土压平衡盾构在大粒径砂卵石地层中的应用

温小东/WEN Xiao-dong

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

随着地下交通工程的快速发展，盾构法施工技术广泛应用于城市轨道交通、地下综合管廊、引水等工程，盾构法施工对地层适应性广泛、施工安全系数高，但因地质情况的千变万化、施工环境复杂，在施工中必然存在盾构适应性和施工方法、措施的调整[1]。在富水砂卵石地层盾构施工技术方面，已有不少学者进行了研究[2-14]，本文主要结合成都、北京等地区砂卵石地层盾构施工经验，研究洛阳地区七里河站～王城公园站区间大粒径砂卵石地层土压平衡盾构施工关键技术，重点解决土压盾构在大粒径砂卵石地层掘进过程中滞排、保压、刀具磨损等难题。

1 工程概况

七里河站～王城公园站区间地层情况为第四系冲洪积的黄土状土、卵石，其中黄土状土属中软土，卵石为中硬土，地下水埋藏深度一般5.90～9.70m，水位112.87～119.60m，整体呈西高东低。盾构主要下穿：1-1 杂填土、1-2 素填土、填筑土、2-2 黄土状粉质黏土、2-3 黄土状粉土、2-4-3 卵石、3-2 粉质黏土、3-3 粉土、3-4-3 细沙、3-9-3 卵石、3-9-4 卵石等地层，其中粉质黏土含零星钙质结核，属中压缩性土，浅黄褐色，局部具高压缩性；卵石层其粒径以20～100mm 为主，最大粒径达400mm，多为亚圆形，磨圆度为中，分选性差，卵石成分主要为砂岩、石英岩、玄武岩等，微风化，极少为强风化、中风化，卵石含量高达35%～45%，填充物以砂、砾砂为主，少量黏性土、粉质黏土。卵石层厚10～28m，平均厚度20m。超重型动力触探试验经杆长修正后平均值N120=11.4 击。

2 工程重难点分析

工程主要重难点有：卵石地层掘进刀盘、刀具磨损及换刀困难；砂层掘进时的渣土塑流性、止水性差；在含有黏性土的卵石地层中掘进，易产生刀盘的堵塞及“糊刀”现象；地表沉降控制难度大。

3 盾构选型及适应性分析

3.1 盾构选型

根据区间地质条件、详勘报告及投标书相关要求，分析盾构设计特点如下。

1）盾体为后铰接结构，注浆管内置，满足最小250m 转弯半径，同时可适应1500m 及1200m 管片施工。

2）人舱采用并列双舱在前盾上部安装形式，以利于复合地层换刀的快捷安全。

3）土仓采用中心隔板固定方式并配有高压水冲刷系统，有效防止土仓中心 泥饼。

4）刀盘采用六主梁+六面板结构，减少在砂卵石层施工中搅拌扭矩，刀盘开口均匀分布，加强渣土改良，有效防止刀盘泥饼。

5）螺旋机具有优良的耐磨性能，延长砂层掘进的修复周期。

6）主机皮带机坡度≯10°，在发生喷涌是可顺利输送水性渣土，避免溅落。

7）泡沫系统采用单管单泵设计，确保渣土改良的有效性及效果，避免泥饼。

本区间盾构选用∅6470mm 土压平衡盾构，盾构主要技术参数如下。

3.2 盾构刀盘刀具适应性分析

结合本工程地质概况，盾构刀盘采用复合式刀盘，刀盘结构为6 主梁+6 面板形式，刀盘开口率35%，开口结构在整个刀盘盘面均匀分布，利于渣土流动的性质使土压传递更流畅；降低刀盘泥饼的形成。

结合工程地质情况，在掘进过程中刀具易发生较大的磨损消耗和异常损坏。为提高刀具在大粒径砂卵石地层中的适应性，采用刃宽为28mm的18 寸滚刀，刀圈材料选用加厚刀圈（刃口宽25.4～32mm）抗磨性材料，刀毂表面增加耐磨焊，可适当提高刀具的抗冲击和耐磨性能，提高盾构刀具的使用寿命，光面刀圈按刃口分类如下。

