文介绍了长江漫滩区软土和软硬不均地层土压盾构穿越中风化岩、淤泥质粉质粘土、粉土为主的地层[2]，掘进时易发生刀盘刀具异常磨损、结泥饼、喷涌等现象[3],从设备自身和施工方面提出一些应对措施，显著提高了盾构掘进效率、降低了施工成本，具有深远意义。

1 工程概况及施工难点

南京地铁3 号线京新村站-泰冯路站施工区间所属地貌单元西段以长江阶地区为主，地形稍有起伏，海拔多在10～15m；K5+650 以东为长江漫滩平原区，地势平坦，海拔多在5～10m。京泰区间的地质基本上分为3 种：软土层、软硬不均地层、硬岩层，并穿越江浦-六合F3 断裂带。区间穿越岩层一般强度4.2～63.3MPa，局部地段岩层强度达98.1MPa，区间地质纵断面如图1 所示。

图1 京新村站-泰冯路站区间地质纵断面图

由于软土地层主要为粉土、流塑状粉质粘土和两种土层的交互地层，地层自稳性较差易产生地表沉降；长江边地层含水量较大易产生喷涌现象；软土地层易造成刀盘结泥饼；软硬不均地层易造成刀盘刀具异常磨损、结泥饼、喷涌等典型施工难题。

2 设备适应性改造

设备仅对刀盘系统进行改造，本盾构区间施工采用海瑞克S217 土压盾构，原软土刀盘已不适用南京地铁3 号线复合地层的施工要求，故对S217 盾构的刀盘进行了新制改造工作。

首先增加1 套315kW 的主驱动液压泵站，来增加刀盘转速提高刀盘的破硬岩能力。另外，由原辐条式软土刀盘改为面板式复合硬岩刀盘，新刀盘配置了中心滚刀、单刃正滚刀、单刃边滚刀、焊接撕裂刀、周边保径刀，刀盘改造前后如图2、图3 和表1 所示。当刀盘全部安装滚刀时刀盘开口率约为35%，可有效减少刀盘结泥饼风险，以满足S217 在南京地铁3 号线复合地层中的掘进工作。刀盘周边焊有耐磨条，刀盘面板焊接有格栅状的Hardox 耐磨材料，充分保证了刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。

表1 刀盘改造前后参数对照表

图2 改造前刀盘图

图3 改造后刀盘图

3 施工技术措施和效果

3.1 控制地表沉降采取的措施和效果

盾构掘进区间软土地层主要为粉土、流塑状粉质粘土和两种土层的交互地层，地层自稳性较差，控制地表沉降采取了以下措施。

1）掘进过程中参数的控制，土仓压力按照埋深的全土柱松弛土压的1.1 倍计算，保持土压，并实时进行地表量测，修正掘进参数。

2）注浆量按照开挖环形间隙理论体积的1.6～2.3 倍注入，保证了注浆效果。

3）严格控制出渣量（38～40mm3），值班工程师和主司机2 人重复计量并比对结果确定。

4）加强地表监测，根据监测结果有针对性地进行二次补注浆。

3.2 防喷涌采取的措施和效果

由于处于长江漫滩区且存在断裂带，盾构掘进区间喷涌水来源主要为裂隙水和微承压水，且在掘进过程中，需要加注泡沫进行渣土改良降低扭矩和渣土温度，均极易造成喷涌。盾构掘进期间采取了以下应对措施。

1）在盾构后部管片上开孔泄压，减少流入刀盘的水量。

2）管片拖出盾尾后及时进行二次注浆，注双液浆形成密封环，对后部水进行封堵。

3）减小螺旋输送机闸门开度，对出渣口部位进行防护。

4）减少管片拼装时间，合理安排工序，加强盾构保养，减少工序和故障停机时间，连续施工，减少盾构后部流入刀盘的净水量。

3.3 刀盘结泥饼采取的措施和效果

本区间软土和复合地层共有以下4 种类型，可能会产生的不利影响如表2 所示。

表2 复合地层类型及特点

盾构在软土、复合地层掘进，渣土改良效果非常重要，使用的添加剂量也高，适当的配比可有效降低结泥饼风险，且可以降低刀具损耗率。施工过程中采取了以下措施。

1）改造后的刀盘开口率为32.5%～34%，较原来的28%开口率更为合理。

2）加强技术管理。盾构推进过程中安排有一定施工经验的推进主司机、值班工程师及生产副经理，能及时反馈施工过程中的异常状况，及时采取措施。

3）不断总结推进参数，特别是根据出土的改良效果，及时调整渣土改良参数。

4）与多家泡沫、高分子、制泥添加剂等厂商沟通，通过现场实施后根据效果确定合适的外加剂材料。

通过上述措施，有效避免了软土、复合地层中刀盘结泥饼的发生，且降低了刀具异常磨损，有力保证了掘进效率。

3.4 刀具异常磨损采取的措施和效果

上软下硬地层盾构掘进时极易产生刀盘刀具异常磨损、掘进效率低等施工难题，施工过程中采取了以下措施。

1）制定详细的刀具检查计划，一般50 环之内开仓主动检查刀具一次，根据地质勘察报告，每次在进入软硬不均地层之前都要进行刀具检查更换。

2）加强渣土改良，结合渣土温度、渣土状态（含水情况）及时调整渣土改良剂配比，减少刀具异常磨损的可能性。

3）采用“小推力、高转速”方式推进，防止因软硬不均造成的刀盘“卡死”，减少刀具偏磨。

通过上述措施，有效克服了上软下硬地层中刀盘刀具异常磨损、掘进效率低等施工难题，有力保证了掘进效率。

3.5 开仓检查、换刀安全保证措施和效果

本区间盾构需穿越K2p-2 强风化岩及K2p-3 中风化岩，其中岩石强度最高达到98.1MPa，盾构需推进岩层段约500m 左右，需经常开仓检查并更换刀具，开仓过程中的安全保证及换刀作业过程中的安全保证是重点，换刀时采取了以下措施。

1）开仓前须通过严格的开仓审批手续，待技术、安全、生产及管理层签字后再进行开仓。

2）开仓前进行严格的有毒、有害气体检测，确定安全后作业人员进入人仓中作业。

3）开仓前制定严格的应急预案，开仓过程中医务人员随时待命，发现异常情况及人员伤害时立即实施救援。

4 结论与建议

本台改造盾构在复合地层掘进时，针对不同地层，采取了不同的掘进方式和参数控制措施，在保证渣土改良效果的情况下能够很好地适应此类地层的掘进。在软土地层施工前最好将滚刀全部装好，待盾构通过软硬不均区后在全断面硬岩位置换刀。盾构在软土中掘进时，施工方法相对简单；在硬岩段掘进的过程中遵循“小推力，高转速，勤检查，早更换”的原则，加强盾构上各设备的检查，加强渣土分析检测，加强刀具的检查力度，稳步推进，有效提高了掘进效率和安全性。