盾構穿越大直徑卵石地層的設計與施工

荀亮亮（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

盾構穿越大直徑卵石地層的設計與施工

荀亮亮（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

文章主要以北京地鐵某線區間隧道為例，重點研究在富水卵石地層中盾構設計選型及施工中需要解決的問題，通過合理的選型及有效可靠的施工措施保證隧道施工的安全。

盾構；卵石；施工措施

1 引 言

近幾年，我國的軌道交通發展迅速，運營里程、線網密集度逐年遞增，項目周邊環境越來越復雜，地鐵線網的不斷加密，未來地鐵結構埋深將進一步增大，隧道結構將大部分甚至全部進入承壓水層。

盾構法做為區間隧道的主要施工方法，具有安全開挖和襯砌，掘進速度快，施工全過程可實現自動化作業，施工勞動強度低、安全系數高，不影響地面交通與設施，施工中不受季節、風雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動，適合地層范圍廣、地質情況復雜的施工作業環境等優勢，但因地質、水文等條件差異性大，在隧道施工中需解決盾構機的適應性、施工輔助措施的有效性。

本文主要以北京地鐵某線區間隧道為例，重點研究在富水卵石地層中盾構設計選型及施工中需要解決的問題，通過有效可靠的選型及施工措施保證隧道施工的安全。

2 工程概況

根據已建、在建工程可知，北京西部地區典型砂卵石地層主要特點：卵石粒徑大，300mm～1000mm居多、卵石含量高達40%～80%，細顆粒少、卵石強度高，大于80MPa等（見圖1）。

本段區間長度1637m，設置聯絡通道2處，線路采用“一”字坡，穿越地層主要為卵石⑤層，卵石⑦層（見圖2）。

圖1 土層分布示意圖

圖2 區間隧道地質縱斷示意圖

卵石⑤層：最大粒徑不小于160mm，一般粒徑為20～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質量的80%，亞圓形，中粗砂填充。

卵石⑦層：最大粒徑不大于500mm，一般粒徑為40～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質量的75%，亞圓形，中粗砂填充。局部存在漂石。

圖3 臨近車站基坑揭露卵石地層

3 盾構選型設計

3.1 刀盤選型

針對本工程的卵石地層，設計思路主要以排為主，因此刀盤采用輻條式結構，4根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅動裝置并且作為刀盤面板的基座。刀座、刀盤和刀盤支撐結構的強度和剛度能保證刀盤在含有最高單軸抗壓強度150MPa以上的卵石、圓礫地層中，在最不利地質條件下掘進時不出現刀盤變形及超出正常的磨損。使用耐沖擊性和耐磨性高的材料鑄造刀盤。

刀盤開口率為47%，較大的開口率能夠提高卵石通過的粒徑，減小對刀具的壓力，降低刀具的磨損，減少刀盤對礫石破碎概率，達到“以排為主、擠壓為輔”的設計思路。

圖4 刀盤選型圖

3.2 螺旋輸送機

螺旋輸送機采用無軸螺旋，輸出最大渣土尺寸為φ500×L800mm，是目前直徑6m級盾構最大的無軸螺旋，且在大直徑卵石阻塞輸送機入口時可以通過調整螺旋輸送機位置來解決，大幅提高大粒徑卵石的通過能力。

圖5 螺旋輸送機選型圖

3.3 刀具選型

3.3.1 增強刀具的抗撞擊性

①刀具材料采用強度與硬度相結合較好的硬質合金；

②在刀具兩側加增防撞擋塊，減小刀具切削土層時卵石對刀具的沖擊，避免刀具嚴重損壞；

③對刀具沖擊面設置強度高的保護擋塊。

3.3.2 增強刀具的耐磨性

對刀座進行耐磨焊條堆焊，以提高其耐磨性。

圖6 先行刀、刮刀磨損情況

3.3.3 刀具配置

布置刀具時，覆蓋整個開挖斷面，對稱性布置刀具，保證刀盤受力均衡，運轉平穩；切刀正反方向布置，刀具整體采用牙型交錯排列。刮刀具有高耐磨的鋼刀體和高質量的硬質合金刀刃，齒刀的前面硬質堆焊到切削邊緣，后部有硬質合金球齒保護，同時先行刀主要用于疏松土體并承受來自卵石的沖擊，保護其它刀具免受沖擊破壞。

圖7 刀盤刀具布置圖

4 施工控制措施

①推進的過程中通過盾構機自帶設備向土艙內注入高密度膨潤土，提高泥漿的比重，使之實現塑流化改造的目的。同時通過刀盤前方的泡沫注入孔向開挖土體加泡沫，減輕盾構機負荷及刀盤磨損（見圖8）。

②施工中嚴格控制出渣量，設定合理的渣量偏差值，派專人監控分析實際出渣量與理論出渣量差距，同時采用渣土承重方法判斷出渣量是否正確。對渣土方量及重量均少于理論數據的要更加重視，及時發現由于地層本身就存在嚴重松散或空洞導致出渣量少的現象，并加強該范圍注漿管理。

圖8 膨潤土倉

③同步注漿壓力控制在1.2bar左右，同時為防止盾構掘進過程中注漿壓力偏低，在砂卵石地層中進行掘進時，盾構機推進速度不應過大。注漿量在砂卵石地層約為150%～200%。為保證漿液在管片外充填密實，減小地面沉降，對盾尾后部5環以外的管片進行二次補漿，注漿材料選用水灰比為1：1的純水泥漿，注漿壓力控制在3bar；在管片上的注漿位置選在管片環11-2點位。

圖9 同步注漿、二次注漿

④通過提高盾構機推力、額定扭矩來減少刀盤被卵石地層卡住，較高的脫困扭矩為盾構機順利穿越大直徑卵石地層提供有效保證。

⑤掘進過程應保證盾構機良好的姿態，避免蛇行，每環姿態變化控制在±6mm內；做好管片選型，現場對盾尾間隙實測實量，控制管片拼裝偏差，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導致盾尾密封、鉸接密封損壞及管片變形。保持推進速度的穩定。推進速度保持在30～40mm/min。對管片螺栓擰緊要求3次復緊。

5 總 結

通過本工程總結了盾構在大直徑卵石地層設計與施工的一些經驗，為后續工程的大直徑卵石地層中的盾構設計、施工提供了一定的指導作用。

①盾構機選型

合理選擇盾構機型，特別是刀盤應盡量選擇開口率大的輻條式刀盤，采用無軸螺旋增大對大塊卵石的輸送能力。

②盾構掘進控制

通過盾構掘進參數動態調整和精細化管理，確保盾構連續推進平穩推進，通過適當的保壓確保地層沉降在允許范圍內。

③土體改良

土體改良效果在盾構掘進中至關重要，應在掘進中通過不斷泥漿試驗，摸索土體改良對盾構掘進的影響。

④合理選擇刀具檢修距離及檢修方法

刀盤（具）檢修是確保盾構長距離連續掘進的必要手段，通過施工經驗我們認為300m～400m進行一次刀具檢修是比較經濟合理的。同時采用了土體加固后常壓開倉進行刀具更換及倒掛井壁施工小豎井換刀方法。

⑤掘進速度控制

合理選擇盾構推進速度，宜保持在8-12環/天。推進過快會加劇刀具的磨損及地層損失。

［1］周秀普.盾構法施工技術在無水砂卵石地層中的應用［J］.市政技術，2003，21（4）：195-203.

［2］GB50157-2003，地鐵設計規范［S］.

［3］周文波.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

U455.43

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1007-7359（2016）02-0089-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.032

荀亮亮（1981-），男，工程師。