1）超薄刀圈（刃口宽＜19.1mm）：刃口薄，破岩效果好，适用岩面稳定、均一的坚硬岩～极硬岩。

2）较薄刀圈（刃口宽19mm）：破岩效果好，适用于掌子面稳定的坚硬岩。

3）普通刀圈（刃口宽22mm）：破岩效果适中，适用于裂隙发育、溶洞、基岩凸起、孤石等复杂地况的中硬岩。

4）加厚刀圈（刃口宽25.4～32mm）：耐磨性、抗冲击性较好，破岩效果稍差，适合于大贯入度的极软岩地层、砂卵地层或沙层。

刃口形式与地层匹配的是否得当将直接影响盾构掘进效率与成本。临界最大贯入度与刀圈刃宽关系曲线如图1 所示。

图1 临界最大贯入度与刀圈刃宽关系曲线

土压盾构卵石地层掘进时，扭矩多数来源于克服仓内渣土堆积扭矩，且受卵石粒径大小影响，扭矩波动较大，边滚刀冲击较大；砂卵石地层较为松散，滚动对掌子面的剥落作用明显大于破碎（即：卵石未达到破碎条件已经脱离掌子面），故滚刀选择时偏重于耐磨、耐冲击型；考虑仓内卵石堆积且粒径不均，对滚刀造成的冲击较大；刀圈选用梯度硬度刀圈避免崩刃、断刃现象。盾构刀盘及刀具主要参数如下：①刀盘：规格（直径×长度）为∅6470mm×1595mm，泡沫口数量6 个，旋转方向为正反向，膨润土口数量（与泡沫共用）2 个，开口率35%，主动搅拌臂数量4 件，结构总重约60t，主要结构件材质Q345B；②滚刀：中心滚刀4 把，单刃滚刀32把，高度187.5mm，高度187.5mm；③焊接撕裂刀：刮刀数量23 把，刮刀径向伸出量155mm；④边刮刀：数量8 把，高度130mm；⑤切刀：数量36 把，高度130mm；⑥保径刀及外圈梁保护刀：保径刀数量12 把，2 整环合金耐磨块；⑦仿形刀：数量1 把，磨损检测点数量4 个，超挖量40mm。

3.3 螺旋输送机选型

螺旋输送机有无轴螺旋输送机和有轴螺旋输送机：无轴是采用了无中心轴设计，利用具有一定柔性的钢制螺旋来对物料进行推送；有轴则是利用螺旋将物料在机壳内推移，从而实现输送，承载力要比无轴螺旋输送机大，且使用安全可靠（不易喷涌）、具有很强的适应能力、安装维修方便、机器体积小，转速比较高，能实现输送快速而均匀、机器运行噪音低，密封性好，且整机刚性好。

为解决盾构在大粒径砂卵石地层掘进过程中螺旋输送机卡机和其喷涌问题，螺旋转送机选用内径0.92m 的轴式叶片，其螺旋转送机最大性能参数，扭矩210kNm，转速22r/min，通过粒径350×560mm，在螺旋输送机筒体上设置有2 处渣土改良口，在土仓内设一道前端闸门，出碴口设双闸门，可调伸缩行程最大达到0.9m，断电时可自主关闭出碴口，从而有效的防止了由于断电造成的喷涌现象。

1）筒体耐磨设计（图2）：前盾螺旋输送机筒体内套表面贴有耐磨复合钢板，前端两节筒体内表面贴复合耐磨钢板。

图2 筒体耐磨设计

2）叶片耐磨设计（图3）：叶片轴前部外圆镶焊合金耐磨块，在螺旋叶片迎渣方向堆焊耐磨网格。

图3 叶片耐磨设计

3）防喷涌设计（图4）：采用两道下出渣方式，两道闸门呈相反方向，当两道闸门同时开启时渣土沿曲线流动，起到一定的减压作用，从而起到防喷涌作用；同时，设立两道闸门，当使用一道门时，另一道闸门起到备用作用，并且两道闸门可实现单独控制。

图4 螺旋输送机闸门示意图

4 大粒径卵石地层土压盾构施工关键技术

4.1 盾构开仓作业注意事项

开仓作业主要施工控制点为掌子面稳定及有害气体检测，以保证仓内作业人员安全。按照地铁施工经验，开仓加固方法采用：降水+素桩加固方法（图5）。

图5 开仓加固示意图

开仓作业选在地层较好、掌子面较稳定、地面条件允许，可以在常压条件下进行进仓作业。

1）开仓前准备工作：开仓前必须保证人员全部到位，同时将准备好的机具、工具、材料等运送到工作区域，并进行清点登记。

2）将土仓内碴土出至仓门以下，打开仓门，通入新鲜空气，将土仓内空气置换。完成置换后后用气体测试器进行测试，一切正常后方可进仓进行操作。

3）人员进入气压仓后，观察周围情况是否稳定，如果比较稳定则按计划进行仓内作业，同时现场工程师收集影像资料。

4）仓内作业完毕后，现场人员应按进仓前登记记录检查是否在气压仓遗留有工具或其他杂物，仓内的管线、管路是否完好正常。确认后，撤离土压仓，关闭仓门。

为使开仓换刀作业有序地进行，制定开仓换刀作业程序（图6），并建立相应的签认制度。由当班负责人负责组织签认。

图6 开仓流程示意图

4.2 盾构刀具磨损问题

穿越涧河段地层砂卵石含量高、粒径更大、硬度大给施工带来一大难题就是刀盘刀具磨损较快，在此段（690m）掘进过程中前后开仓对比发现：2 把中心刀偏磨需更换、32 把单刃滚刀均有不同程度的磨损（最小磨损量15mm、最大磨损量40mm）、8 把边刮刀掉落2 把，剩余6 把边刮刀合金块破损严重，最大磨损量30mm，36 把切刀最大磨损量30mm，其中11 把切刀需要更换，根据以上经验项目组织讨论左线刀具优化方案，经讨论决定将17 寸滚刀更换成18 寸滚刀，同时加大滚刀保护块，对边刮刀刀座背部进行支撑肋板加固，在刀盘外围增加筋板。改造后的掘进过程中不但减少了刀具的磨损而且掘进效率也有明显提高，总体效果非常突出。

