全断面砂卵石地层泥水盾构掘进技术小结

ClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastersubtitlestyleClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastersubtitlestyle一、工程概况1

工程概况1.1

线路概况洛阳市轨道交通2号线2标03工区，位于洛阳市西工区与洛龙区，出解放路站沿解放路敷设到达九都西路站，经九都西路站穿越洛河后到达博物馆站，分别为解放路站（不含）～九都西路站区间、九都西路站、九都西路～博物馆站区间、博物馆站，共计2站2区间。1.2

工程概况九都西路站～博物馆站区间设计范围为：左DK13+048.391～左DK15+065.200（右DK13+048.391～右DK15+065.200），左线长度2031.938（长链15.129m），右线长度2017.440m（长链0.631m），全长4049.378米。北起九都东路与春园西路交叉口的九都西路站，沿春园西路路下向南敷设，横穿洛河，右转至隋唐城路路下敷设，至隋唐城路与隋唐园北路交叉口处的博物馆站。该区间线路沿线由北向南依次为西下池村民宅（1～4层）～文兴阳光水岸小区（2～18层）～牡丹大桥引桥～牡丹大桥主桥～洛河～牡丹桥立交隧道～惠普基坑～简易板房～聂湾村民房（5层）～文博车库通道等。区间共设置3座联络通道、1座区间风井，第一座联络通道中心里程为右DK13+505.631（左DK13+505.514）、第二座联络通道兼泵房中心里程为右DK13+912.131（左DK13+912.014），根据地层及周边环境，联络通道采用洞内冻结法加固，矿山法施工；第三座联络通道与区间风井合建，区间风井起、终点里程分别为右DK14+494.799（左DK14+482.685）、右DK14+515.201（左DK14+503.088），

区间风井采用明挖法施工，地下连续墙+内支撑的支护形式。2

工程建设条件2.1

地理位置及环境概况1洛阳市轨道交通2号线2标03工区九都西路站～博物馆站区间出博物馆站北端头后以550m转弯半径下穿隋唐城路，到达区间风井，穿越区间风井后以直线平行于牡丹大桥穿越洛河，穿越洛河后沿春园西路侧穿文兴阳光水岸小区以及西下池民房最后到达九都西路站南端。2.2

周边建构筑物及管线根据博九区间线路平纵图及施工调查，盾构隧道沿线建（构）筑物见表2-1博九区间沿线建（构）筑物汇总表。表2-1

博九区间沿线建（构）筑物汇总表序号环境影响物情况相关里程风险基本状况描述区间隧道下穿、侧穿西下池部分民宅（其中下穿

1右

DK13+050～右

DK13+1801

西下池民宅栋混

3，侧穿

1

栋混

4、1

栋混

3、1

栋砖

1），基础

Ⅲ级不详，区间隧道埋深约

9.2m。文兴阳光水岸为框架结构（4

栋砼

2、3

栋砼

4、4栋砼

12、2

栋砼

18），该房屋为一层地下室，其中砼12和砼18为筏板基础，砼2和砼4为独立基础。，Ⅲ级区间隧道侧穿该小区多栋房屋，隧道距该建筑物最小水平距离约

1.1m。右

DK13+100～右

DK13+6002

文兴阳光水岸牡丹桥立交引桥为桩下扩大基础，区间侧穿牡丹大右

DK13+052～

桥引桥，引桥为桩下扩大基础，区间侧穿引桥范围右

DK13+600

约

500m，引桥桥墩约

17

个，区间距引桥桥底水平距离约

4.4～4.6m。3

牡丹大桥引桥Ⅲ级右

DK13+600～

区间侧穿牡丹桥主桥，主桥为桩基，区间隧道距桥右

DK14+300

桩基础水平距离约

7.6m4

牡丹大桥主桥牡丹桥立交隧Ⅳ级Ⅲ级右

DK14

区间隧道下穿牡丹桥立交隧道，该立交隧道采用放+400.000

坡开挖，区间隧道距立交底净距约

11.82m。5道区间侧穿惠普基坑，基坑深约

8.7m,采用微型钢管6惠普基坑右

DK14+540

桩+土钉+放坡开挖支护形式，隧道距基坑底水平距Ⅳ级离约

3.1m，竖向距离约

11m。DN600

污水管（钢筋砼）区间下穿污水管，污水管埋深约

2.45m,区间隧道78--Ⅲ级Ⅲ级距污水管最小竖向距离约

7.05m。DN800、DN600、DN500

雨水管区间下穿雨水管，雨水管埋深约

1.45m,区间隧道距污水管最小竖向距离约

8.1m。盾构局部下穿管线，管线埋深

1.68m，竖向距离约燃气

d500（钢管）9-7.42m，操作不当，管线周围土体不均匀沉降、管Ⅲ级线断裂等。2序号环境影响物情况相关里程-风险基本状况描述DN1200

雨水管（钢筋砼）区间下穿雨水管，雨水管埋深约

2.45m,区间隧道距污水管最小竖向距离约

15m。10Ⅳ级2.3

场地条件区间始发场地位于隋唐城路西侧绿地内，场地平整，接收场地为城市干道春园西路。区间沿线城市道路较多，其中博物馆站西侧为隋唐城路双向八车道，九都西路站北端为九都路双向6车道，均为城市主干道。3

