南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間復合地層內盾構掘進控制技術

金 華

(南京地鐵建設有限責任公司,210008,南京∥高級工程師)

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南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間復合地層內盾構掘進控制技術

金 華

(南京地鐵建設有限責任公司,210008,南京∥高級工程師)

南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間盾構沿線穿越復合地層時極易引發盾構過度磨損和掘進功效低下等不良后果。從盾構選型設計、盾構掘進關鍵參數控制和輔助控制措施等多方面開展研究,總結了滿足該區間施工要求的掘進綜合控制措施。研究結果表明，選用復合式盾構且根據掘進斷面地層特性動態調整掘進模式和施工參數、優化漿液和改良劑配方的綜合控制技術可以保障盾構安全穿越復合地層。

地鐵；復合地層；盾構；掘進模式

Author′s address Nanjing Metro Construction Co.,Ltd.,210008,Nanjing,China

土壓平衡盾構復合地層施工是盾構施工領域的傳統難題。穿越復合地層時盾構常遭遇到過度磨損、掘進功效低下甚至是刀盤被卡或刀盤斷裂等事故。廣州、深圳和南京等城市均為典型的復合地層。文獻[1-10]對盾構在此類地層內穿越的施工控制技術開展了系統的研究,形成了盾構選型設計、盾構施工控制和輔助工法等系列技術。但南京與其他城市復合地層相比有自己的特點。例如，南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間隧道穿越的復合地層，具備沿線地質特性變化快等特點,是南京地區具有代表性的復合地層區間。針對南京復合地層的大直徑泥水盾構掘進技術已開展較系統的研究[11],而中小直徑的地鐵盾構隧道尚缺乏系統性的研究。

故依托南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間,從盾構選型設計、盾構掘進關鍵參數控制和輔助控制措施開展多方面研究,形成了滿足本區間施工要求的掘進綜合控制措施。

1 工程概況

所謂巖土復合地層,指在隧道斷面上既有土層又有巖層,且兩者巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊的組合地層。南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間位于南京市玄武區,區間隧道為雙線隧道。其左線長2 688 m,共2 227環管片；右線長2 684 m,共2 223環管片。區間設置中間風井1座,聯絡通道4座。其中，2號聯絡通道及泵房與中間風井合建。隧道設置4條平面曲線,且平面曲線最小半徑為R = 350 m。縱斷面設計為“V”型坡,最大縱坡坡度為28.495‰。隧道拱頂覆土厚度為9.2 ～34.0 m。至玄武湖邊中間風井處的隧道埋深達最大34 m。區間主要穿越地層為③-2b2粉質黏土、②-2b4淤泥質粉質黏土、②-4c2-3粉土夾粉質黏土、③-4c3粉土夾粉質黏土、③-4e1混合土、δu-2-1強風化閃長巖、δu-3中風化閃長巖、T2 h-2j強風化角巖化泥巖、T2 h-3j中風化角巖化泥巖。

2 復合盾構技術

南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間隧道(以下簡為“新—雞區間”)在玄武湖底下穿九華山隧道。為避免破壞九華山隧道底部的抗拔樁,將下穿處的地鐵隧道埋深大幅增加。這導致盾構隧道穿越的地層情況十分復雜，先由軟土層逐漸進入到硬巖段,通過硬巖段后再回到軟土層。其中，硬巖主要分布于情侶園段及玄武湖段。由于隧道穿越的地層含粉質黏土、粉細砂等軟土,以及強度較高的閃長巖、角巖化泥巖等硬巖,因此盾構機的正確選型、掘進控制和必要的輔助控制措施是本區間成功穿越復合地層的關鍵要素。

