鄭州地鐵砂性地層盾構長距離掘進技術研究

張 昭

(鄭州市軌道交通有限公司， 河南 鄭州 450000)

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鄭州地鐵砂性地層盾構長距離掘進技術研究

張 昭

(鄭州市軌道交通有限公司， 河南 鄭州 450000)

為解決盾構在砂性地層中長距離掘進可能存在的風險難題，以鄭州地鐵1號線2期工程為背景，分析盾構在砂性地層長距離掘進施工中可能存在的風險，在盾構掘進前針對所穿越地層的物理力學參數從耐磨性、刀盤開口率等方面對盾構進行適應性設計，在盾構掘進過程中通過現場試驗確定合理的土體改良措施和注漿參數，最終順利完成掘進。結果表明： 采取上述技術措施能夠有效提高盾構在砂性地層中的耐磨性和掘進效率并且控制了地表沉降，從而克服了盾構在砂性地層中長距離掘進的施工風險。

鄭州地鐵； 砂性地層； 長距離掘進； 盾構設計； 土體改良； 注漿參數

0 引言

在城市軌道交通工程建設中，盾構法是一種被廣泛采用的施工工藝[1]。砂性土具有黏聚力小、內摩擦角大、流塑性差、滲透系數大的特點。盾構在砂性地層中掘進時，易出現刀盤、刀具、螺旋輸送機磨損，刀盤扭矩和推力增大，掘進參數異常，出土困難以及地面沉降難以控制等一系列風險問題，嚴重時會造成重大安全事故[2]。近年來，在砂性地層盾構掘進中出現的問題越來越引起研究者的重視： 文獻[3-5]通過試驗方法分析了盾構在全斷面砂性地層掘進的渣土改良措施；文獻[6]結合南京地鐵砂性地層盾構掘進，通過現場試驗研究了不同漿液的配合比對砂性地層的注漿填充效果的影響；文獻[7]通過西安地鐵砂性地層盾構刀盤、刀具的實際磨損情況，分析了導致刀盤、刀具磨損的因素，提出了改進刀盤、刀具耐用性的相關措施；文獻[8]提出了一套適用于砂性地層中盾構刀具磨損的計算方法，通過求解平衡方程計算出盾構在砂性土中的理論扭矩；文獻[9]采用顆粒流數值計算方法研究盾構施工對砂性地層的擾動情況，并分析了砂性地層中隧道管片的受力規律。盡管前人已經做了部分相關研究，但僅是針對盾構在砂性地層中掘進的某一方面，而盾構在砂性地層中掘進的適應性問題是一個比較復雜的綜合性技術問題，需要從盾構選型配置、掘進參數、土體改良、同步注漿等方面綜合考慮，特別是盾構在砂性地層中長距離掘進還存在停機進艙更換刀具的風險[10-11]。因此，如何規避諸多潛在風險，使盾構在砂性地層中長距離掘進更加安全高效是值得研究的問題。

本文以鄭州地鐵1號線2期工程為背景，分析盾構在砂性地層長距離掘進可能存在的風險，通過盾構適應性設計以及掘進過程中土體改良和同步注漿現場試驗研究，探討盾構在砂性地層中長距離掘進采取的技術措施，以期為類似條件的盾構掘進施工提供技術參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

鄭州地鐵1號線2期工程龍子湖中心站—市體育中心站區間右線長1 886.796 m、左線長1 885.295 m，采用土壓平衡盾構掘進。隧道襯砌采用外徑6 000 mm、厚度300 mm、環寬1 500 mm的預制鋼筋混凝土管片錯縫拼裝。管片強度為C50，抗滲等級為P12。區間隧道主要穿越地層為〈16〉細砂、〈17〉中砂、〈17〉-2細砂。盾構穿越砂層地質剖面和土層物理力學參數見圖1和表1。本區間淺層含水層巖性以粉細砂、中砂為主，屬中等-強透水層，富水性好。地下水位埋深為4.20～7.13 m，地下水補給來源主要為大氣降水。

圖1 區間地質剖面圖

1.2 砂性地層長距離掘進潛在風險分析

本工程盾構長距離穿越富水砂性地層，單線掘進距離長且不設中間風井，施工時易出現以下問題：

1)刀盤、刀具等設備磨損嚴重。盾構長距離掘進施工時，砂層與盾構之間會產生較大的摩擦，且砂土顆粒強度高，易造成盾構的刀盤、刀具、螺旋輸送機、盾尾刷等部位磨損，嚴重時存在中途更換刀具的風險。