工程水文、地质概况3.1

自然特征、地形地貌博九区间北起九都东路与春园西路交叉口的九都西路站，沿春园西路路下向南敷设，横穿洛河，右转至隋唐城路路下敷设，至隋唐城路与隋唐园北路交叉口处的博物馆站。根据岩土工程勘察报告该区间地貌单元为伊洛河一级阶地，地势起伏不大，地面高程在138.200m～143.280m之间。地貌分区图见下图3-1。图

3-1

地貌分区图3.2

地层岩性、地质构造洛阳地区是华北陆块西南缘的断陷盆地区。盆地形成于中生代末期，经历了燕山3期和喜山期的构造变动。其沉积范围严格受到周围断裂构造的控制。北侧有北西向燕山期的朝阳断裂，西部和东部展布北西向断裂的痕迹，南侧为嵩山隆起的西延部分。本区间层主要有第四系全新统人工堆积层（Q4ml）杂填土、素填土，第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）淤泥、黄土状黏质粉土、卵石，第四系上更新统冲洪积物（Q3al+pl）卵石。地层现从新到老详细分述如下：第①1层杂填土（Q4ml）：分布于里程右

CK13+052.200～右

CK13+650.000、里程右

CK14+280.000～右

CK14+800.000和里程右

CK14+800.000～右

CK15+054.400线路的右侧。褐黄色，稍密。堆填时间大于

5年，物质成分以黏性土为主，含少量建筑垃圾及三七灰土垫层，偶见卵石及小砾石。回填经碾压，稍密状，均匀性一般。主要为路基填土，局部区域顶部为厚

10～40cm（沥青）砼地面。层底标高

131.68～141.97m，层底埋深

0.60～10.2m，层厚

0.60～10.2m，平均厚度

3.64m。第①2层素填土（Q4ml）：分布于里程右

CK14+800.000～右

CK15+054.400线路的左侧，为园林绿化区域。褐黄色、黄褐色，稍密。物质成分以黏性土为主，含植物根系及虫孔，偶见小砾石灰褐色。层底标高

137.83～138.34m，层底埋深

0.3～0.6m，平均厚度

0.47m。第②1层淤泥（Q4al+pl）：主要分布在洛河河床，灰褐色，流塑～软塑，土质较均，稍有光滑，干强度和韧性中等，具臭味，主要分布在洛河河床。压缩系数a1-2=0.79～1.59Mpa-1，平均值为

1.22Mpa-1，属高压缩性土。层底标高

126.20～130.40m，层底埋深

0.4～4.50m，层厚

0.4～4.50m，平均厚度

1.59m。第②3-1层黄土状黏质粉土（Q4al+pl）：分布于卵石层上部，场地除洛河外，广泛分布填土下部。黄褐色，稍湿，稍密，含锈黄色斑点及灰黑色锰质斑点，局部含植物根系，孔隙较发育。该层粉土摇震反应中等，干强度低，韧性低，无光泽。压缩系数

a1-2=0.14～0.49Mpa-1，平均值为

0.29Mpa-1，属中压缩性土。层底标高

131.37～137.06m，层底埋深

1.40～7.9m，层厚

1.0～6.5m，平均厚度

2.56m。第②5-2（Q4al+pl）：黄褐色，稍湿，稍密，成分以石英、长石为主，含云母碎片，见少量卵石，颗粒级配不良，分选性一般，砂质不纯，含有较多黏粒。主要以透镜体的形式分布于②3-1层底部，揭露层厚

0.7m，层底标高

130.67m，层底埋深

7.5m。4本区间仅钻孔F2JZ3-III17-JB-01有揭露。第②6-3层卵石（Q4al+pl）：分布于全场地，杂色，中密，局部稍密，稍湿～饱和，级配一般，粒径以2～10cm为主，最大粒径可达40cm，多呈亚圆形，磨圆度中等，分选性差，卵石成分主要为砂岩、石英岩、安山岩、玄武岩等，一般为微风化，少量为强风化～中风化，卵石含量约为50～60%，填隙物砂、砾砂为主，次为黏性土，局部夹有粉质黏土薄层。层底标高99.00～112.68m，层底埋深26.40～36.50m，层厚21.00～35.80m，平均厚度26.81m。超重型动力触探试验经杆长修正后平均值N120=10.7击。本次勘察调查了线路沿线基坑施工工地，发现基坑内最大漂石长约43cm。在基坑中采取②6-3

层漂石和卵石样分布进行岩石饱和抗压强度试验和卵石的点荷载试验。现场基坑深度约11m，经现场估算，坑内漂石（d≥20cm）含量约为8～10%。第③9-4层卵石（Q3al+pl）：分布于全场地，杂色，密实，饱和，级配一般，粒径以2～10cm为主，最大粒径可达40cm，多呈亚圆形，磨圆度中等，分选性差，卵石成分主要为砂岩、石英岩、安山岩、玄武岩等，一般为微风化，少量为强风化～中风化，卵石含量约为50～60%，填隙物砂、砾砂为主，次为黏性土，局部夹有粉质黏土薄层。揭露层底标高85.37～108.16m，揭露层底埋深32.00～53.00m，揭露层厚1.00～23.60m，平均揭露厚度10.11m。超重型动力触探试验经杆长修正后平均值N120=15.4击。3.3

