全斷面富水砂層盾構施工卡控要點

摘 要：文章以西安地鐵四號線鳳-鳳盾構區間為例，總結了全斷面砂層盾構掘進時盾構選型、刀具設計的要點、渣土改良及掘進參數的選擇以及地層沉降規律及應對措施，希望對今后類似地層盾構施工起到一定的指導作用。

關鍵詞：盾構；全斷面；富水砂層；盾構機選型；控制沉降

1 全斷面砂層在西安的分布

西安市位于渭河沖積平原-關中平原的中部，其內沉積了巨厚的第四系地層，主要為第四系全新統（Q4）、上更新統（Q3）和中更新統（Q2）地層，以湖積、洪積、沖積、沖洪積、風積為主，巖性多為砂層、卵石、砂礫石層、粉質粘土、粉土及黃土。

西安地鐵盾構施工主要穿越老黃土、古土壤及粉質粘土層，在地鐵二號線北段、南段、一號線西段和東段以及三號線西段分別穿越密實度較大的全斷面砂層和砂卵石等地層。

2 全斷面砂層主要施工風險

由于砂層的不穩定性和密度的不均勻性，施工中易發生地面坍塌和盾構跑偏等現象。砂性土滲透性好，在盾構機推進擠壓下水分很快排出，土體強度提高，故不僅盾構機推進摩擦阻力大，而且開挖面土壓力也較大，常會導致盾構機刀盤扭矩和總推力不足。另外由于本標段砂層標貫值較高，盾構機在中、粗砂地層中掘進時，對刀盤、刀具的磨損較大。砂土中土倉建壓、出土控制較困難，易形成坍方，造成地面沉降。

3 鳳-鳳區間工程簡介

鳳-鳳區間沿明光路下方布設，出鳳城九路站后，首先以R=2000m的曲線向東偏轉至明光路下方，沿線路前行，再以R=2000m的曲線向西偏轉，進入鳳城十二路站。區間縱斷面先以14‰的坡下至鳳城十一路，再以23‰的坡向上至鳳城十二路，最后以2‰的坡向下到達鳳城十二路站。

鳳-鳳區間地層為：地表分布有厚薄不均的全新統1-2人工填土（Q4ml）及2-1黃狀土（Q4al），下為（Q4al）2-2粉質黏土、2-3粉土、2-4粉細沙、2-5中砂、2-7砂礫等，隧道主要穿越2-4粉細砂、2-5中砂地層，局部有圓礫或礫砂，平均標貫值39～56，密實。場地內地下潛水位埋深9.80～10.50m之間，水位年變幅1～2m左右；區間隧道主要埋深10.20m～15.22m。

4 全斷面砂層中盾構機選型的要點

4.1 盾構機選型的一般原則

盾構機的選型應結合工程地質、水文條件，綜合考慮地面場地情況及沉降要求等因素。一般認為當地層滲透系數大于10-4m/s時，應選用泥水平衡盾構機，當滲透系數小于10-7m/s時，應選用土壓平衡盾構機，當介于這兩者間時，當采用可靠的渣土改良措施，二者皆可選用。按渣土粒徑選擇時，一般粒徑較大的礫石地層宜優先選用泥水盾構，當渣土顆料較小并且均勻時，優先選用土壓平衡盾構，當介于兩者之間時，皆可選用。

西安地鐵四號線全斷面砂層主要為中、粗砂，局部含有礫砂、圓礫，滲透系數介于25～50m/d，等于3×10-4m/s～6×10-4m/s，礫砂的平均粒徑為0.546～0.728mm，處于泥水盾構與土壓盾構皆可選擇的區域。泥水盾構在控制地表沉降方面優于土壓盾構，但地面需占據較大面積場地，且成本較土壓平衡盾構機更大。在政府“還路于民”的大環境下，很難給泥水盾構提供適用的場地。

根據鄭州、成都等城市的經驗，通過有效地渣土改良，土壓平衡盾構機同樣能適應于全斷面中粗砂及圓礫地層。結合西安地鐵建設的場地條件及成本控制情況，選用土壓平衡盾構機是可以滿足施工要求的。

4.2 主軸承驅動功率及額定扭矩的選擇

全斷面砂層掘進時，盾構機的致命性的先天缺陷往往表現為扭矩不足。我們在正常掘進時一般用到盾構機脫困扭矩的0.5～0.6，脫困扭矩一般設計為額定扭矩的1.2倍，因此我們一般用到額定扭矩的0.6～0.72倍進行掘進。

為應對四號線北段全斷面砂層扭矩大的特點，各標段均采用了低速情況下，額定扭矩在6500kN·m以上，脫困扭矩在8100kN·m以上的主軸承驅動功率。

主軸承驅動要提供8000kN·m以上的刀盤扭矩，不僅與主驅動的總功率相關，也與主軸承直徑息息相關。經過二號線、四號線的經驗積累，并參考國內一些失敗的經驗數據認為，電驅的主軸承驅動功率應不于800kW，液驅的驅動功率應不小于945kW。當主軸承直徑小于3m時限制了液壓馬達或驅動電機的數量，會制約刀盤扭矩大小，主軸承直徑應不小于3m。