2)盾構掘進效率低。本工程穿越地層屬于密實砂層(標貫擊數達到30以上)，盾構在掘進時容易出現推力、刀盤扭矩增大以及推進速度緩慢的現象；同時，由于砂性土流塑性差，會造成渣土難以進入土艙，降低盾構掘進效率。

3)地表變形控制困難。根據勘察報告，本工程穿越地層存在局部液化土層，由于砂性土自穩性差，盾構施工可能會造成砂土液化以及地層破壞，導致盾構在砂性地層中推進時地表變形不易控制。

4)螺旋輸送機發生涌水涌砂。本工程區間位于地下水位線以下，隧道部分區段需下穿鄭東新區龍子湖，若施工不當易造成螺旋輸送機出土口處涌水、涌砂，危及施工和周邊環境安全。

2 盾構適應性設計

2.1 加強刀盤、刀具耐磨性

為避免刀盤、刀具發生嚴重磨損的風險，需要提高其在砂性地層中的耐磨性[12]。本工程盾構刀盤刀具布置如圖2所示。刀盤整體采取耐磨設計，刀盤的正面、側面及圈梁上沿側結構輪廓有網格狀堆焊(厚度5 mm)，刀盤外圈有條狀耐磨堆焊(厚度5 mm)，如圖3所示。堆焊合金焊條采用德國CARBODUR63型耐磨焊條，硬度為HRC60～HRC64。刀具采用鎢鋼硬質合金，具有硬度高、耐磨、耐熱等性能，其硬度和耐磨性在500 ℃高溫下也能保持不變。

圖2 盾構刀盤刀具布置

2.2 加強螺旋輸送機耐磨性及設置防噴涌應急閘門

為防止螺旋輸送機葉片嚴重磨損導致葉片斷裂以及螺旋輸送機驅動系統密封損壞，本工程盾構在螺旋輸送機前槽體、螺桿采用耐磨設計，葉片前端設置加厚層并增加網格狀耐磨堆焊，如圖4所示。為防止在富水砂性地層掘進時發生噴涌，將螺旋輸送機增加1套手動應急閘門，以滿足在應急情況下的密封需求，如圖5所示。

圖3 刀盤及刀具堆焊耐磨加強

Fig. 3 Wear resistance enhancement by bead welding on cutterhead and cutters

圖4 螺旋輸送機葉片補強

(a) 示意圖

(b) 實物圖

2.3 加強盾尾刷耐磨性

盾尾刷是保證盾構與管片之間密封的重要部分，其作用是防止泥砂以及注漿漿液從盾構盾尾縫隙處滲漏[13]。當盾構在砂性地層中長距離掘進時，盾尾刷內外兩側不斷與管片棱角、砂性土發生卡碰、摩擦，易造成盾尾刷鋼板、鋼絲磨損和異常損壞、掉落，從而導致盾尾漏漿、漏水，因此，加強盾尾刷耐磨性是保證盾尾密封的有效手段。本工程盾構配備了多道可更換的盾尾刷，并在盾尾刷材料中加入錳等金屬元素，以提高盾尾刷的耐磨性。

2.4 加大刀盤開口率

刀盤開口率是盾構選型重要指標之一，合理的開口率能夠使砂土順利地進入土艙。在砂性地層中，增大刀盤開口率可以使開挖面切削的土體順利進入土艙[14]。本工程盾構刀盤的開口率選用45%，大開口率可以使砂土進入土艙阻力減小，盾構掘進效率提高。

2.5 減小盾構殼體摩阻力

由于本工程所穿越砂層的密實度較大，為了減小盾構掘進施工中殼體與周邊砂土的摩阻力，本工程盾構盾殼采用倒錐形設計；同時，在盾構殼體上增設注漿孔(如圖6所示)，通過盾構殼體上的注漿孔向周邊土體注入減摩漿液來減少盾構殼體所受摩阻力。

(a) 剖面圖

(b) 縱斷面圖

3 掘進技術研究

3.1 盾構掘進參數控制

1)正面土壓控制。根據土壓平衡式盾構的工作原理，為維持開挖面土體的穩定，土艙內的壓力應與刀盤前方水土壓力保持平衡。本工程區間隧道斷面位于地下水位以下，為準確反應盾構正面平衡壓力，采用水土分算的方法對正面土壓進行計算[1]。