水文地质、气象条件九都西路站～博物馆站区间地下水埋深在0～11.91m

之间，相应高程为128.54～133.91m，年变幅1～3m。场地地下水为孔隙潜水，主要赋存于②6-3和③9-4层的卵石层中，含水层的厚度大于50m。洛河水面工程蓄水期间线路水面高程约133.9m（2017年7～8月），河床标高约130～130.5m。洛河水面工程于1999年开始兴建，河底未做硬化处理，河底淤泥沉积时间短且较薄，不具有隔水性。洛河水面工程每年4～6月蓄水，7月初至9月底放水。蓄水期间洛河水位高于地下水位，洛河水补给地下水，枯水期地下水将补给洛河水。5拟建场地的地下水的补给方式主要是大气降水、河流侧补、灌溉回灌等方式。孔隙潜水排泄方式主要为侧向径流排泄、开采排泄和蒸发排泄等。洛阳市位于暖温带地带，气候具有春季多风、气候干旱，夏季炎热、雨水集中，秋季晴和，日照充足，冬季干冷、雨雪稀少的显著特点。全年四季分明，热量、降水量随时间分布具有显著的季节性特点。全年日照时数为2141.6小时，各地差异不大，四季分布为夏多冬少，春秋居中。4

设计概况4.1

主要设计技术标准区间结构采用预制管片拼装而成。预制管片衬砌参数：内径A5500mm、外径A6200mm，管片厚度350mm、环宽1.5m，由3块标准管片、2块邻接管片、1块封顶管片组成，均采用钢筋混凝土制作。衬砌环采用错缝拼装的拼装方式（联络通道中心里程处前后各一环管片采用通缝拼装）。4.2

线路纵断面及平面设计本区间设计范围为：九都西路站～博物馆站区间（左DK13+048.391～左DK15+065.200，右DK13+048.391～右DK15+065.200），左线长度2031.938（长链15.129m），右线长度2017.440m（长链0.631m），全长4049.378米。本区间左线共设置3组平面曲线，曲线半径分别为3000m、3000m、550m；右线共设置3组平面曲线，曲线半径分别为2000m、2000m、550m。线间距为12.0m～15.0m。线路纵坡设计为“V”字坡，最大纵向坡度为26.0‰，最小纵向坡度为2.0‰。线路纵断面图见图4-1。图

4-1博九盾构区间地质剖面图6二、总结背景1

工程特点砂卵石地层作为一种典型的力学不稳定层，其物理力学特性与一般黏性土、黄土、软土以及复合地层等存在较大差别。该地层主要特点为胶结较差、结构松散、自稳能力差、卵石颗粒点对点传力、单个卵石强度高、颗粒之间空隙大、渗透系数大、黏聚力小、内摩擦角大等，砂卵石地层采用盾构法施工为国内外工程界难题。2

工程难点砂卵石地层作为一种典型的力学不稳定层，其物理力学特性与一般黏性土、黄土、软土以及复合地层等存在较大差别。该地层主要特点为胶结较差、结构松散、自稳能力差、卵石颗粒点对点传力、单个卵石强度高、颗粒之间空隙大、渗透系数大、黏聚力小、内摩擦角大等，砂卵石地层采用盾构法施工为国内外工程界难题。结合目前国内已实施砂卵石地层盾构掘进案例，根据本工程砂卵石地层特性、区间边界条件以及泥水盾构施工特性，总结本工程泥水盾构在砂卵石地层掘进中存在的五大类问题。（一）大粒径卵石的滞排问题（二）大渗透系数卵石地层泥水盾构浆液逃逸问题（三）卵石地层长距离掘进盾构刀盘刀具配置及耐磨问题（四）长距离掘进设备及管路磨损问题（五）换刀问题3

工程重难点分析3.1

盾构穿越卵石层施工引起的滞排问题由于现场发现卵石粒径大于20cm的含量较大，且卵石磨圆度较高，碎石机在破碎时效率有限，一旦发生瞬时堵塞，可能会造成气垫仓内格栅处堆积大量卵石，卵石堆积后地层中砂会沉淀于卵石之间，越沉积越密实，最终会形成气垫仓底部除碎石机摆动范围外其他范围全部淤塞，造成严重滞排问题。7卵石在被刀盘切削后首先进入泥水仓，大粒径卵石在泥浆内无法悬浮，如果大粒径卵石同时进入泥浆门会导致泥浆门堵塞，卵石沉积在泥浆门处，导致泥浆门堵塞。渣土无法进入气垫仓，堆积过多也会导致刀盘被卡或刀具磨损。同时因采石箱不具备大小颗粒筛分功能，出浆管进入采石箱后过流断面增大，导致流速降低，泥浆携渣能力降低卵石沉淀，大粒径卵石先沉淀，沉淀后被冲至格栅口，堵塞大部分格栅口，小粒径卵石后沉淀因格栅口被大卵石堵塞，小卵石快速沉淀于大卵石后，导致采石箱很快被堵塞。针对性解决措施：（1）在碎石机前增加搅拌棒；对碎石机格栅进行恢复；上部采石箱更换为直管连通。（2）上部采石箱采用直管连通，下部采石箱更换为带搅拌功能的采石箱。（3）首先考虑提高碎石机的工作频率，再结合现场掘进效果适时考虑额外增加配置碎石机系统。（4）掘进过程开启小循环模式，进浆流量原则上不小于

