砂卵石地層土壓平衡盾構掘進技術淺談

柳成銘（甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司；甘肅蘭州730000）

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砂卵石地層土壓平衡盾構掘進技術淺談

柳成銘
（甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司；甘肅蘭州730000）

摘要：隨著地鐵建設的蓬勃發展，土壓平衡盾構機在全國得到了較為廣泛的應用，但伴隨而來的卻是盾構掘進過程中遇到的地質情況越來越復雜，如果土壓平衡盾構施工過程中不能進行很好的控制，極可能對周邊環境產生較大影響，造成嚴重的后果和不良社會影響。蘭州軌道1號線土門墩～西客站區間在掘進施工過程中采用“泡沫劑+膨潤土+保壓”掘進技術，有效地解決了盾構掘進過程中造成地表及建構筑物沉降過大、刀盤及螺旋機卡死、刀具磨損過大、刀盤扭矩及盾構機推力過大等問題，確保了該區間一次性順利完成掘進，取得了良好的經濟和社會效益。

關鍵詞：土壓平衡盾構機；泡沫劑；膨潤土；保壓；砂卵石層

1　概述

蘭州地鐵的地質條件是中國也是世界上目前碰到的最復雜最不利的全斷面卵石地層：卵石含量特高、石英含量特多、水壓大、卵石地層含水自立性差，不明人防孔洞較多，地勘孔不穩定性高。如果在土壓平衡盾構施工過程中不能進行很好的控制，將會造成盾構機推力及刀盤扭矩超限跳停，甚至刀盤及螺旋機卡死等嚴重問題，導致盾構機無法正常掘進，造成開挖面失穩，影響周圍地面建構筑物、地下管線及隧道本身的正常使用。

本區間盾構主要穿越地層為2～10卵石層，其特性為青灰色～雜色，亞圓形，粒徑20～40mm的顆粒約占10%～20%，粒徑40～60mm的顆粒約占15% ～30%，粒徑大于60mm的顆粒含量約占20%～30%，最大粒徑可達70cm，級配不良，磨圓度較好，球度差，主要成分為石英巖、花崗巖、花崗片麻巖等硬質巖石，砂土充填，上部粒徑較小，含砂量較大，隨深度增加粒徑增大，密實度提高，夾漂石。場區地下水潛水位埋深15.00～18.70m，砂卵石層是主要的含水層，據區域地質資料，卵石層厚度大于200m。

2　砂卵石地層盾構掘進控制措施

由于該地層卵石含量高、卵石粒徑分布不均，開挖掌子面土體自立性極差，在掘進過程中極易造成刀盤及螺旋機卡死、刀具磨損嚴重等問題。為了避免卡機或者換刀事件發生，在掘進施工控制過程中采用“泡沫劑+膨潤土+欠壓”掘進技術，能有效的改良盾構工作面土體，在掘進過程中還能有效地預防和控制噴涌現象，同時達到保護刀盤、刀具的目的。

2.1僅注入泡沫劑進行渣土改良

泡沫劑在盾構掘進中的作用：

1)加注泡沫劑能減少刀盤與土體的摩擦，降低扭矩，降低刀盤所需的驅動功率。

2)減少刀具的磨損和堵塞，起到一定潤滑和冷卻作用，同時還可以減小對盾構機排渣系統中易損件的磨損。

3)泡沫劑的持續加注能保證土倉內的土壓力，提高隧道開挖面的穩定性,同時也可防止水從土壤疏松的地方滲入。

土西區間右線在+1環～+50環掘進過程中，利用泡沫劑進行渣土改良，泡沫參數：原液配合比2.0～3.5，流量400L/min，發泡率13～15，4根管路注入，原液用量每環約100L。通過現場試驗發現，加注泡沫劑后，能大大降低刀盤的扭矩、提高掘進速率。但是泡沫劑在砂卵石地層中極易帶走細砂粒，大量卵石沉積在土倉并板結，造成土倉內下部土壓傳感器土壓值持續升高，嚴重時出現刀盤卡死。

（1）問題描述。在正常推進完成第29環后進行管片拼裝，第30環推進時刀盤扭矩過高跳停，只能左右旋轉5°。

（2）處理措施。螺旋機高速出土，將倉內可排渣土出空。

土倉壁接同步注漿管路，利用同步注漿泵向土倉沖注高濃度膨潤土。

待倉內壓力維持穩定0bar后，開人倉門，利用高壓水槍通過人倉門自上而下將成拱卵石沖刷至土倉底部，同時螺旋機繼續出土，最終將土倉出空。多次正反轉刀盤后，正常啟動。

3）原因分析。由于該地質卵石含量極高且大粒徑卵石較多，在掘進過程中泡沫劑帶走大量細砂粒，土倉內大量卵石堆積成拱，形成較為致密的卵石骨架結構，以致刀盤不能旋轉。

2．2僅注入膨潤土進行渣土改良

膨潤土由于具有吸濕膨脹性、低滲性、高吸附性及良好的自封閉性能。土壓平衡式盾構施工對加入的膨潤土泥漿的一個基本要求就是它能夠形成“濾餅”，可以形成于土粒內部和土粒之間，由膠結和固結的膨潤土組成。這個“濾餅”可以演變為一個低滲透性的薄膜，從而可以將過量的地下水壓力中的液體壓力轉化為土顆粒和土顆粒之間的有效應力，這對穩定地層防止推進中的地面塌陷至關重要。

