高標貫中粗砂地層盾構法施工應對措施研究

李 旭

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

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高標貫中粗砂地層盾構法施工應對措施研究

李 旭

(中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054)

西安地鐵2號線北端盾構施工過程中全斷面穿越中砂、粗砂層，其中中砂的標貫擊數達到150擊，砂層極為密實，且需嚴格控制地面沉降；盾構掘進出現極限參數，不能正常運轉，同時螺旋、刀盤甚至是盾體磨損加快。通過增加開挖面積、主動鉸接輔助推進、渣土改良、壓縮空氣輔助建壓等措施來解決超密實地層盾構掘進問題，使用效果比較明顯，提高了土壓平衡盾構對密實砂層的適應性。

密實砂層；中砂；標貫擊數；盾構；渣土改良；建壓

1 工程概況

西安地鐵2號線一期北苑站～北客站盾構區間穿越西安繞城高速公路，路面寬38 m，路基寬46 m，高速公路高出地面約4 m，雙向六車道。在穿越過程中遇到了俗稱“鐵板砂”的地層，給盾構施工造成許多難題。根據盾構掘進方向和區間里程計算，盾構機穿越繞城高速南側邊坡的里程為ZDK1+676～ZDK1+666，掘進環號為96～103，109環盾尾脫出

邊坡；繞城高速路面的里程為ZDK1+666～ZDK1+629，掘進環號為103～128，135環盾尾脫出路面；繞城高速北側邊坡的里程為ZDK1+629～ZDK1+619，掘進環號為128～134，141環盾尾脫出邊坡。

1.1 工程地質

西安地層為典型的黃土地層，但在河流階地存在砂層，局部含有卵石。本項目下穿位置地層位于原渭河一級階地，隧道穿越中砂、粗砂(局部為礫砂、圓礫)地層，隧道洞身土層主要物理力學參數見表1。

表1 隧道洞身土層主要物理力學參數

1.2 水文地質

地下水主要賦存于砂類土層中，屬于強透水層，含水層厚度40～80 m，地下水主要為第四系孔隙潛水。地勘報告揭示地下水位較高，自DK1+670開始盾構隧道基本處于水位線以下。在施工過程中發現地下水位位于盾構隧道1/3到2/3位置，沒有超過螺旋機出渣口位置，在施工過程中沒有出現涌水、涌砂的情況，對盾構掘進施工影響較小。

2 工程難點及主要問題分析

(1)繞城高速是西安環線交通的主干，也是進出古都的各大高速公路的起點，在西安的城市交通和對外聯系中具有舉足輕重的地位。根據北繞城高速公路管理局的要求，此段高速公路路面的最大沉降控制在10～20 mm以內，以保證車輛順利通行。

(2)標貫擊數大于30擊的砂層為密實砂層，常規中砂、粗砂的標貫擊數不超過60擊，該段中砂標貫擊數高達150擊，特別是在車輛動荷載的長期作用和車輛振動頻率的作用下，致使砂層極為密實。這種砂層俗稱“鐵板砂”，其硬度達到了鋼材的指標。這就使得盾構機通過繞城高速時，出現了相當高的摩阻力，影響了盾構機的掘進。

(3)砂層由于內摩擦角大，盾構機刀盤切削致密砂層時，地層對刀具及面板反作用力較常規砂層增加較多，會造成切削困難、螺旋及刀盤磨損較快;同時，切削下來的砂土之間較大的作用力會造成排土較差，甚至不能排土[1]。

3 穿越致密砂層存在的問題

在盾構穿越繞城高速公路前，通過在高速公路兩側進行地質補勘、現場調查并對通過前的試驗段掘進參數進行分析和總結，制定了穿越砂層的相關對策，但在實施過程中出現的問題超過了預判。

3.1 盾構掘進困難

為保證繞城高速的安全，在盾構掘進參數選擇上相對保守，土倉壓力值按照被動土壓力進行計算和設定。在試驗段施工過程中，按照上述設定能夠順利掘進，但由于繞城高速下砂層更加密實，盾構機掘進出現了困難。隨著盾構機完全進入繞城高速地層后，推力由24 000 kN驟升至30 000 kN，而且掘進速度降到4 mm/min以下。此外，在拼裝完管片后盾構機重新啟動時，出現刀盤扭矩過載而自動跳閘的現象，盾構掘進效率極低。此外，由于總推力過高，用于調整盾構掘進方向的推力分配較少，盾構機姿態難以控制。