1400m3/h，加大泥水仓内环流，泥仓内进浆管路开启不少于两路，应保证泥浆门处的畅通。（5）确保在掘进过程中泥浆门处的畅通，如发现泥浆门处堵塞或气垫仓滞排，应立即停止掘进进行疏通。泥浆门处堵塞初步判断：①如土仓顶部与气垫仓压力差小于

0.1bar。②刀盘内扭矩快速增加至

1000KNm。③进出浆流量差在

50-100m3时，气垫仓液位持续下降。（6）掘进过程中，如发现采石箱以及

P2.1泵有堵塞情况时，应立即采用锤击疏通，如长时间疏通不了，应立即清理采石箱或

p2.1泵。同时洞内应随时储备渣斗，用于清理采石箱。（7）控制泥浆参数，确保浆液的比重和粘度符合要求，注意与掘进情况相匹配。泥浆比重不低于

1.1t/m3，进浆粘度不得低于

25S。现场应随时存储不少于

100m3的黏土以及

50t的膨润土，以及

CMC若干，以防止浆液流失，保证能随时制浆。8（8）控制正常掘进参数，掘进速度控制在10mm/min，刀盘转速控制在0.8r，扭矩控制在1200KNm内。3.2卵石地层长距离掘进盾构刀盘刀具配置及耐磨问题博九区间穿越全断面的卵石层，卵石层粒径以2～10cm

为主，最大粒径可达40cm，多呈亚圆形，磨圆度中等，分选性差，卵石成分主要为砂岩、石英岩、安山岩、玄武岩等，一般为微风化，少量为强风化～中风化，卵石含量约为50～60%，填隙物以砂、砾砂为主，其次为粘性土，局部夹有粉质黏土薄层。超重型动力触探试验经杆长修正后平均值N120=11.4击。其中勘察中在古城路快速化施工基坑中发现大块漂石平均强度为180Mpa，最大为280Mpa。卵石地层内摩擦角大，孔隙率大，自稳性差，地层在受扰动后易发生坍塌，因此盾构在卵石地层时，不存在地层的切削问题，无论撕裂刀或滚刀均能轻易将地层剥离。对刀具的影响主要为，切削后掉落刀盘仓内的卵石对刀具的撞击和磨损。盾构穿越卵石层可能会产生滞排、刀具异常磨损、刀盘被卡等现象，因此盾构穿越卵石层是本工程的重点和难点。主要应对措施：（1）盾构施工前及时进行地质补勘，进一步探明卵石特性，基坑开挖过程中揭露卵石情况进行取样留存、实验分析，详细掌握卵石层的强度特性及粒径分布规律。（2）为防止在卵石地层掘进过程中刀盘刀具的异常损坏，保证掘进效率需对刀盘刀具进行针对性的设计，具体建议如下：①刀盘采用整体大圆环结构，刀盘大圆环采用两环耐磨合金块。②面板无刀位区域采用耐磨复合钢板全覆盖，防止刀具过度磨损时导致的刀盘磨损。③刮刀内置油压式磨损检测装置，可对面板磨损、刮刀磨损进行监测。④刀盘外周布置单刃撕裂刀防止因为过大的撞击造成的刀具异常损坏，刀盘中心区域布置可更换撕裂刀，在穿越风井期间根据掘进情况选择是否更换为滚刀，刀盘正9面滚刀和撕裂刀穿插布置增大刀盘开口率，保证刀盘前渣土的流动性能。⑤为防止刀盘在卵石层中被卡，盾构设计时应考虑适当增大刀盘的脱困扭矩至6MNM。（3）根据卵石强度针对性的提升碎石机的破碎压力，保证碎石机在遇到大块漂石时可将其破碎。（4）穿越卵石期间应同步开启碎石机，随时对出浆口进行疏通，防止堵塞出浆口，碎石机液压不低于280MPa。（5）加强泥水冲刷系统，特别是出浆口以及泥浆门处的冲刷以及内循环冲刷以减少掘进过程中的滞排现象。（6）增加采石箱系统，对进入管路内的卵石进行收集和过滤，防止卵石进入泥浆泵导致的卡泵现象。（7）掘进过程中应对泥浆管路进行定期排查和补焊，防止因卵石的磨损导致的频繁爆管和漏浆现象的发生。（8）对于卵石地层中可能存在的漂石采取下列措施进行处理：①区间施工前首先进行地质补勘，地质补勘计划在详勘基础上缩小勘探间距，进一步揭露大粒径卵石的分布。②必要时采取微动探测技术对区间大粒径卵石含量较高地段进行探测，准确摸清大粒径卵石位置。③对于粒径小于40cm的孤石，可通过刀盘开口进入泥水仓，进入泥水仓后采取人工打捞或破碎进行处理。④对粒径大于40cm的孤石时，对孤石周边风化土层进行袖阀管地面或洞内预加固，以提供盾构机破岩和人工破岩的条件。⑤压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采用岩石分裂机等设备。4

