富水砂卵石地层中盾构施工的控制难点及措施

富水砂卵石地层中盾构施工的控制难点及措施

段浩

引言：随着中国经济的快速增长、城市人口数量迅速膨胀，机动车辆的数量呈级数比例增长，原有的市政道路难以满足交通的需要，为缓解城市交通压力、创造良好的生活和投资环境，国内各主要城市均选择修建地铁工程来提升城市形象和投资环境。隧道是地铁工程最主要的组成部分，隧道盾构法施工具有施工速度快、工期短、洞体工程质量易控制、质量比较稳定且良好的防渗水性能、施工安全系数高、对周边建筑物影响极小、基本不影响地面交通、适合地层范围广、地质情况复杂的施工作业环境等优点。随着我国各大城市地铁建设热情的高涨，隧道盾构施工方法必将在地铁建设中被广泛推广应用。盾构施工虽然有对地层的广泛适应性、施工安全系数高等优点，但因地质情况千变万化、施工环境的复杂性，在盾构施工中必然存在盾构机的适应性和施工方法、措施的调整。成都地铁穿越的地层主要为砂卵石地层并夹杂有粉细砂层透镜体，地下水丰富、水位高、补给迅速，国内、国际在该种地质条件下全面实施盾构施工隧道尚不多见，无较多经验可以借鉴，在地铁建设史上的应是一次重要技术性突破。截至目前成都地铁采用泥水盾构和土压平衡盾构施作的隧道，已经完成成型隧道1000余米，在施工中出现一些有别于其它地质情况下施工的难点，对这些难点的技术处理为在富水砂卵石地层中盾构施工积累了一些应对的经验。

成都地铁地质情况描述：

盾构隧道从<2-8>、< 3-4>、<3-7〉等砂卵石地层中通过。卵石成分主要为灰岩、砂岩、石英岩，卵石的含量达67％，中间夹杂大漂石。砂卵石具有分选性差，强度高的特点。

<2-8>卵石土（Q4al）：黄灰色，黄褐色，中密～密实为主，部分密实，潮湿～饱和。卵石成分主要为中等风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量65～75%，粒径以30～70mm为主，钻探揭示最大粒径145mm，夹零星漂石，充填物为细砂及圆砾。

<3-4>粉、细砂（Q3fgl+al）：灰绿色，饱和，中密，夹少量卵石。呈透镜体状分布。

<3-7>卵石土（Q3fgl+al）：褐黄、黄色，以中密～密实为主，饱和。卵石成分主要为中等风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量60～75%，粒径以30～70mm为主，据钻探揭示，最大粒径150mm，夹零星漂石，充填物为砂及砾石，具弱泥质胶结或微钙质胶结。

隧道通过的地层含水丰富，根据钻孔揭示，隧道区间分布的卵石土及所夹透镜状砂层为地下水主要含水层，含水量丰富，含水层厚20～22.6m，区间范围内卵石土分选性差，渗透性强。

图一、盾构刀盘前掌子面地层情况图二、基坑开挖时土体状况

富水砂卵石地层中盾构施工的难点：

通过成都地铁前一阶段盾构掘进施工的情况来看，泥水盾构和土压平衡盾构机在砂卵地层如场地条件许可均可采用。

泥水、土压平衡两种类型的盾构机在成都地质情况下施工的共同难点：（1）在掘进过程中砂卵石地层对刀盘、刀具、渣土输送系统等部位磨损严重，造成换刀频率较高约150米需换刀一次，渣土输送系统需得到及时的修复；（2）地下水位高、掌子面不稳定，清仓比较困难，换刀时停机处易出现坍塌现象；（3）须在降水条件下换刀，在建线路的位置换刀地点难以选择；（4）因地层局部为砂卵石土夹砂透镜体，土压平衡盾构在通过时刀盘前极易出现固结泥饼现象，开仓处理时易引起地面安全风险；（5）地面沉降槽虽较窄，但沉降量和沉降速率难以控制。下面就土压平衡盾构在该地层中施工中出现问题及采取的措施和思路作简单介绍，以希望为类似地层施工提供借鉴。

砂卵石地层施工防止螺旋输送机卡死和固结泥饼的措施：

盾构机制约卵石排出有两个主要的约束条件：（1）刀盘的开口尺寸；

（2）螺旋输送机通过的最大卵石粒径的能力。其中基本的约束条件是螺旋输送机的通过能力，刀盘的开口尺寸受螺旋输送机能通过能力制约。为确保卵石不堵塞或卡死螺旋输送机，在条件许可的情况下尽可能选择具有较大轮廓直径、牙高值和螺距的螺旋输送机，使其具有通过的较大直径卵石的能力；同时刀盘的开口尺寸要小于螺旋输送机能通过的最大卵石的尺寸，确保进入土仓中的渣土能够顺利排出而不至于堵塞螺旋输送机。

为使盾构能够在砂卵石地层顺利掘进，应选用具有破碎大粒径卵石能力的盾构机。为能够破碎卵石刀盘需要配备滚刀以满足破碎卵石的功能，使大卵石的破碎成为可能。在砂卵石地层中硬岩滚刀的刃轨迹间距宜参照螺旋输送机能通过的最大粒径设定，如本次使用的盾构机的螺旋输送机可通过最大卵石粒径为240mm，则刀刃轨迹间距控制在200mm的范围内。

盾构刀盘面板和刀具布置未使用的螺旋输送机耐磨块情况

针对成都地层水压高和水量大的特点，为防止喷涌和水压击穿盾尾密封，在盾构机的结构上采取以下应对措施：⑴提高盾构机防水密封性：a、盾尾密封选用三排钢丝止水密封刷，其间充注密封脂；b、铰接密

封采用唇形橡胶密封；c、主轴承外密封采用三重唇形橡胶密封，其间充注常消耗式润滑脂，为提高可靠性同时采用HBW密封脂。

⑵采用具有防喷涌功能的可控两级螺旋输送机出渣系统，并

结合适当的渣土改良。

图三、渣土情况图四、破碎的大粒径卵石

砂卵石对设备的磨损及换刀时机的选择及其措施：

成都的砂卵石地层具有流动性差、磨琢性大的特点，使盾构机的刀盘、刀具和渣土输运系统产生严重的磨损现象。这样就为如何提高刀盘面板、刀具和螺旋输送机系统（泥水盾构须考虑管道系统）的耐磨性，以减少换刀次数从而降低施工成本和因换刀带来的安全风险，是施工单位考虑的关键问题。

土压平衡盾构机的刀盘面板、刀具和螺旋输送系统配置及有关参数：（1）刀盘为面板形结构，焊有Hards400耐磨钢板，开挖直径￠6.28m，开口率25%，刀盘开口能通过的卵砾石粒径240mm。

（2）刀具配置：32把单刃滚刀、4把双刃中心刀、28把正面铲刀、8把边部刮刀。

（3）螺旋输送机旋叶顶部焊有厚度为40mm的Hards400耐磨钢板。