如何保证砂卵石地层中盾构隧道安全高效施工

1、如何保证砂卵石地层中盾构隧道安全高效施工中国中铁二局股份有限公司邹坤秘摘要：随着近几年地下工程建设的不断发展，盾构施工技术越来越成熟，特别是在城市轨道交通建设中更显示出其优越性。但在城市地下进行盾构隧道掘进施工，有时将因为一些硬件问题导致地面沉降过大、地下管线破损、建构筑物坍塌，采取何种措施来改善盾构机硬件问题，从而保证地面沉降、地下管线以及建构筑物安全。本文针对中国中铁二局股份有限公司引进的罗宾斯盾构机和中铁隧道装备制造的刀盘所遇到的问题，提出了相应的解决方法，希望能对遇到相同或相近的盾构硬件问题起到借鉴作用。关键词：盾构 硬件问题 建构筑物 安全1、 前言地铁工程建设所选线路主要区段均在城

2、市的主城区，因规划和历史原因，地铁隧道线路主要在城市道路下方穿行，或将不可避免的在既有建构筑物或地下重要管线下方穿行。但受盾构施工机理和地质情况的限制，掘进时将引起地面隆起和沉降。若沉降和隆起超过地下管线或建构筑物允许变形值，造成地下管线和建构筑物变形、开裂，甚至建筑物倒塌，造成严重的安全事故，不但影响施工生产和施工安全，还将造成严重的社会不良影响。特别是成都砂卵石地层含水量丰富且有粉细砂透镜体，在扰动时掌子面不稳定，造成地面沉降量和沉降速率变化较大。在硬件设计不合理时如何改进，从而确保地下管线和地面建构筑物的安全。2、 成都地质情况描述 成都地铁隧道主要穿越砂卵石土层，卵、砾石成分以灰岩、砂

3、岩、石英岩等为主，呈圆形亚圆形，粒径大小不一，分选性差。卵石含量约80%，粒径以20100mm为主，最大粒径500mm，圆砾含量约10，兼夹漂石，漂石最大粒径700mm。卵石硬，最大强度可达200MPa。卵、砾石以中等风化为主。充填物主要为中细砂及少量粘性土。卵石土层顶板埋深1.422.0m。对于经过长期沉积未降水区域砂卵石层致密性较好。按地下水赋存条件，地下水分为两种类型：第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。其中，第四系孔隙水，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大（25m/d），地下水水量丰富，是段内地下水的主要存在形式。 图1 基坑开挖情况 图2 盾构掘进出漂石3、 盾

4、构施工中引起沉降的情形分析（1） 、盾构掘进切削面地层变形：推力过大、刀盘转速过快和掘进速度慢，对掌子面扰动大，造成上方土体坍塌进土仓引起沉降（欠压掘进）；推力过大和出土率小引起的挤压隆起。（2） 、盾尾脱出后地层变形：土体与管片之间的建筑缝隙填充量不足或不能及时填充引起地面沉降；注浆压力过高引起地面隆起。（3） 、盾构机硬件问题引起地层变形：刀盘结构形式不适应该地层，或渣土改良系统不合理，造成刀盘面板、土仓内结饼，从而使出土量增加，引起地面沉降。 因地层变形，邻近的地下管线和建构筑物将会受到不同程度的影响而发生沉降、隆起、倾斜、甚至结构损坏。4、 保证盾构掘进安全高效施工措施在盾构掘进中如何

5、保证地下管线、建构筑物的安全，其他地方已有详细的施工技术措施，在此处就不再提。现对掘进过程中发现盾构机刀盘设计不合理、改良系统不能满足砂卵石地层施工时，应作何改进来确保施工安全和高效完成施工任务。（1） 、我司在成都地铁2号线二期工程引进的罗宾斯盾构机所遇到硬件问题及改进措施：1）、刀盘问题及改造措施、刀盘设计直径为6310mm实际直径为6350mm，周边刮刀超过周边滚刀高度，且刮刀不能满足砂卵石地层的磨损。刀盘面板五孔刮刀耐磨性差，掘进不足30环，该刀具已严重磨损。造成刀盘面板磨损严重，进而使刀盘面板结泥饼，造成多出土引起地面沉降。周边刮刀和面板刮刀不能满足砂卵石地层刀具配置要求，做出以下改

6、进：将原装刮刀改为四孔弧形刮刀，减短刮刀尺寸使其低于周边滚刀，达到刀盘设计尺寸6310mm。面板刮刀采用合金刀头，掘进200环后刮刀磨损微乎其微，且减小了刀盘磨损和防止刀盘面板结饼。保证进出土顺畅，进而确保地面沉降。 图3 罗宾斯原装周边刮刀 图4 改造后加厚型周边刮刀 图5 罗宾斯原装面板刮刀磨损图片 图6 改造后5孔刮刀图片、掘进过程中刀箱结饼严重，每次开仓检查均发现刀箱被泥饼楔死，刀箱中滚刀被泥饼包裹后造成严重偏磨，部分存在刀圈崩裂掉落现象。通常情况掘进30环后就必须更换刀具，该盾构机不具备带压换刀能力，常压换刀安全风险大，容易造成地面沉降。为改变现状，专为此刀盘设计了面板耐磨贝壳刀（替