现场情况104.1

刀盘磨损情况边刮刀磨损情况：在其掘进期间边刮刀就已脱落六把，刀座已经严重磨损。剩余两把已经严重磨损，与刀盘外径磨损量一致。图

4-1

中铁

674#刀盘磨损前后对比图正面刮刀：刀盘边缘部位的正面刮刀磨损较大，其中一把掘进过程中脱落；图

4-2

正面刮刀磨损照片11图

4-3

中铁

674#边滚刀磨损照片焊接撕裂刀：刀盘边缘部位的正面刮刀磨损较大；保径刀：全部磨损至根部，已找不到具体焊接点；大圆环耐磨刀：第一道全部磨损失效，已找不到具体焊接点，第二道磨损严重，其中有一部分已经脱落；超挖刀：刀头及刀身已经磨损失效；图

4-4

正面刮刀、焊接撕裂刀、保径刀磨损照片12图

4-5

大圆环磨损照片刀盘磨损情况：刀盘正面中心部位磨损较小，各刀箱比较完整，中心部位有一路磨损检测正常，一路损坏；边缘部位磨损最为严重，磨损量最高达85mm左右，所有刀具及刀箱均有损坏；两路磨损检测均已失效；刀盘背面磨损主要为边缘部位与切口环相近的位置，磨损约40mm；主动搅拌棒脱焊弯折一根，另一根已脱焊；刀盘主要结构件如支腿、法兰等无异常。图

4-6

超挖刀磨损照片13图

4-7

刀盘磨损照片4.2

管路磨损情况图

4-8

一号拖车㊵号管路磨损照片14图

4-10

一号拖车⑨号管路底部磨破漏浆图

4-11

一号拖车采石箱上部三通出口管路磨破照片图

4-122#拖车管路磨损照片15图

4-13

六号拖车④号管管路磨穿照片4.3

部分泥浆管路刀闸阀磨损照片16图

4-14V61

刀闸阀磨损图

4-15V62

刀闸阀磨损图

4-16F3

仓壁板阀磨损图

4-18F3、F4

进浆板阀4.4

部分泥浆管路球阀磨损照片17图

4-18

气动球阀内部磨损照片4.5

部分泥浆泵配件磨损照片图

4-19

泥浆泵磨损照片图

4-20

前护板开裂照片184-21

管路磨损照片三、过程详述1

原因分析1.1

大粒径卵石泥水盾构滞排问题盾构始发后因地层中大于20cm卵石粒径含量高，掘进滞排问题频繁出现，且仓内滞排现象较为严重，平均10mm

的速度掘进700mm后仓内扭矩增大约700kN.M，土仓压力升高约0.2bar，根据刀盘被卡时，脱困过程中通过对气垫仓及土仓循环，仓内累积出渣量平均在15m³以上，说明积仓情况比想象的更为严重。同时滞排也是刀1、因刀盘底部设置两根主动搅拌棒，可对泥浆门进行主动疏通，气垫仓内仅有碎石机和冲刷，不具备搅拌功能。因此气垫仓内滞排频率相对较高，气垫仓内滞排后19导致土仓内滞排。2、气垫仓内滞排主要表现为在碎石机和格栅处有浆液流通通道，但大粒径卵石堆积沉淀后不能流动，会长时间堆积，并导致碎石机和泥浆门之间堆积甚至沉淀固结，将泥浆门大部分堵塞，剩余顶部浆液通道。因此在掘进过程中循环仍可以进行，但土仓内大粒径卵石存在滞排。图

1-1

前仓滞排示意图3、泥浆在通过气垫仓格栅后，粒径小于160mm卵石仍会进入排浆管道，进而进入p2.1泵，多个粒径超过100mm卵石同时进入p2.1泵后会导致p2.1泵叶轮被卡或泵出口被堵，需要拆解p2.1泵泵壳进行疏通，频繁的拆泵会严重影响掘进效率，严重会导致p2.1泵损坏，掘进停滞。图

1-22.1

泵滞排示意图4、因采石箱不具备大小颗粒筛分功能，出浆管进入采石箱后过流断面增大，导致流速降低，泥浆携渣能力降低卵石沉淀，大粒径卵石先沉淀，沉淀后被冲至格栅口，堵塞大部分格栅口，小粒径卵石后沉淀因格栅口被大卵石堵塞，小卵石快速沉淀于大卵石后，导致采石箱很快被堵塞。根据现场被堵塞采石箱打开后的情况，靠近格栅口处有四五块粒径在150mm左右卵石堆积，采石箱后半部均为粒径100mm以下卵石。20图