3.2 盾構設備超負荷運轉

在致密砂層中掘進，要前行就要增加推力，推力的增加需要盾構機全系統進行調整才能實現。盾構機廠家通過調節溢流閥來增加推力，但是由此設備油路壓力增加，油溫升高。在高溫高壓下，增加了盾構機設備負荷，經常出現刀盤內外周溫度、液壓油溫度超標，從而被迫停機降溫。此外，由于整個系統的超負荷運轉，造成隧道作業面內溫度較高，又影響盾構機其它設備的正常運轉。設備的超負荷運轉，導致設備經常出現故障，增加了維修工作量。

3.3 注漿壓力與注漿量的控制

由于繞城高速公路是西安對外的交通干道，社會敏感性高，對沉降要求更加嚴格。由于修建高速公路必然要求路基密實，組成高速公路路面的底層和面層都是具有相當強度的膠結材料，所以在盾構機通過時，即使注漿不飽滿，地面的沉降量也不會立刻出現特別大的變化。但注漿的不飽滿終究是安全隱患，使注漿壓力和注漿量的控制產生了不確定性。

4　應對方案

4.1 適當增加開挖面積

減少盾構機推力最有效的辦法就是減少地層與盾體之間的摩阻力，因此在掘進中通過開啟仿形刀，擴大開挖半徑，使與盾體接觸的為擾動后的砂層，能夠減少摩阻力。由于致密砂層部分物理力學性質類似于巖層，采用外置式注漿的盾構機在該地層中的摩阻力會更大，因此可在盾構外置注漿保護罩位置有目的的增加開挖半徑。根據試驗，密實砂層中地層自穩性較好，如盾構機超挖半徑不超過4 cm，且及時進行同步注漿能夠控制地面沉降。通過開啟仿形刀，掘進速度提高了30%左右，一定程度上提高了掘進效率。

4.2 主動鉸接輔助掘進

由于盾構掘進速度較慢再加上盾構機故障時有發生，盾體容易被同步注漿漿液裹住，造成盾構機無法前進，這時，使用主動鉸接分段推進是一種有效的措施。使用鉸接雖然效率較低，但可以保持有一定的速度，比單純使用推進千斤頂掘進的速度要高。使用鉸接是一種在盾構操作時能有效的改善在推進千斤頂大推力下無法推動盾構機的狀況，是在操作室內能采取的盾構機脫困的主要方法。但長時間使用鉸接容易造成鉸接密封出現損害甚至失效，因此在使用鉸接推進的時候要掌握一定的度，不能頻繁使用。

4.3 增加膨潤土注入口及注入量

為改變致密砂層原狀土難以掘進的狀況，將膨潤土改接至刀盤前方的注入口，同時增加刀盤前方注入量，超前對砂土進行改良；土倉內的渣土改良也要保持。通過上述措施能夠有效改良渣土，并保持土倉內外平衡。增加膨潤土注入量后，需要對盾構后配套設備進行改造，提高膨潤土運輸能力和注入能力。此外由于改良后的渣土含有較大比例的膨潤土，出渣時需要對渣土進行處理，須提前安排[2-3]。

4.4 壓縮空氣輔助建壓

在常規砂層中由于顆粒間隙較大，采用氣壓輔助掘進時容易出現漏氣失壓的情況，但在致密砂層中通過超前渣土改良能夠形成相對封閉的空間，給采用壓縮空氣輔助建壓提供了條件。通過停機試驗，采用壓縮空氣可以提高土倉內壓力，因此在掘進過程中也可采用壓縮空氣來填充土倉內部，減少土倉內的砂土，在保持掌子面穩定的情況下減少盾構機推力、扭矩等參數，從而改善掘進效率。

4.5 及時足量注漿

為保證填滿管片與地層之間的空隙，控制地面沉降，需要在盾構掘進的同時對盾尾后的管片進行同步注漿和二次注漿。同時，由于砂層的滲透系數較大，需要對漿液配比進行試驗，防止漿液被地下水快速稀釋進入周圍地層。在盾構機掘進繞城高速地段時，同步注漿的壓力一直保持在比較高的范圍，1、3號注漿孔一般都達到了0.3 MPa以上，4個注漿孔只有2個在正常工作，但由于盾構機掘進緩慢，能比較從容的進行同步注漿，同步注漿的注漿量基本在6 m3以上。二次注漿的管片一般選在盾尾后5、6環，這樣就能使二次注漿的水泥漿不包裹盾尾刷。在進行二次注漿時，注漿壓力同樣很大，比要求的0.3～0.4 MPa的壓力值高出很多，每環的注漿量也不太大，一般都在0.3～1 m3。由二次注漿時所表現的高壓力值判斷，管片與地層之間的間隙基本被砂漿和水泥漿填充，能有效的控制盾尾后的沉降。