7、代滚刀）和中心撕裂刀，掘进200环后开仓检查刀具，刀具磨损在1cm以内，满足该地层的磨损性能，刀盘面板也得到了有效保护。在刀箱结饼情况下也不影响刀具的正常使用，且能保证正常掘进。 图7 滚刀偏磨情况 图8 面板耐磨贝壳刀图9 中心撕裂刀、盾构机刀盘牛腿数量为8个，且支撑成T字形。掘进中由于支撑背过多且间距较小，造成中心区域渣土流动性差，致中心区容易结泥饼（成伞形）；支撑成T字形，刀盘转动阻力变大、刀盘扭矩变大，刀盘转速也将随之加快才能转动刀盘，对地层扰动也将加剧，且支撑背上容易粘结泥饼。通过和设计者、制造者讨论，将支撑背对称的割除2根。割除后可减小刀盘转动阻力和刀盘扭矩，并能增加中心区域渣土的

8、流动性（减小向下流动的阻碍），进而延长中心区域渣土结饼是的时间。 图10 刀盘8个支撑背 图11 支撑背以内伞形结饼 图12 对称割除两根支撑背、刀盘厚度为700mm，开口率为32%，开口共12个，周边8个，中心区域4个比之周边大，开口均为直筒型。中心区开口在支撑背以内，该区域内渣土流动性差容易结饼，结饼后中心区开口将不能进土，实际开口率将严重缩小，导致进土不畅、推力增加、速度变慢，原地来回扰动造成刀盘上方土体坍塌进入土仓进而多出土，引起地面沉降。开口为直筒型且长度大，不利于渣土流动，容易造成开口处结饼。根据上述情况结合刀盘结构形式做以下改造：（一）将中心4个开口部分三角区域改为斜三角，增加开

9、口渣土的流动性。（二）刀盘周边割除刀箱4个，开口率从原来的32%增至约40%，增强渣土在刀盘周边开口的流动性。并在割除的刀盘筋板上增加12把面板刮刀。 图13 中心开口未改造前 图14 中心开口改造后 图15 周边4个刀箱割除位置和中心三角区域改造位置2）、渣土改良系统原盾构机泡沫系统中的空气流量十分不稳定，时有时无，并且泡沫的实际流量跟操作面板上面显示的流量不一致，且泡沫管道经常堵塞。导致渣土流塑性变差，久而久之造成土仓结饼、出土量变多，引起地面沉降。从日本进口一台泡沫系统，对原有的泡沫系统进行更换，使之能根据需要调节发泡气体流量，并能确保流量的稳定。并对沫喷头进行以下改进，防止管道堵塞：（

10、一）将止回板通孔加大，即使加注含有杂质的膨润土溶液,也能尽可能让其减少堵塞几率；（二）将止回板通孔部位改造为半球形，从而改善止回胶片的活跃度和密封性能；（三）将原来中心喷射改为四周喷射，从而增加止回胶片是使用寿命，尽量减少因止回胶片磨损造成管路堵塞。 图16 原装泡沫喷头止回板 图17 改造后泡沫喷头止回板 （2）、我司在成都地铁4号线一期工程引进中铁隧道装备制造的刀盘所遇到问题及改进措施：S394为海瑞克盾构机，在投入4号线之前已完成了4条地铁线的施工任务，掘进里程达10000m。投入4号线之前进行了较为彻底的检修，并跟换了刀盘。海瑞克刀盘和中铁隧道装备刀盘结构形式见图18、图19。海瑞克盾

11、构刀盘开口率为28%，中铁装备刀盘开口率为36%。 图18 海瑞克盾构刀盘 图19 中铁装备刀盘掘进效率低、出土量大、地面沉降超限的情况下经过几次开仓,均发现刀盘牛腿和环梁形成的闭合区域内以及刀箱中结有泥饼，面板环梁区域内结饼,且中心刀完全被泥饼覆盖，并向前突出近10cm的圆饼，造成环梁区域以外的刀具大部分未接触到掌子面。牛腿范围内的土体未能快速流动,刀具也不能有效地切削土体，故掘进控制非常困难，造成地面沉降连续报警并引起地下管线变形。上述情况原因分析如下：、由于地下水位较低，推进过程中加泥加水设施未能有效到位，导致碴土改良不及时（特别是牛腿及环梁内），造成刀盘面板、土仓、刀盘牛腿间结泥饼严重