1-3采石箱滞排问题示意图图

1-4

滞排处理过程中的图片1.2

卵石地层泥水盾构浆液逃逸问题博九区间隧道穿越全断面②6-3

层卵石层，该地层自稳性差，在水动力条件和盾构掘进作用下，易产生流土现象，边坡易坍塌变形情况，②6-3

层卵石层渗透系数140m/d，属极强透水层，区间地面范围为地层依次为杂填土厚度约2.5m，黄土状粉质黏土约2m，以下全部为卵石层，洛河范围为地层依次为杂填土约2.5m，淤泥约2.6m，洛河北岸含部分黄土状粉质黏土厚度约3.2m，以下全部为卵石地层。因地层松散、渗透系数大，过河段覆土较浅，粗粒径砂卵石地层缺乏中间粒组，空隙率大，地下水丰富。1、掘进过程中出现多次因泥浆门处瞬时滞排导致的土仓压力升高，当土仓压力超过切口顶部覆土厚度对应的水头高度时，浆液会通过路面所打设的监测孔、或裂缝冒出，调整泥浆比重和黏度至1.2t/m³，黏度达到35s左右，仍存在冒浆现象。2、盾构正常掘进过程中突然出现浆液大量流失，但地面无冒浆现象，具体表现为：进出浆流量差最大为400m³，液位才能勉强维持，沉淀池和调整池液位急速下降，21停机后气垫仓液位仍以1cm/1s速度下降，液位补给速度跟不上下降速度。原因分析：1、此地层渗透系数大，孔隙率高，盾构掘进时泥浆成膜效果差，上覆地层松散，泥浆压力大于地面埋深所对应水头高度后会冒出地面。2、盾构掘进如果出现仓内瞬时滞排，会导致土仓压力升高，过大压力会导致泥浆击穿泥膜渗入地层。3、因地层内粘性颗粒含量不足1%，新制泥浆在循环和分离后比重和黏度损失过快，导致掘进一段距离后泥浆不能很好形成泥膜。1.3

盾构长距穿越砂卵石地层刀具磨损问题本工程博九区间全长

2031m，穿越全段面②6-3

卵石地层，②6-3

卵石地层为：杂色，中密，稍湿～饱和，级配一般，粒径以

2～10cm

为主，最大粒径可达

40cm，现场基坑开挖范围内发现最大粒径轴长为

70cm，多呈亚圆形，磨圆度中等，分选性差，卵石成分主要为砂岩、石英岩、安山岩、玄武岩等，一般为微风化，少量为强风化～中风化，卵石含量约为50～60%，填隙物砂、砾砂为主，次为粘性土，局部夹有粉质黏土薄层。超重型动力触探试验经杆长修正后平均值N120=11.4

击。卵石地层内摩擦角大，孔隙率大，自稳性差，地层在受扰动后易发生坍塌，因此盾构在卵石地层掘进时对刀具的主要影响为切削后掉落刀盘仓内的卵石对刀具的撞击和磨损。1.3.1两台盾构刀盘刀具磨损情况及刀具更换情况1）博九区间左线（中铁674#）已贯通，距离上次区间风井换刀，此盘刀具已掘进940环，刀盘刀具磨损严重。滚刀磨损情况：①刀具整体呈由中心向边缘磨损递增的趋势，边缘部位刀具磨损最为严重；②中心双刃滚刀：磨损量微小，与风井换刀期间磨损量一致；③正面滚刀：除28#29#磨损较大，其余均可作为备用刀具；④边滚刀：

40-1#、40-2#、39#、38#已经只剩下刀轴、其余的因偏磨严重，进而轴承损坏造成单面磨损至刀轴，刀具配件也已大部分损坏。2）博九区间右线（中铁

675#）掘进至

1231

环时，推力、刀盘扭矩异常，分析22判断边滚刀磨损严重需及时更换边滚刀。全程共更换

8

把边滚刀（33#、34#、36#、37#、38#、39#、40-1#、40-2#），刀圈焊接6块耐磨块。图

1-533#、34#刀磨损照片图

1-636#刀磨损照片图

1-737#、38#刀照片23图

1-8

刀具安装好后的照片1.4

长距离掘进设备及管路磨损问题因地层卵石粒径含量高，强度高，泥浆管路及泵等需长时间承受大量卵石带来的冲击和磨损，掘进过程中排浆泵及排浆管路的磨损严重。1.4.1

主要磨损的部件图

1-9

磨损管路示意图2

采取的措施2.1

针对仓内滞排采取的措施2.1.1

针对泥水仓及气垫仓滞排一、针对泥水仓底部（泥浆门处）滞排问题的解决措施1、刀盘增加限径为200*200，大块的漂石在刀盘处进行破碎；242、刀盘后设置主动搅拌棒

6

根，布置半径为，其中最外周搅拌棒距离泥水仓隔板距离为190mm，距离盾壳内径60mm，且最外周搅拌棒采用宽扁设计，可减小卵石对搅拌棒产生的冲击，降低搅拌棒掉落损坏风险。3、泥浆门上部设置两根冲刷管，冲刷管直径100mm，流量100m³/h，循环模式为p0.2泵小循环。图

2-1冲刷优化示意图二、针对气垫仓底部滞排问题的解决措施1、盾构机配置一台55kw

颚式破碎机，最大破碎粒径450mm，破碎机的破碎能力为≥200Mpa。以满足在掘进过程对大直径卵石进行破碎。同时破碎机设置两种模式破碎模式和搅拌模式，掘进过程中可同步启动搅拌模式对泥浆门进行疏通。2、破碎机前后设计有多道冲刷，包括：泥浆门前部冲刷、泥浆门后部冲刷、破碎机冲刷、格栅前部冲刷、格栅内部冲刷。图