4.6 降低盾構機溫度

盾構機長時間在高溫下運轉，各部件不僅容易出現故障，同時還會降低盾構機的使用壽命，因此需要采取措施降低溫度。降低溫度的辦法有水冷、風冷和增加散熱面積等。對盾構機整體來講，采取水冷是最有效也是成本較低的一種方法，通過將冷水引入盾構機，然后通過泡沫或膨潤土管路注入到周圍地層中，降低盾構機及地層溫度。對于盾構機油路，可采用增加油冷卻器的辦法降溫。

5 需繼續探討的問題

5.1 膨潤土減摩的效果

采用在3、9、12點的盾體上開孔注入膨潤土以減小盾體與地層之間摩擦力的方法，由于在127環才開始使用，還沒有對比數據，缺乏建立判斷標準的必要因素。在以后的施工過程中，有必要對使用這種方法前后進行分析，得出比較好的結論，總結出更好的減摩方法。減小摩阻力是盾構施工永恒的話題，在這方面的探索還有待加強。

5.2 建立氣壓對掘進的不利影響

在整個穿越過程中，各種沉降量都比較小，說明建立土壓起到了一定的作用。但在建立氣壓的前后，卻出現了掘進越來越困難、同步注漿壓力也不斷攀升的情況；但由于對使用氣壓的記錄不完整，使得在分析利弊時缺乏有力的數據支持。

5.3 從機械工程的角度來分析盾構機的各種參數

盾構施工是一項綜合性的系統工程，對土建、機械、電等均有涉及。在以后的工作中，不僅要從土木工程的角度去分析盾構機在穿越這種復雜地層的情況，更應該從機械工程的原理去分析盾構機的各種操作對盾構機使用性能和壽命的影響，比如通過改進外置式注漿管路減少摩阻力[4]、頻繁使用鉸接的影響等等，全面認識和掌握盾構施工的作用規律和操作特點。

6 結束語

通過增加開挖面積、主動鉸接輔助推進、渣土改良、壓縮空氣輔助建壓等措施來解決超密實盾構掘進極限難題是非常規手段，但其使用效果比較明顯，為類似問題提供了解決思路。通過技術措施的改進及盾構設備的改造擴大土壓平衡盾構對密實砂層的適應性，可降低盾構施工成本、提高社會效益。

[1]張旭東.土壓平衡盾構穿越富水砂層施工技術探討[J].巖土工程學報,2009(9)：1445-1449

[2]魏康林.土壓平衡盾構施工中泡沫和膨潤土改良土體的微觀機理分析[J].現代隧道技術,2007(1)：73-77

[3]閆鑫,龔秋明,姜厚停.土壓平衡盾構施工中泡沫改良砂土的試驗研究[J].地下空間與工程學報,2010(3)：449-453

[4]蘇小江.砂土地層土壓平衡盾構機適應性改造研究[J].科技創新導報,2014(10)：65-66

A Study of the Counter-Measures for the Shield Construction in the High SPT Medium-Size Sand Strata

LI Xu

( The First Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Xi'an 710054,China )

Since the north end of Line Two of the Xi'an Metro has to full-cross-section run through the medium-size sand and coarse sand stratum with a shield,where the SPT blow count for medium-size sand reaches 150,the sand stratum being extremely dense,the ground settlement needs to be strictly controlled;in such a case,the limits of parameters emerge in the middle of the shield-drilling,the shield can′t work properly,with the spiral and the cutter-holder,or the body of the shield itself,worn faster.The problem of a shield drilling through an extraordinarily dense stratum is solved by means ofincreasingtheexcavationarea,usingactivehingestoassistdrilling,modifyingthemuck,usingcompressedairtohelppressurebuildupandothermeasures.Theeffectsofapplyingthesemeasuresarecomparativelyobvious,withtheadaptabilityoftheearth-pressure-balancingshieldtodensesandstrataimproved.

dense sand layer;medium-sized sand;SPT blow count;shield;modification of muck;pressure buildup

2016-05-20

李旭(1984—)，男，工程師，主要從事地鐵土建施工工作。187377446@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.007

U455.43

B

1672-3953(2016)05-0023-04