4.3 卡刀盘问题

右线盾构掘进至212 环，各参数均处于正常范围，单班掘进在8～10 环，土仓上部压力稳定在1.2bar，刀盘扭矩在1200～2500kNm，平均推力在1000～1700t，推进速度在50～70mm/min，但掘进至213 环时，发现上部压力突然从1.2bar 下降至0.56bar，扭矩从1500kNm 升至3650kNm，刀盘渐渐无法转动，地面检测人员反映地表沉降达3mm，地面有冒浆情况。项目首先对卡刀盘位置地质情况进行调查，盾构刀盘位于卵石层中，卵石厚度6m，上覆土厚度13.6m。分析卡刀盘原因可能是由于地层本身存在空洞或卵石不稳定空隙较大，施工过程中地层扰动导致坍塌，盾构被压埋。核实液压马达、主驱动等部件情况时发现3 号液压马达有轻微晃动，经过检查发现液压马达固定螺栓有一个断裂，后迅速采取措施进行更换，更换后情况仍无好转。项目立即采取以下措施：注入膨润土、利用脱困扭矩通过正反转转动刀盘、加大螺机转速、收缩千斤顶加大舱内压力至1.5bar 左右时盾构稍有后退，刀盘已能缓慢转动，经缓慢推进、加强渣土改良，盾构逐渐恢复正常运转。左线在掘进至371、565、环时也有类似卡刀盘等情况，通过类似的方案解决此类问题。

考虑到地层的综合性、多变性及卵石层段较长，为确保有效的控制地表沉降和针对性降低对设备的损耗的控制，掘进参数的合理性和设备的适应性，就凸显的尤为关键。根据掘进情况和地表沉降检测的情况来看，参数选择如下。

以上参数为正常掘进参数，如地层出现变化可根据实际情况做出合理的微调。如出现较大的参数不合理变化要及时进行调整。

4.4 螺旋输送机故障

左线盾构掘进至482 环，螺旋输送机各参数均处于正常范围：螺机扭矩在90～150kNm，螺机转速在12～17r/min。在掘进至483 环时螺机扭矩突然增大至200kNm 左右，转速下降至5r/min 左右，螺旋输送机渐渐无法正常转动，并有异响，确定螺机卡滞，此时停止掘进，主司机立即采取措施收缩螺机及反转螺机进行试图使卡滞物体排出，均不能正常操作，经反复操作初步判断在螺机中下部有大粒径卵石，导致螺机卡死。针对以上情况，项目部立即组织相关人员召开螺机卡滞脱困方案讨论，根据施工经验制定实施性方案操作如下：首先从螺机上部注入润滑油，间接性正反转螺机，效果不明显；其次将高压水从螺机底部球阀注入，反复冲洗螺机内渣土，虽稍有好转，但效果不佳；再通过正反转会使摩擦部位的温度升高，用红外线温度计配备机械听诊仪确定被卡部位；最后确定被卡部位后，为防止螺机喷涌在螺机筒壁上焊接弧形闸板阀后开孔，取出被卡物，恢复筒壁。出洞后发现螺机螺旋耐磨块磨损严重，根据磨损情况建议后期掘进施工螺机选用时适当加大螺机直径、加大螺机壁厚、提高耐磨块的耐磨性能。

5 结论与讨论

针对七里河站～王城公园站区间的掘进情况，得出以下结论：①在大粒径砂卵石地层掘进中渣土改良尤为关键，适当添加膨润土能有效减小刀盘扭矩；②使用18 寸滚刀代替17 寸滚刀、对滚刀进行耐磨性改良能很好地提高刀具寿命；③掘进速度不宜过快，保持在50～60mm/min，掘进速度过快刀盘贯入度过高，容易卡刀盘。

对于土压盾构在大粒径砂卵石刀具选择方面有以下几点讨论。

1）滚刀首先与掌子面接触，可以有效地切入砂卵石层，切刀、刮刀辅助切削，能有效保护卵石对刀盘磨损。

2）单刃滚刀优于双刃滚刀，双人滚刀较单刃滚刀容易偏磨。单刃滚刀磨损因数小于双人滚刀。

3）使用膨润土直接与掌子面接触；有利于螺机带出土仓内卵石；让膨润土在刀盘前渗透，形成一定的泥膜稳定掌子面土压；润滑刀盘，降低刀盘扭矩，减小刀盘刀具的磨损。

总之砂卵石地层土压平衡盾构施工应根据地表建构筑物保护情况、砂卵石粒径及含量、地下水情况等影响进行综合考虑分析合理增加设备配置提高性能，重点还要加强刀具的配置、刀盘开口率、螺旋送机的选择；同时主司机的业务水平及处理问题的能力也尤为关键，例如掘进过程中舱内压力适应性、掘进参数的优化、刀盘卡滞脱困手段等。