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。

在砂卵石地层中施工以上配置主要有以下考虑：螺旋输送机排渣的能力限制刀盘开口尺寸大小；为适应砂卵石磨琢性大的特性使刀盘具有较高的耐磨性；为破碎硬的卵石、破坏卵石胶结和保护软土刀具配置滚刀；为增加刀具的刚性和耐磨性，防止硬的卵石破坏刀具同时提高刀具的耐磨性选配大铲刀及刮刀；刀盘的型式及开口率是防止掌子面坍塌的需要。

在得到以上较充分考虑的情况下，砂卵石对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨削量仍非常大。土压平衡盾构在掘进150米时，刀具的磨损情况统计如下：（表一）刀具磨损情况统计

泥水盾构掘进240米时，刀盘面板、刀具的磨损情况为：所有刀具严重磨损，滚刀绝大部分严重偏磨损坏、部分滚刀刀圈脱落刀体损坏完全报废；刀盘分别在两个部位有宽180mm、深24mm和宽320mm、深50mm的圆环沟槽形磨损。

螺旋输送机旋叶焊接的耐磨块在推进400米后的检查中发现局部完全磨损。

刀具布置及磨损情况150米刀具的磨损

150米刀具的磨损400米螺旋输送机耐磨块的磨损

根据刀具磨损的情况分析，在刀具耐磨性确定的条件下每次换刀掘进距离的选择非常重要。使用的盾构刀具在刀体完整不损害的情况下可以通过更换刀圈、焊补耐磨材料等修复重复利用，如刀体损坏刀具将失去修复价值，而修复费用仅为新刀具价格的1/10。通过数据分析，在盾构掘进施工中每次换刀间距应控制在100-150m之间，能有效减少刀体的损坏；如安排的换刀间距过大将可能造成刀盘磨损产生灾难性事故。虽然在成都砂卵石地层中换刀频率的增加使安全风险明显增加，但可以显著降低施工机具费用的成本和增加设备使用的安全及耐久性。施工单位技术人员在施工中应注意收集整理始发段的有关掘进数据并结合开仓检查刀具的磨损情况。通过数据和观察得出的信息预测换刀时间和地点，并应根据掘进参数设定在何情况下检查或更换刀具。

成都地铁通过的地层具有稳定性差、透气性大、地下水丰富、水位高、水压大等特点。砂卵石地层中可选择地面加固的措施效果不明显或难以实施，在换刀时如采取有压换刀、地面注浆加固地层将增

加换刀的安全风险，采取旋喷桩或挖孔桩加固掌子面可能存在时间、环境上的不便。成都砂卵石地层在降水条件下稳定性较好，可以均衡安全风险和施工成本，换刀时应首先考虑在降水条件下开仓换刀。

一般地铁线路均位于城市的主要交通干道和繁华地段降水井的位置难以选择，因此应根据现场情况确定降水井施作的地点，以距上次换刀位置距离不大于150米为原则。降水井深度应超过隧道底部5-7m，位置在选定的换刀点横向轴线附近且距隧道边沿1-2m为宜，有效降水时间宜在15天以上并应根据气候对地下水的影响调整抽水流量和有效降水时间。

如需在带压条件下开仓，加气前为防止砂卵石地层透气性大，难以保压可以在清仓之前向土仓中注入澎润土、黄泥、泡沬济或聚合物同时转动刀盘先行对渣土进行改良，然后再向土仓中加气以实现在掌子面上形成渗透性泥膜来保住压力的目标。

减少换刀频率，增加刀具耐久性可以从三个方面采取应对措施：（1）盾构机渣土改良功能的选择；（2）增强相关部件和配件的耐磨性；（3）掘进参数的调整；（4）调整刀具的配置。

盾构机功能的选择：选用具有加泥、加注泡沬、加注聚合物系统的能实施多种碴土改良工艺盾构设备，根据实际需要随时调整碴土改良方式。渣土改良以减小摩擦和增强渣土流动性为目的，通过适宜的渣土改良方式实现改善碴土的流动性，降低碴土磨琢性的目标。

增强相关部件和配件的耐磨性：主要是提高刀盘面板、刀具、螺旋输送机系统设备的耐磨性。通过在刀盘面板上加焊具有高耐磨性

能的耐磨块、耐磨条、耐磨网格提高刀盘的耐磨性；通过选用镶嵌有耐磨合金块的软土刀具、选用硬度较高的滚刀来提高刀具的耐磨性；通过在螺旋输送机的旋叶上加焊具有较高耐磨性能的材料提高螺旋输送机的耐磨性。