2.1 盾構機選型要求

盾構機具有開挖系統、出碴系統、碴土改良系統、保壓系統、管片安裝系統、注漿系統、動力系統、控制系統、測量導向系統等，其基本功能應能夠滿足正常的盾構掘進要求[2]。

盾構機要穿越不同地層，不僅要能適應軟土地層，對巖石地層的適應性也要強。

盾構機應具備土壓平衡和氣壓平衡模式掘進功能,并能進行不同開挖模式的轉換。

盾構機應具有足夠的刀盤驅動扭矩和盾構推力以破除軟土及硬巖,并且保證盾構機能克服掌子面水土壓力及盾構機與圍巖的摩擦力向前掘進。

刀具配置合理,刀盤具備足夠的剛度,刀盤開口率合適,開口位置合理。本區間為典型的復合地層,應進行合理的刀具配置,充分研究刀具的均衡性、各種刀具的破巖機理；除考慮各種刀具的軌跡覆蓋整個刀盤面外,還應考慮刀具的組合形式、刀具的高度及高度差等性能并便于刀具更換。刀具配備型式統籌兼顧全斷面軟弱地層、全斷面硬巖層、同斷面局部軟弱、局部硬巖層；還要考慮隨著不同開挖面性狀,靈活地變化刀具組合,有利于防止泥餅的形成和破除。根據地質詳勘報告,部分地段巖石較硬,地層變化較快,閃長巖與角巖化泥巖相互侵入,巖層軟硬不均,要求刀具具備足夠的破巖能力。

由于新—雞區間地層中有較多黏粒含量較高的粉質黏土及碾壓研磨后粘性較高的強風化角巖化泥巖,因此盾構施工過程中必須進行渣土改良,通過向土倉和開挖面注入泡沫等措施來降低刀盤、螺旋輸送機的扭矩,降低盾構機的負荷,降低刀具的磨損,防止產生泥餅,同時，在滲透性大的地層還可減少地下水的流失，控制土體平衡,有利于沉降控制;

盾構本體在壓力狀態下應有良好的防水密封性能。整個隧道區間頂覆土厚度9.2～34.0 m，其中，覆土最大處在玄武湖下方,掌子面最大水土壓力可達到0.50 MPa,故刀盤主驅動密封應能承受此最大壓力。

巖石地層含水量較大,且隧道埋深高達34.0 m,故水土壓力較高，極易造成螺旋機噴涌。盾構機應具備防噴涌功能,對螺旋機閘門密封性要求高。

為了提高推進速度,減小刀具的磨損或破壞,施工中應加強對工作面地質條件的研究和預測,并根據不同的地層,及時更換與地層相適應的刀具,配置人倉及加壓環境下作業設備。人倉可作為加壓環境下作業保護屏障，對復合地層盾構機施工具有特殊意義。當通過軟硬不均的地層，或遇到球形風化孤石時，或在常壓下開挖面不能自立的地段,建立人倉加壓環境可成為排除掘進障礙、更換刀具降低安全風險等作業不可缺少的條件。

綜合考慮區間隧道的地質及水文條件、隧道斷面設計、施工環境、施工場地條件及經濟性等條件,新—雞區間工程采用兩臺德國海瑞克鉸接型復合式土壓平衡盾構機。

2.2 復合地層盾構施工關鍵技術

2.2.1 掘進模式的選擇

新—雞區間工程所使用的海瑞克復合型盾構機根據土體的狀況不同,采用不同的掘進模式進行掘進[3-4]:

本區間在所有的軟土層段均采用土壓平衡模式進行掘進。土壓平衡模式主要在軟弱土層等掌子面穩定性較差的地層和地下水含量較大時使用。土倉內渣土產生的壓力能對掌子面進行有效支撐,從而避免掌子面以外的泥土涌入土倉(艙內完全充滿土體)。開挖艙內的工作壓力通過土壓傳感器進行連續監測。通過改變盾構機的掘進速度或螺旋輸送機的轉速,可調節土艙內的壓力來適應隧道開挖面的壓力。

在半土半巖地層段則選擇以氣壓平衡模式掘進,即在土倉內加入一定的壓縮空氣,以減少土倉內的渣土量。土倉內的壓縮氣體同樣能為掌子面提供有效支撐,既避免了掌子面軟弱地層的失穩坍塌,又降低了盾構機刀盤的扭矩。