4.3 刀盤類型及開口率的選擇

刀盤型式選擇的一般原則為：當應對單一地層時，一般選用幅條式刀盤；當應對硬巖或復雜多變地層時，一般選用復合式面板刀盤。

四號線在應對全斷面砂層時出現了幅條式及面板式共存的局面，兩者互有優劣，幅條式在砂層中受到的摩擦阻力較小，掘進過程中刀盤扭矩相對于面板式要小，但要求時刻保證土倉為“全壓”，稍有疏忽容易出現大的沉降，面板式刀盤開口率位于40～44%不等，在砂層中受到的摩擦阻力較大，需要主軸承提供更大的刀盤扭矩，但由于面板能形成對掌子面的支撐，在保證沉降的前提下，可以實現“欠壓快推”。

4.4 刀具類型及刀具高差的選擇

砂層的石英含量高，四號線北段砂層石英含量平均達到75%以上，而且標貫值大，平均50擊以上，對刀具的磨損較大，要求刀具具有較強的耐磨能力。

在全斷面砂層掘進，選擇刀具的要點為：刀具體量大、圓鈍。在全斷面砂層或其他磨損較大的地層掘進時，先行刀應可在土倉內更換，先行刀應選擇優質合金，刀具的合金高度應高于切刀或刮刀，形成對切刮刀的保護。

5 掘進參數的選擇

5.1 膨潤土配合比的選擇

采用膨潤土進行渣土改良的方案，一方面能起到潤滑、另一方面起到粘聚砂粒的效果。改良后的渣樣坍落度在120±20mm時，改良效果較好；采用經驗法時，用手握渣樣能從指縫間流出，用手掂砂，能掂起來卻又不完全離開手掌，同時達到這兩個條件時效果較好。通過砂樣試配試驗，得知粘度不小于35S才能起到很好的改良作用。試驗人員前期對各個配比進行了粘度、比重的測定，并與砂樣進行試拌，膨潤土漿液發酵時間在24小時附近效果最佳。

從表1可知，1：7～1：9的膨潤土配比滿足砂樣試配時的粘度要求，粘度依次遞減。經試驗，測定砂層的飽和含水率為20%，用各個配比的膨潤土漿液與不同含水率的砂樣進行拌和，當含水量小于16%時采用1：9，當含水率大于16%時采用1：7的膨潤土漿液。

按渣樣的粒徑進行配比選擇時，當渣樣中含礫砂或圓礫成分較多時，應選用粘度高的漿液，當主要成分為中、粗砂時可選用1：9的漿液。

5.2 鳳-鳳區間掘進參數

推力（T）：1200～1600；推進速度（mm/min）：40～70；扭矩（kN·m）：3500～4500；出渣量（m3）：52-55；同步注漿（m3）：6-7；泡沫劑使用量L/環：63；膨潤土注入量（m3）：4.8；土倉上部土壓（bar）：0.3。

5.3 鳳-元區間建議掘進參數

推力（T）：1200～1600；推進速度（mm/min）：40～60；扭矩（kN·m）：3500～4500；出渣量（m3）：52；同步注漿（m3）：7；泡沫劑使用量L/環：63；膨潤土注入量（m3）：5；土倉上部土壓（bar）：0.6。

當土倉壓力<主動土壓力Ka時，地面將會出現沉陷；當Ka<土壓被動土壓力Kp時，地面將會隆起；當Ko<土壓

因此，取靜止土壓力系數Ko作為計算時的側壓力系數，當埋深10m時，計算的土倉上部壓力為0.56Bar，后期的土壓可以在現有基礎上適度提高。

6 左右線刀盤、刀具、螺旋機磨損統計

6.1 左線磨損情況統計

（1）鳳城九路站～鳳城十二路站左線盾構刀盤掘進時間總計686小時（正轉346.2小時、反轉339.8小時）。

（2）2016年3月22日由遼寧三三工業有限公司的技術人員采用漢威Hs616e超聲波檢測儀，統計磨損情況如下：

a.刀盤正面耐磨板最大磨損量為1mm（面板上14mm的耐磨堆焊均清晰可見），刀盤外圈耐磨板最大磨損量3.6mm，個別位置的耐磨層有小塊脫落現象。

b.刮刀有5處耐磨合金塊脫落，需對合金塊脫落的刮刀進行更換。

c.撕裂刀磨損嚴重：由于泡沫管7路堵塞后只剩1路，使得渣土改良效果不好、掘進速度慢，刀盤長時間運轉，渣溫高，對刀具磨損較為嚴重。4cm的合金頭均磨損3cm～4cm，需全部更換。

d.螺旋筒內葉片與螺旋筒間隙尺寸為35mm，葉片單邊磨損量為5mm。

6.2 右線磨損情況統計

（1）鳳城九路站～鳳城十二路站右線盾構掘進551環，共計826.817米，刀盤掘進時間總計441小時（正轉223小時、反轉218小時）。

（2）2016年4月2日由遼寧三三工業有限公司的技術人員采用漢威Hs616e超聲波檢測儀，統計磨損情況如下：a.刀盤正面耐磨板最大磨損量為1mm。b.撕裂刀磨損嚴重，4cm的合金頭均磨損2cm～3cm，需全部更換。c.螺旋葉片單邊磨損量為5mm。