2-2破碎机示意图三、针对p2.1泵卡泵问题的措施盾构机设计在p2.1泵前增加采石箱对进入排浆管内卵石进行进一步过滤。具体为在1号拖车上设计两个并联采石箱，通过内置格栅过滤轴长大于18cm的长条卵石，防止P2.1泵堵塞。25图

2-3双联采石箱示意图四、环流掘进采取的措施①采用大流量进行冲刷进浆流量900-1100m³，土仓四根管路F11、12（搅拌棒左右冲刷）F17、18（泥浆门左右冲刷）全部开启，气垫仓开启

F4\3(碎石机左右冲刷），F6

格栅后冲刷，F7泥浆门后冲刷。②启用小循环增压，掘进过程同步开启p0.1，p0.2泵，③加大中心冲刷和泥浆门后冲刷将0.1

泵改为主供f7冲刷管，另外从进浆管重新开口增加管路供F1流量约150m³。图

2-4环流示意图2.2.2

针对采石箱滞排洛阳地铁

2

号线博物馆站-九都西路站泥水盾构区间为全断面卵石地层，泥水盾构在全断面卵石地层掘进时采石箱滞排严重。先后进行普通并联式采石箱、串联式采26石箱、碎石机构式采石箱、新型格栅滚筒式采石箱、直通管道自落式旁通采石、拉杆式主动采石箱及笼式采石箱方案应用研究，并开展工业性试验，逐步总结方案并优化完善。经过多次实践检验，笼式采石箱效果最佳，基本能够保证环流系统通畅，采石箱堵塞次数明显减少，每掘进一环（1.5m）由最开始需要清理7～8

次采石箱到目前只需清理

1～2

次采石箱，且在管片拼装过程中即可清理完成，且笼式采石箱现场改造方便、时间短、成本低，大大提高了掘进效率。对于后续的泥水盾构在全断面卵石地层中施工具有借鉴意义。图

2-5采石箱示意图2.2

浆液逃逸采取的措施盾构区间穿越全断面卵石层，卵石层主要有砂卵石组成，黏土含量极少，孔隙率大，胶结度差，含水量丰富。为解决泥浆逃逸能否形成泥膜是盾构掘进的关键，为保证泥膜的建立可从以下方面进行优化：1、泥浆性能比重：1.15-1.2g/cm³，比重的大小是有效泥膜形成的关键，特别是在孔隙率较大的地层。黏度：30s，黏度大小决定泥膜的形成能力、护壁能力、携渣能力。27含砂率：≤4%，泥浆中含砂率越大，有效比重越小，过大的含砂率直接影响泥膜的形成以及泥浆的携渣能力。失水量：≤20ml，失水量大会导致地层超静孔隙水压力变大，泥浆有效压力减小，不利于掌子面稳定。2、泥浆配比因黏土不仅能显著提高浆液比重，且对泥浆成分颗粒级配的改善也有显著作用，同时黏土价格相对膨润土要低，因此配比中黏土含量应大于膨润土含量，配比为

3：2。根据泥浆比重在1.15-1.2g/cm³，初步配比为：清水：黏土：膨润土：cmc-lv：ctsh-1=800：120：80：2：23、掘进过程中做好泥浆的控制，泥浆比重不低于1.12t/m³，黏度不低于20s。泥浆固相颗粒的添加以黏土为主，同时配以一定比例的高分子材料。4、掘进过程中严格控制土仓压力波动，土仓压力波动不超过

0.2bar，防止因压力的陡升陡降造成掌子面超孔隙静水压力的升高和破坏造成的掌子面失稳。5、优化管内格栅，减少直管格栅处滞排次数，直管格栅处的瞬时滞排会导致排浆流量急剧降低，进而导致土仓压力急剧升高，在直管格栅处滞排后应立即切换旁通模式切断进入土仓和气仓的进浆，防止压力突然升高。6、盾构掘进期间做好出土量的监控，并及时对比掘进油缸行程分析。7、如遇砂包掘进过程应加大土仓底部冲刷，减少上部冲刷，防止砂子在土仓底部沉积，可适当提高0.2转刀盘转速，在环流畅通情况下适当提高掘进速度，快速穿越。2.3

刀具更换本区间掘进距离较长，左线长2031m，右线长度2017m，且区间穿越地层为全断面卵石地层，在掘进过程中，刀盘刀具与卵石发生碰撞，尤其是破碎大粒径卵石时，对刀具的损伤较大。本区间在掘进过程中，进行了3

次换刀。左右线掘进600m，在风井内常压检查28刀具磨损情况，成功更换刀具；第二次是左线穿越洛河后掘进至946m到达洛河北岸公园后，计划对左线刀具进行检修更换，拟定加固措施为采用地面袖阀管注浆加固的方式加固地层，到达后因加固效果无法满足进仓条件，左线未检修刀具继续掘进，致使左线盾构机出洞后刀具磨损严重，部分滚刀只剩下刀轴；第三次换刀为右线盾构机掘进到1232

环时出现盾构机推力增加，扭矩增大，速度下降至

4-5mm/min，根据左线刀盘出洞时刀具磨损情况初步判断右线刀盘磨损严重，导致无法掘进，在采用地面袖阀管注浆、洞内注入衡盾泥后仍无法保证掌子面密封性，无法带压进仓，最终采用人孔常压换刀法换刀成功。换刀安排第一次位置掘进里程600m辅助工法带/常压情况常压换刀情况换刀成功区间风井风井回填塑性混凝土第二次第三次洛河北岸公园946m袖阀管注浆加固人孔换刀法带压常压换刀失败换刀成功广东中悦门业店1256m2.3.1