调整掘进参数：主要是调整土仓压力平衡参数。即使仅考虑盾构机土仓压力与水压力平衡，则刀盘中心附近的土仓压力也将达到0.13MPa左右，尽管对刀盘、刀具等增加耐磨保护措施，在压力和含量达80%左右的卵石土中掘进亦难以控制刀具、刀盘、土仓壁与螺旋输送机的超量磨损。为降低推进阻力减少刀具的磨损，可调整土仓压力实施适当的欠压推进。欠压推进可有效减少刀具的磨损率、设备能耗，同时亦可提高掘进速度和减少刀盘固结泥饼出现的因素、降低渣土改良的成本。

根据对刀具磨损数据的分析和在盾构掘进过程中开仓对刀具运行情况的观察，同等条件下单刃滚刀的磨损量比双刃滚刀的磨损量要大且偏磨和损坏刀体的情况几乎均出现在单刃滚刀上，双刃滚刀均为正常磨损。单刃滚刀出现偏磨后影响到其轨迹面上其他形式刀具出现较大的磨损量甚至报废。可以得出通过调整刀具的配置增加双刃滚刀的用量，可以有效减小刀具的磨损、减少换刀次数和降低施工成本。开仓或出渣量失衡后地面沉降的控制：

成都的砂卵石地层未经过扰动时是致密的，在降水条件下具有较强的自稳性，但经过盾构推进作业对地层的扰动其稳定性很差，土体迅速松散、下落难以成拱，造成地面沉降量较大。根据前一阶段开仓数次的盾构开仓的情况反映每次清仓后刀盘前的掌子面都将迅速坍塌引起地面塌陷；同时地层中夹杂粉细砂透镜体，盾构在通过该结构地层时推力和扭矩迅速增大、推进速度急剧减小一般在5mm/min以下、

刀盘上固结泥饼，出渣量难以控制形成地面坍塌。典型断面的地表沉降槽曲线

2盾构推进过程中的时程曲线

盾构开仓后恢复推进引起的地面塌陷开仓后掌子面坍塌情况

盾构建设线路主要在城市的市政道路下面，地面交通繁忙、地下有供水、污水、煤气、电信等各种管线，部分区段线路须下穿建筑物。地面的坍塌或较大沉降将会造成地面交通事故或各种管线的爆裂、建筑

物受损或坍塌等安全事故，有些事故的后果将可能是灾难性的。为确保施工安全和地面安全并减少社会影响，必须采取有效措施控制地面沉降和坍塌。

控制地面沉降和地表塌陷的措施应从洞内施工过程参数控制和地表处理等两个方面考虑。

（2）据试验段的施工经验在未扰动时采取地面注浆根据地层的致密程度一般会出现两种情况：一是致密且水位较低时难以注入；二是松散、水量较大时浆液流失难以固结土体。在盾构通过后利用砂卵石地层上部覆盖的5-6米的粘土层沉降的滞后效应，采取地面跟踪灌砂注浆的方法来控制地表沉降或塌陷。

为防止开仓引起的地表坍塌可采取如下措施:确定开仓位置后在刀盘前后的隧道轴线上施作适量的钻孔，孔的深度以达到盾体上部0.5m 为宜；在清仓过程中并随清仓进度封闭刀盘开口尽可能不转动刀盘；检查刀盘前的掌子面情况如有空洞应立即通过钻孔灌砂；恢复推进后严格控制出渣量，通过计算如掘进进尺与出渣量不平衡立即通过钻孔灌砂以减少和延缓地面沉降；待盾构盾尾通过后及时补充灌砂并进行压力注浆。

通过建筑物或重要管线时可采取的措施：提前做好盾构机及其配套设备的

检查使盾构机在通过建筑物或管线时的处于良好的正常工作状态；按照试验段

得出的掘进参数实施控制，严格控制出渣量和掘进速度、同步注浆量和及时性；按照先期制定的方案在地面施作注浆孔，注浆孔的间距布置以不超过3-5米为宜；在盾尾通过注浆管位置时立即进行灌砂并有压注浆；做好信息传递工作，做到信息化施工，根据监测数据调整盾构掘进参数和地面注浆量及时间。

通过地面及时注浆措施的沉降曲线

盾构通过建筑物时注浆孔的布设