當開挖面土體的穩定性較好或全斷面為巖石時,盾構機可采用其它操作模式(敞開模式)。此時，土倉中的土體可不經壓力調節由螺旋輸送機輸送出去。敞開模式操作可減少摩擦和對刀具的二次磨損。掘進時,開挖倉內的1/2 或2/3是空的。此時不需要進行壓力監測，而以面板式刀盤作為避免土層在松動狀況下涌入開挖倉的機械支撐。在這種模式下,沒有有效的隧道開挖面支撐。如在左線488—691環全斷面中風化閃長巖段采用敞開模式進行掘進,土倉的中部及上部土壓均為0。

2.2.2 掘進參數控制

當盾構機選型確定后,盾構機掘進參數控制就成為復合地層中盾構施工的關鍵[5-6]。推進參數的合理設置是保證盾構機正常掘進、減少對地層周圍環境影響的關鍵因素。在軟土段、半土半巖段及全斷面巖層段其推進參數均有區別,均需對刀盤轉速、推力(油壓)、推進速度、貫入度、分區油壓、接觸壓力及土壓力等進行合理設定。

以新—雞區間右線為例，全斷面巖石段采用敞開模式推進,半土半巖段根據出土量及監測情況選擇氣壓平衡模式或土壓平衡模式等掘進模式,其他軟土段則采用土壓平衡模式。

工程師及盾構司機必須對盾構機推進時各參數的異常變化敏感,如有必要應停止推進,并分析原因。如新—雞區間右線盾構機在517環時推進參數發生了異常。2012年6月12日推進517環時盾構扭矩由1.8 MN·m上升到3.0 MN·m以上,最高達3.5 MN·m(見圖1),推力為9 000 kN,推進速度由8～10 mm/min 下降為2～4 mm/min(見圖2),中心土壓為0.05 MPa,而盾構掘進時土倉內有異常響聲,卡刀盤現象頻繁。于是立即停止盾構掘進,開倉檢查。

圖1 新—雞區間517環盾構刀盤扭矩監控圖

盾構開倉后發現其刀具損壞嚴重:周邊滾刀基本損壞,其中滾刀后部刀圈開裂甚至掉落,刀盤3號臂滾刀磨損嚴重,1號臂齒刀掉落并損壞8把螺栓,周邊8組刮刀大部分崩掉。經分析,主要為刀具掉落后,在刀盤旋轉過程中撞擊其他刀具,從而導致整盤刀具損壞嚴重。在進行復合地層掘進時,盾構機的各項異常大都可以從PDV(數據采集系統)信息中表現出來,如能夠及時發現掘進參數的異常變化,則可防止對盾構機的進一步損壞,降低損失,減少風險。

圖2 新—雞區間517環盾構推進速度監控圖

合理制定盾構掘進報表,包括掘進信息報表、油脂統計報表、掘進指令單、交接班記錄、姿態報表、出土情況報表等,使掘進過程中的關鍵信息在報表記錄中能夠全部體現,為工程師指導盾構掘進提供參考。地面設置遠程監控室,將盾構機PDV信息、導向及視頻同步傳送至地面監控畫面上,以便工程師在地面實時了解盾構機的狀態及各項參數。工程師對盾構機掘進時各參數不間斷監控,實時指導盾構司機進行參數的調整,合理下達指令。

2.2.3 出土量控制

盾構推進過程中需要對土倉內的渣土進行土體改良。通過加入泡沫劑、分散劑或聚合物等添加劑來調整渣土的流動性、粘結性等。受地下水及巖石渣土的膨松影響,不同地層需控制不同的出土量,以防止超挖。根據整個區間的掘進經驗,在粉細砂中出土量平均2.8箱/環,在粉質黏土層中掘進平均3.5箱/環,在硬巖段掘進平均4箱/環。在含水量較大的復合地層中出土量平均為4.5～5箱/環。本工程均采用16 m3土箱。