土西區間+100～+150環在掘進過程中注入膨潤土漿液，漿液采用水：膨潤土為1:0.2的質量配合比拌制，膨化時間為24h；膨潤土膨化后比重為1.08，粘度為23s，注入率120L/min。由于掘進時膨潤土注入到掌子面的流量有限，不能完全對刀盤前方土體進行改良，盾構掘進過程中推力和扭矩非常大甚至刀盤跳停，推進速度極為緩慢，甚至低至10mm以內。因掘進速度緩慢，刀盤長時間轉動對地層擾動極大，易造成地面及周邊建構筑物沉降變形。

2．3用膨潤土+泡沫劑進行渣土改良，同時保壓掘進

綜合前150環的渣土改良經驗，+151～+200環改良劑調整為膨潤土+泡沫劑的混合漿液，膨潤土和泡沫劑漿液的配合比維持不變。此段埋深約14m，掘進過程中土倉上部土壓保持在1.0bar左右。掘進參數統計見表1。

表1　155～200環質構掘進參數

采用飽壓參數進行掘進，導致刀盤扭矩過高，掘進速度較慢，盾構推力隨著環數增加持續升高。在此地層中，本參數掘進對盾構機刀具磨損將極其嚴重。土倉內壓力過大，出渣時出現噴涌現象，閘門無法全開，螺旋機只能低速轉動，大量卵石堆積在土倉和螺旋機內，經常造成刀盤和螺旋機卡死，對地面上建構筑物和地下管線影響非常大。

2．4用膨潤土+泡沫劑進行渣土改良，同時欠壓掘進

綜合前200環掘進經驗，掘進參數不斷改良優化，最終形成參數為：膨潤土漿液采用水：膨潤土為1:0.2的質量配合比拌制，膨化時間為24h；膨潤土膨化后比重為1.08，粘度為23s，注入率80L/min。泡沫參數：原液配合比3.0～3.5，流量200L/min，發泡率13～15，4根管路注入，原液用量每環約30～40L。土壓降低至理論土壓的60%～70%左右。利用該渣土改良方法后，部分掘進參數統計見表2。

表2　205～250環盾構掘進參數

經過渣土改良和土壓參數優化后，盾構機刀盤扭矩和總推力大幅度較小，掘進速度增加，因螺旋機能高速旋轉并順利出渣，從而避免了螺旋機和刀盤卡死風險；每環渣土采用稱重措施，確保每環出土量數據真實準確。同步注漿量為5.7m3（150%）以上，施工過程中每環注入量為6～7.5m3。

渣土改良以泡沫、膨潤土組合方式進行渣土改良。膨潤土具有膨潤性、粘結性、吸附性、催化性、觸變性、懸浮性以及陽離子交換性等，使其能夠滲透進入砂礫層，潤滑并包裹砂礫，使砂礫具有良好的塑流性。膨潤土+泡沫劑混合液能起到潤滑土體和使松散的土體聚合在一起，使之具有良好的和易性，便于螺旋機出土順暢，刀盤扭矩減小。

在掘進過程中膨潤土漿液采用水：膨潤土為1: 0.2的配合比拌制，膨化時間為24h；膨潤土膨化后比重為1.08，粘度為23s。在掘進過程中如遇地層含水量較大出渣較稀導致螺旋機噴涌時，通過聚合物注入系統向土倉壁和螺旋機胴體加注濃度為3‰的高分子聚合物混合液。

3　結語

目前在世界發展的趨勢下，當今中國已把地下空間開發利用作為解決城市人口、環境、資源三大危機、實施可持續發展的重要途徑。蘭州市軌道交通1號線一期砂卵石地層地鐵隧道施工中,通過分析地質特征、調研掘進參數、優化施工方案,成功地采用盾構法施工,保證了盾構機安全、連續、快速的推進,順利通過了各個風險點,解決了工程項目中的難題,提高了工程質量,有效地降低了工程造價,并為砂卵石地層地質條件下盾構法地鐵隧道施工提供一定的參考價值。

中圖分類號：TQ639.2