浅析大直径土压平衡盾构机掘进不良地质时 温度控制及喷涌防治

浅析大直径土压平衡盾构机掘进不良地质时温度控制及喷涌防治

发表时间：2019-05-05T14:50:14.900Z 来源：《基层建设》2019年第4期作者：王建平

[导读] 摘要：盾构法隧道施工过程中，地质条件变化多端，当不良地质出现时，对隧道掘进施工的安全、质量、进度会造成较大影响。温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司浙江温州 325000

摘要：盾构法隧道施工过程中，地质条件变化多端，当不良地质出现时，对隧道掘进施工的安全、质量、进度会造成较大影响。本文以广东省穗莞深城际铁路大直径盾构隧道为背景，针对在不良地质掘进施工过程中遇到的掘进困难，尤其是掘进温度过高及喷涌问题进行了分析，并提出相应的处理措施，以供类似盾构隧道施工进行参考。

关键词：城际铁路；盾构隧道；掘进；温度控制；喷涌防治

1 前言

本文以广东省穗莞深城际轨道交通大直径土压平衡盾构机通过上软下硬地质及含粘土较高的软土层时盾构机主驱动电机温度过高及喷涌情况为例，总结了掘进过程中温度过高及喷涌的原因及后续的处理方法，虽有一定的局限性，但为后续的盾构施工提供一些帮助。

2 工程及盾构机简介

穗莞深城际轨道交通盾构隧道区间段由大里程至小里程方向掘进，采用两台Φ8810mm土压平衡盾构机施工，左线长2893.084m，右线长2894.2m，管片外径8500mm，内径7700mm，环宽1600mm。盾构机刀盘掘削直径为8860mm，刀盘配有软土刮刀及硬岩滚刀安装刀箱，可根据地质情况的变化进行更换，土仓最大压力1.0Mpa，刀盘转速0.63～1.85r/min，刀盘扭矩8855～15267KN•m，刀盘驱动采用13台132KW 电机驱动，最大推进力75000KN，总装机功率2360KW；区间地质主要为花岗岩全风化层，部分地质为花岗岩强风化层、花岗岩中风化层、粉质黏土层。

3 隧道掘进温度过高及喷涌的危害

土压平衡盾构机在掘进过程中，若掘进温度持续较高，刀盘与主驱动之间的密封圈容易因高温融化润滑油而导致密封破损，致使土仓中的泥砂等侵入刀盘密封圈，情况严重的话土仓内过高的温度会缩短刀盘主轴承的寿命，加速主轴承的损坏，严重影响施工安全、进度；且盾构机大部分机械设备高温作业，缩短其使用寿命；在隧道内的施工作业人员亦因高温而容易损害健康。

而掘进过程中的喷涌问题也会产生较为严重和直接的后果：（1）喷涌的发生导致土仓内压力变化较大，造成对土体的扰动而最终影响地面沉隆；（2）大量喷涌的淤泥掉落在隧道内对管片拼装造成极大困难，每环管片需将喷涌淤泥全部清理干净后方能进行拼装，保证管片拼装质量；（3）喷涌淤泥含有土仓内大量废气与水分，对盾构机设备防锈及施工人员健康造成一定的影响。

4 盾构机在不良地质掘进时温度过高及喷涌原因分析

4.1盾构机在不良地质掘进时温度过高原因分析

Φ8810mm土压平衡盾构机在上部为花岗岩全风化层，下部为花岗岩强风化、中风化层的地质中掘进时，刀盘整体受力情况不均，刀盘下部明显扭矩更大，而刀盘整体进尺速度不一，导致整体掘进速度较慢，为保护刀盘不发生形变而必须增大刀盘扭矩，增大进尺小的区域的千斤顶的压力，刀盘主驱动电机在固定扭矩的情况下单位时间发热量是固定的，随着掘进时间的增加导致发热量大大增加。

Φ8810mm土压平衡盾构机在黏土占比较高的地质中掘进时，土仓中的渣土粘性较高，容易附着在刀盘上，尤其是刀盘开口处与中心刀位置，刀盘和开挖面土体之间产生很多的摩擦力，相互摩擦产生大量的热量，刀盘温度不断升高，使刀盘和土仓内的土体不断地被烧结固化，极易使刀盘结“泥饼”，盾构机就像在和面粉一样，造成“死机”。

在土压平衡盾构机日常掘进过程中，盾构机掘进参数设置不当也会对盾构机掘进姿态、整体掘进时间造成较大的影响。如土仓压力设置过大、总推力较大时，为维持稳定的掘进进尺，需增大主驱动电机的使用功率，增大刀盘扭矩；如盾构机周身下部土体摩擦系数较小，致使盾构机在掘进时，回转角变化较快，为避免超过回转角限定范围，需频繁反复地正转反转刀盘。

4.2盾构机喷涌原因分析

广东省属于东亚季风区，从北向南分别为中亚热带、南亚热带和热带气候，是中国光、热和水资源最丰富的地区之一。穗莞深城际铁路所在区域降水充沛，年平均降水量在1300至2500毫米之间，隧道所在区域地面河流湖泊星罗棋布，地下水资源亦非常丰富，分为孔隙潜水和基岩裂隙水，在隧道掘进施工中，线路经过地下水丰富区域较为频繁，因此喷涌情况时有发生。

5 温度过高及喷涌的处理措施

5.1温度过高时的处理措施

（1）适当增加泡沫剂的浓度、注入量及发泡率

这样可使掌子面的土体略为容易地被刀具切削，并降低渣土在土仓中的摩擦系数，减少

渣土摩擦产生的热量。

（2）增加膨润土溶液的使用量

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，在隧道掘进温度过高时，可选用蒙脱

石含量更高的钠基膨润土，通过增加膨润土溶液使用量，配合泡沫溶液，对土仓内的渣土进行改良起到非常积极有效的作用。（3）使用分解剂缓解结泥饼的情况

盾构机刀盘泥饼形成后，刀盘扭矩和盾构机掘进推力迅速增大，刀盘开口被封死，掌子

面切削下来的渣土无法正常进入土仓，螺旋输送机亦无法正常工作，盾构机在不断搅拌刀盘与掌子面之间的渣土，而致使盾构机进尺缓慢。通过使用分解剂，将主要敷盖在刀盘中心刀、刀盘开口处的渣土有效打散，剥落掉入土仓内并及时使用螺旋输送机排出，可恢复在软土地质中刮刀的作用，迅速有效地切削掌子面，最终恢复盾构机整体掘进进尺。

（4）掘进参数调整

土压平衡的建立主要考虑主动土压力P1、水压力P2以及一定的预备压力P3。

主动土压力P1=Ph×tan²（45°－θ/2）－2ctan（45°－θ/2）。其中：Ph-深度h处的地层自重应力；c-土的粘聚力；θ-地层的内摩擦角。水压力P2=q×λh，其中：q-渗透系数；λ-水的容重；h-地下水位的高度。

预备压力P3：考虑10～20 kPa的预备压力作为调整值来修正施工土压力。