6.3 左、右線刀具磨損匯總

根據表2，我們可知，刀具為有規律地磨損，即與刀具走過的軌跡成正比。左線共統計刀具66把，其中有6把刀的磨損速度大于0.05mm/km，占總量的9%，全盤刀具平均磨損速度為0.035mm/km；右線共統計刀具60把，其中有6把刀的磨損速度大于0.05mm/km，占總量的10%，全盤刀具平均磨損速度為0.036mm/km。平均磨損速度代表了刀具的磨損規律，小于2倍中誤差的保證率為92.4%。

6.4 磨損速度與時間的關系

時間287h-磨損速度0.029mm/km；時間411h-磨損速度0.036mm/km；時間686h-磨損速度0.035mm/km。

從上可知，當刀盤運轉時間小于300小時時，刀具磨損較慢，平均速度為0.029mm/km，當超過400小時后，磨損速度趨于穩定，基本保持在0.036mm/km左右。當一個軌跡上只有1把刀時，磨損速度略大于2把刀，2把刀磨損速度略大于3把刀，但數值相差不大。當一個軌跡上只有1把刀時，磨損速度為0.043mm/km。其中3把刀與1把刀的磨損比例為0.82，與小松試驗值0.68稍有差別。

7 左右線沉降值統計

鳳-鳳區間左線施工過程中，共發生地表沉降超預警值-21mm為5次，其中有3次超過了控制值-30mm。345環沉降最大，沉降最大值為-54mm；405環沉降最小，沉降最小值為-0.3mm。左線沉降平均值為-14.2mm。

右線施工過程中，共發生地表沉降超預警值-21mm為4次，其中有2次超過了控制值-30mm。右線405環沉降最大，沉降最大值為-49.26mm；331環沉降最小，沉降最小值為-0.73mm。右線沉降平均值為-10.4mm。

盾構施工引起的地表沉降可分為四個階段：刀盤到達的前方因土倉壓力不足以抵擋掌子面土壓產生第一階段沉降，盾體上方因刀盤輪廓大于盾體直徑留有空隙產生第二階段沉降，盾尾脫出后管片與土層之間的空隙沒有得到及時填充產生第三階段沉降，盾構經過后用于填充的漿液凝固產生收縮以及土體的二次固結引起工余沉降為第四階段沉降。

左線4個沉降階段的總體趨勢如下：階段1：平均沉降-2.3，累計沉降-2.3。

階段2：平均沉降-6.5，累計沉降-8.8；階段3：平均沉降-5.3，累計沉降-14.1；階段4：平均沉降2，累計沉降-12.1。

右線4個沉降階段的總體趨勢如下：階段1：平均沉降-1.2，累計沉降-1.2。

階段2：平均沉降-4.8，累計沉降-6；階段3：平均沉降-4.4，累計沉降-10.4；階段4：平均沉降1.7，累計沉降-8.7。

從左、右線4個階段的沉降平均值來看，因為刀盤面板及土倉壓力的支撐，第1階段的沉降值很小，施工過程中未出現過刀盤前方土體沉降超標或塌陷。而第2、3階段的數據占據了總沉降量的80%以上（也是引起數次沉降報警的主要原因），第4階段因為后期的二次注漿有隆起的趨勢。

8 結束語

（1）全斷面砂層掘進時盾構機選型的關鍵在于刀盤扭矩的選擇。掘進過程中，中鐵裝備機型在困難條件下，扭矩處于3500～4000kN·m間，羅瓦特機型在礫砂或圓礫中掘進時，扭矩處于4400～5000kN·m間，二者都處于各自脫困扭矩的0.5～0.6倍間。因此，保證脫困扭矩在8000kN·m以上，對于應對全斷面砂層才有保障。

（2）刀具設計方面，鳳-鳳區間選用的先行撕裂刀刀寬46mm，刀長146mm，刀高147mm，在貫通時平均磨損32mm，雖保證了區間的順利貫通，但磨損量仍然比較大。因此，砂層中掘進時先行刀應高于切刮刀的高度不應小于50mm，與切刮刀的合金高度重疊應不小于30mm。

（3）在控制沉降方面，應根據沉降的發生規律針對性地進行分階段控制。在不影響出渣情況下，調整渣土改良膨潤土濃度，確保開挖面處穩定，適度提高土倉壓力，防止開挖面垮塌造成沉降，控制第1階段沉降。使用盾體上的徑向注漿孔，注入“克泥效”漿液，有效填充盾體與上方土體間的間隙，并防止同步漿液前竄至土倉，有效防止盾體上方土體沉降，控制第2、3階段沉降。及時對管片后進行同步注漿及進行二次補漿，控制第3、4階段沉降。對于地層分界處，操作人員及技術人員要根據出渣、地表沉降及其他參數值，及時調整掘進參數。

作者簡介：賀利鋒（1972，09-），女，本科，工程師，主要從事地鐵工程建設及施工管理工作。