区间风井主动换刀在左右线掘进到风井内部，第一次主动对刀具进行全面检修及更换。在风井底板浇筑

10m

的素混凝土，然后在素混凝土上灌入大量水以平衡盾构机进入风井时的压力。在进入风井工程中，盾构机低速缓慢推进，同时分次缓慢降低气垫仓压力，提高同步注浆质量及数量，防止地下水进入风井。盾构机进入风井后，开始二次注浆封堵洞门，加快浆液初凝时间，同时风井内部抽出灌入的用来平衡土压的地下水。二次注浆封堵洞门的同时，逐渐降低气垫仓压力，检验二次注浆止水、封闭洞门的效果，同时为常压进仓换刀做准备。等洞门封闭完成，气垫仓压力降为0且风井内部水抽干时，开始常压进仓检测及更换刀具。刀具更换完成后，盾构机出风井，及时二次注浆封堵洞门。盾构机掘进600m

到达风井内部时，刀具的磨损情况为：滚刀磨损情况基本较小，大部分在5mm以内，部分刀毂出现刮痕，2把边刮刀磨损情况合金块出现蹦齿现象，刀具磨损状况整体良好，同时为确保一次性下穿洛河，在风井处将刀具全部进行更换，并对出现磨损的刀毂和边刮刀合金块，更换为更为耐磨的高强度合金材料。但因穿越洛河大粒径卵石含量增加，刀具磨损情况也会相应增加，尤其是大粒径卵石对刀具撞29击导致的刀具刀盘异常损坏无法评估。因此在穿越洛河后对刀具进行第二次检修和更换以确保刀具安全。准备在洛河北岸公园对刀盘刀具进行第二次检测及更换。图

2-6

风井内更换的轻微磨损的刀具在风井内更换刀具，作业条件良好，安全性高，不需要考虑地层以及地下水文情况，后续类似工况施工中，需考虑在穿河两段增设区间风井以方便检修刀具。2.3.2

左线洛河北岸公园主动换刀根据在风井内对刀盘刀具磨损情况的检测，在盾构机穿越洛河后需要第二次对刀具进行检测以及更换。在左线尚未穿越洛河时，采用袖阀管注浆的工法加固地层。此次袖阀管注浆采用200mm的袖阀管，采用600*600mm梅花形布置，从地面以下8m到刀盘下方2m为注浆加固的范围，采用套壳料配置比例为水：水泥：膨润土=2:1:1,双液浆比例为水泥：水玻璃=1:1。袖阀管注浆指的是被注浆泵加压处理之后的浆液经由连接管、注浆枪头进入到注浆管内。在注浆压力的作用下，注浆枪头两端橡胶皮头膨胀挤压袖阀管，从而使注浆枪头与枪头范围内的袖阀管形成密闭管段。浆液出口位于注浆枪头的中部，不断加注的浆液会逐渐汇聚到袖阀管注浆管段，压力值的不断增高会使袖阀管的承受能力不断被激发出来。当其承受的压力超过了袖阀管预留注浆孔保护皮套的承载压力值时，浆液会从袖阀管预留孔流出，不断加压的浆液顺着地层结构不断流动进而填充地层的缝隙，加固施工现场的地层结构以及封堵地下水。在刀盘30掘进至指定位置前，袖阀管加固工法加固地层完成。待刀盘掘进至指定位置后，缓慢多次降低气垫仓压力，开仓后发现掌子面不稳固，进仓条件不满足，未完成换刀。左线换刀失败后，恢复掘进。搭设施工平台测放孔位钻进成孔至设计深度注入套壳待凝钻机就位，校正方位和倾角下入芯管，开环注浆制备注浆液自下而上进行，分段间歇注浆配制搅拌套壳料制作袖阀管全孔段注浆完成，冲洗袖阀管下袖阀管安装止浆环，注入固管止浆材料保护好袖阀管，必要时进行后备注浆配制搅拌固管止浆料袖阀管注浆加固地层原理是经注浆泵加压处理之后的浆液进入注浆管内，当其承受的压力过大，浆液会从袖阀管预留孔流出，高压浆液劈裂或者渗透地层，进而加固施工现场的地下结构以及封堵地下水。袖阀管注浆加固地层效果不良原因分析：1.区间隧道为全断面卵石层，经由袖阀管进入地层的高压浆液只能在卵石与卵石接缝处渗透，而地层较为密实，高压浆液只能渗透很短的距离，存在于卵石之间的间隙中的浆液不能稳定地层，加固后地层整体性较差。当盾构机进入指定位置，降低气垫仓压力后，从而引起掌子面失稳，达不到进仓的条件。2.停机更换刀具位置距离洛河较近，地下水很大，注浆用的浆液进入地层后初凝时间很长，甚至在地下水的影响下，填充地层缝隙的微小颗粒被冲散，不能起到加固地层的效果。袖阀管注浆工艺的优点：1.能有效的按照注浆工程的设计要求，确定注浆位置与范围

2.不易产生注浆盲区跟薄