通過制定每箱土千斤頂行程記錄表,能夠真實掌握推進時是否存在超挖現象。尤其在半土半巖地層中,由于掌子面上部土體較軟,容易剝落,而下部為巖層,開挖難度大,如采用較高的土壓則盾構推進困難,扭矩較大；如通過降低土壓來減小扭矩,提高推進速度,則極易導致掌子面上部失穩坍塌,造成超挖,最終導致地面沉降較大。

2.2.4 渣土改良

高滲水性的土層(砂層、礫石等)中開挖時,需進行土體改良以保證盾構能夠順利掘進。由于該土層易于形成結塊，故需保持螺旋輸送機內的水壓。在黏粒含量較高的黏土層中,同樣需要進行土體改良來提高刀盤的切削效率,防止黏土附著在刀盤上形成泥餅;在不同種類的地質狀況下,可選擇使用泡沫、膨潤土或聚合添加劑(如聚合物、分散劑等)等作為土體改良的介質。

2.2.5 刀具管理

刀具是實現盾構進行有效開挖的基本工具,其正常工作與否直接關系到盾構機的正常掘進。盾構在硬巖等復合地層推進時,其刀具極易受到損壞。對刀具的保護及其重要。

對于硬巖段掌子面比較穩定的地層,盡可能創造開倉條件,勤開倉,勤檢查,及時更換刀具。

復合地層的巖層強度高且軟硬不均,強度變化快,故盾構在此軟硬不均地層中掘進時,刀具受不均勻撞擊磨損嚴重,推進困難,換刀頻繁。當刀具磨損超過規定值時必須更換。其中，如一般周邊滾刀正常磨損超過1.0 cm,正面滾刀正常磨損超過2.5 cm，則必須及時更換。而周邊滾刀和刮刀必須完好,以保證開挖直徑不變,防止盾殼被卡。

在全斷面硬巖段掘進時,應對齒刀加以保護或者拆除,亦應對刮刀加以保護,防止因巖石撞擊或者掉落刀具撞擊將其撞落,并防止刀架損壞和刀盤磨損。具體加固措施如圖3、圖4和圖5所示。主要加固方法包括拆除齒刀并加鋼板、齒刀兩側用3 cm厚鋼板焊接加固和周邊刮刀用3 cm厚鋼板加固等。

圖3 拆除齒刀并加鋼板保護刀座

例如，新—雞區間左線盾構在514環時,其全斷面為硬巖段掌子面。故拆除正面所有齒刀,并對刀座進行保護。在掘進至619環即將進入軟土段時再將所有齒刀恢復。整個區間掘進過程中無一把齒刀受到損傷,同時保證了軟土段的有效開挖。

圖4 齒刀兩側用3 cm鋼板焊接加固

圖5 周邊刮刀用3 cm鋼板加固

應根據巖石的硬度及地質情況選擇刀具,并合理配置刀圈硬度和啟動扭矩。在新—雞區間強度較高的閃長巖段,盾構采用的刀圈硬度為56HRC,啟動扭矩為31～32 N·m;在強度較低的泥巖段是,盾構采用的刀圈硬度為52HRC,啟動扭矩為24～25 N·m。結果表明，合理的配置減少了刀圈的開裂和滾刀的偏磨。

必須對刀具磨損原因及損壞原因進行分析,并據此在刀具修理和新刀選擇時制定參數。應對每一次更換下來的舊刀磨損狀態和拆解后內部情況進行查看分析,以為刀具修理及新刀的參數選擇提供指導。

由于刀盤的所有刀具為一個整體,故其工作的能力應相同才能發揮最大的效果。維修的刀具要達到新刀的性能,則同一盤刀其設置的參數應該相同,并盡量使用同一類型的刀具。

做好刀具管理工作,舊刀維修應對其編號,并在維修好的刀具上做好標記,對每一把刀的使用次數和維修次數及安裝位置進行記錄。

對周邊拆除的正常磨損量較小的刀具,可在做簡單保養后用在刀盤正面。而盾構在復合地層中刀具受撞擊,或在全斷面硬巖層中刀具受高強度巖石碾磨等情況,均會加劇刀具磨損。新—雞區間右線掘進過程中共進行了14次換刀(12次為常壓換刀,2次為帶壓換刀),累計更換滾刀165把(不含風井保養),換刀停機時間長達60 d;新—雞區間左線掘進過程中進行了8次換刀(7次為常壓換刀,1次為帶壓換刀),累計更換滾刀119把(不含風井保養),換刀停機時間長達32 d。