12、。、刀盘面板全部使用双刃滚刀，过多地破碎了卵石，形成粉末，改良不及时，更加重了泥饼的形成。、牛腿内无加泥加水设施，导致泥饼从圆心逐渐向面板四周堆积和扩散，最终整个面板被“糊”。 、膨润土溶液中，膨润土量偏大（偏稠），土仓内温度偏高时，会使膨润土溶液失水，与渣土结合后加剧了土仓内泥饼的形成。 图20 牛腿结饼情况 图21 刀盘面板中心区域结饼情况图22 刀箱结饼情况盾构推进时，刀盘转动对掌子面土体扰动较大， 掘进速度缓慢时（土仓及刀盘面板结泥饼），对掌子面扰动更加严重，从而使刀盘上方土体坍塌，造成地面沉降过大。为改变这种状况，结合刀盘和中心回转接头的结构形式，改进方案如下：1） 、增加中心冲刷装

13、置 、原有泡沫及膨润土通道保持不变，在此基础上增加一个液压回转接头及一个中心冲刷回转接头，其串接在原有回转接头尾部，具体结构见下图图23 中心回转接头细部构造图、利用4路液压回转接头通道分别对刀盘四个中心开口处进行冲刷，利用串接的中心冲刷回转接头对刀盘牛腿之间进行冲刷，同时利用前盾土仓隔板上的上部左右各一个被动搅拌棒的通道对牛腿之间进行冲刷。图24 牛腿及环梁内部冲刷效果图 2)、为改善刀盘盘面中心区域的流动性，同时适当减少中心开口的进渣量以降低土仓中心泥饼的产生几率，适当减少了刀盘中心区域刮刀安装数量。 图25 中心刮刀摘除前 图26 中心刮刀摘除后（红色区域刮刀拆除）3)、中心滚刀更换为撕

14、裂刀刀盘环梁内的8把滚刀更换为撕裂刀，撕裂刀伸出刀盘面板比滚刀高30mm，具有一定的先行作用。采用先行刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低滚刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少滚刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。 图27 滚刀 图28 撕裂刀5、盾构施工参数控制与渣土改良 （1）、罗宾斯盾构机经过改造恢复掘进制定了以下参数和渣土改良措施： 1）、根据罗宾斯盾构机机理，以及砂卵石地层掘进经验，对掘进参数做以下设定： 出土量V=切削面半径2××管片幅宽×F，根据成都地铁2号线二期工程（西延伸线）地质探勘以及补勘资料显示，该区域内的渣土松散系

15、数值取F=1.2。因此出土量控制在45m³（管片幅宽为1.2m）、55m³（管片幅宽为1.5m）以内。掘进中每出一厢土都要对推进的行程进行一次校核，统计多出土的情况，并做好出土记录。如果实际出土量超出理论出土量的5%，出土量无法控制，必须立即停机，并及时采取洞内二次补注浆及地面跟踪注浆措施，防止地面沉降。同步注浆的注入率应控制在130%250%之间，注浆压力控制在23bar，最大程度利用同步注浆将建筑间隙填满。注浆过程中应严格控制注浆压力，压力过大将使地面隆起，反之亦然。为确保间隙填满，管片脱出盾尾23环后进行二次注浆，注浆压力控制在2.53bar。2） 、渣土改良 使用膨

16、润土溶液+泡沫溶液 膨润土溶液 水：膨润土=100kg：52kg，即1m3水加520kg膨润土； 泡沫溶液 使用CF=3%的泡沫，泡沫膨胀倍率FER=10； 以上两种溶液，膨润土溶液的注入率为20%，泡沫溶液的注入率为10%，合计注入率为30%，使用刀盘最外侧的两个管路注入泡沫溶液，其余管路注入膨润土溶液。按照上述泡沫及膨润土溶液的配比及注入率，下表给出了1050mm/min速度值下对应的膨润土及泡沫流量： 每环（1.2m)掘进行程泡沫注入量参数表序号12345速度(mm/min）1020304050时间（min)12060403024总注入量（L/min）3.136.259.3812.515

17、.63 每环（1.2m)掘进行程膨润土溶液注入量参数表序号12345速度(mm/min）1020304050时间（min)12060403024总注入量（L/min）62.5125187.5250312.5 （2）、S394盾构机渣土改良系统改进后恢复掘进参数设定如下:推力（kN）扭矩（kN.m） 刀盘转速（rpm） 土仓压力（bar）螺旋机转速（rpm）80001500045001.01.30.50.8（1#土压传感器）与土压相匹配根据成都地铁4号线3标地质探勘以及补勘资料显示，该区域内的渣土松散系数值取F=1.2。因此出土量控制在42m³（管片幅宽为1.2m）、52m³（管片幅宽为1.5m）以内。掘进中每出一厢土都要对推进的行程进行一次校核，统计多出土的情况，并做好出土记录。如果实际出土量超出理论出土量的5%，出土量无法控制，必须立即停机，并及时采取洞内二次补注浆及地面跟踪注浆措施，防止地面沉降。同步注浆及二次注浆按照常规进行注入。渣土改良：中心部位的冲刷装置，从开刀盘启动到停止，不间断的向土仓内以每小时8至10