2.2.6 地下水的影響及控制措施

復合地層中掘進最難處理的就是地下水。尤其在上軟下硬土層中,必須保證土倉壓力推進。沿線的巖石裂隙水如不斷匯集,則會沿著隧道間隙和巖石間隙不斷向土倉內匯集,從而造成螺旋機噴涌嚴重、管片滲漏、土壓較高等一系列問題。在埋深較大水土壓力高的地層,螺旋機噴涌尤其嚴重。直接導致的后果就是盾尾部分的清理量極大,無法及時拼裝盾構機,導致盾構掘進效率低。而且，長時間停機清理時,地下水依然在不斷匯集,從而形成一種惡性循環,即每推進一環都需要進行大量的清理工作。因此必須要采取有效的措施對地下水進行封堵。

封堵時具體采用同步注漿+二次注漿的措施。同步注漿采用水泥砂漿可硬性漿液[7],可防止管片壁后填充的漿液被地下水沖走造成；同時，其產生強度后還具有止水效果,可防止管片滲漏及上浮等。水泥砂漿可硬性漿液配比如表1所示。

表1 水泥砂漿配比表

二次注漿在盾尾后方管片壁后進行。每5環打一道雙液漿環箍(見圖6),以形成止水環,封堵隧道后方來水。

圖6 管片壁后打環箍示意圖

當地下水含量較大且盾尾刷受到損壞時,地下水會沿著盾尾管片縱縫進入盾尾,從而造成盾尾清理量較大和拼裝困難及設備進水損壞。可通過在管片止水帶外圈縱縫處貼海綿條,防止水進入盾尾。

在止水難度較大時,可通過管片壁后注入聚氨酯,堵塞水流通道。

螺旋機噴涌嚴重時,可通過土倉隔板球閥向土倉內加聚合物進行土體改良,增加土體粘性,以便在螺旋機內形成柱塞,從而減弱螺旋機的噴涌。

盾尾泥漿均來自于螺旋機出土口。由于短時間出土量較大且渣土呈泥漿狀,渣土容易從皮帶機上掉落和溢出。因此可改造螺旋機出土口,盡量減少渣土掉落的量,以節省大量清理時間,提高盾構掘進效率。

3 結論

通過對南京地鐵3號線新莊站—雞鳴寺站區間復合地層內盾構掘進控制技術探討,結論如下:

(1) 鉸接型復合式土壓平衡盾構機能適應南京3號線新—雞區間,區間沿程應根據掘進斷面地層特性動態調整掘進模式和施工參數。

(2) 齒刀及刮刀應加以重點保護,并在掘進施工中采用泡沫劑進行土體改良，以進一步減小磨損量。

(3) 同步注漿宜選用水泥砂漿可硬性漿液。

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Shield Tunneling Control Technology in Complex Strata on Nanjing Metro Line: a Section from Xinzhuang Station to Jimingsi Station

JIN Hua

Excessive wear and low efficiency often occur when the shield passes through the complex strata in Xinzhuang Station-Jimingsi Station interval on Nanjing metro Line 3. In this paper, the selection of the shield design, key parameters control in shield tunneling and auxiliary control measures are studied, the comprehensive control measure is summarized to meet the construction requirements. The research shows the composite shield that adopts comprehensive control technology can ensure the security of shield tunneling through the complex strata, by adjusting the driving mode, construction parameters, optimized grout and improved formula according to the dynamic characteristics in driving section formation.

metro; complex strata; shield; tunneling mode

U455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.06.024

2016-01-10)