正面平衡壓力

p=k0×(γ土-γ水)×h土+γ水×h水。

式中：p為平衡壓力(包括地下水)；h土為隧道中心埋深；h水為地表水位至隧道中心深度；k0為土的側向靜止平衡壓力系數。

盾構在掘進過程中壓力的設定值應結合監測數據進行不斷地微調，k0值也應根據現場實際情況以及100環試掘進的反饋參數來確定。

2)掘進速度控制。正常施工段的盾構掘進速度一般控制在3～4.5 cm/min。

3)出土量控制。嚴格控制每環的出土量為理論值的98%～100%，嚴禁出現超挖現象。若出現超挖問題，需及時調整土壓力等掘進參數，并適當增加同步注漿量和二次注漿量。

3.2 正面土體改良

盾構在砂性地層中進行長距離、全斷面掘進時，采用泡沫劑對正面土體進行改良，可以有效地提高砂性土的黏聚力、減小砂性土的摩阻力和滲透性，使其達到流塑狀態。為進一步確定和優化泡沫改良參數，以本工程左線前120環試掘進段為研究對象，研究不同的泡沫體積分數、發泡率以及注入率對盾構推力、刀盤扭矩、推進速度等掘進施工參數的影響。根據以往工程經驗，泡沫體積分數試驗選取4%、5%、6%；發泡率試驗選取12倍、16倍、20倍；注入率試驗選取45%、55%、65%。

1)圖7(a)示出不同體積分數泡沫溶液的各項盾構掘進參數變化曲線。由圖可知： 隨著泡沫體積分數的提高，推力和扭矩減小，推進速度加快。泡沫體積分數由4%增加到5%時各項參數變化明顯，由5%增加到6%時各項參數變化較小。泡沫體積分數為5%時，盾構推力控制在20 900 kN左右，刀盤扭矩控制在2 750 kN·m左右，推進速度保持在2.6 cm/min左右。

2)圖7(b)示出不同發泡率的各項盾構掘進參數變化曲線。由圖可知： 隨著發泡率的提高，推力和扭矩減小、推進速度加快。發泡率由12倍增加到16倍時各項參數變化明顯，由16倍增加到20倍時各項參數變化較小。發泡率為16倍時，盾構推力控制在18 300 kN左右，刀盤扭矩控制在2 560 kN·m左右，推進速度保持在3.6 cm/min左右。

3)圖7(c)示出不同注入率的各項盾構掘進參數變化曲線。由圖可知： 隨著注入率的提高，推力和扭矩減小，推進速度加快。注入率由45%增加到55%時各項參數變化明顯，由55%增加到65%時各項參數變化較小。注入率為55%時，盾構推力控制在16 800 kN左右，刀盤扭矩控制在2 440 kN·m左右，推進速度保持在4.2 cm/min左右。

圖7 不同泡沫改良參數的各項盾構掘進參數變化曲線

Fig. 7 Curves of shield tunneling parameter variation under different foams

通過以上試驗研究，綜合考慮各種因素，最終確定本工程泡沫劑改良參數為： 溶液體積分數5%、發泡率16倍、注入率55%。

3.3 地表沉降控制

由于砂性地層自穩性差，必須采用同步注漿控制盾尾處地表沉降[15]。本工程同步注漿采用大比重惰性漿液，主要由砂、粉煤灰、水、膨潤土、石灰和外摻劑組成。該漿液具有高稠度、高強度的特點，同時其壓縮性和泌水性小，能夠有效控制隧道上浮和地表沉降。本工程所用漿液配合比見表2。為研究不同注漿參數對地表沉降的影響，以本工程左線前100環試掘進段為研究對象，分別從注漿壓力、填充率、注漿時間3個方面進行試驗研究。

表2 同步注漿漿液配比表

Table 2 Mixing proportions of materials of synchronous grouting slurry kg/m3

1)本試驗分別選取0.1～0.6 MPa的注漿壓力進行試驗，圖8(a)示出不同注漿壓力地表沉降變化曲線。由圖可知，隨著注漿壓力的增大，地表沉降量逐漸減小。當注漿壓力增大到0.5 MPa時，地表沉降量趨于穩定；繼續增大注漿壓力，對地表沉降影響不大。

2)本試驗根據盾構參數計算出理論填充量，以此為基礎依次增加10%進行試驗研究。圖8(b)示出不同填充率下的地表沉降變化曲線。由圖可知，隨著填充率的增大，地表沉降量逐漸減小，當填充率達到170%～180%時，地表沉降量趨于穩定；再加大填充率，地表開始隆起。

3)盾構掘進過程中需在盾尾進行同步注漿，為了研究施工中盾構掘進注漿的同步性對地表沉降的影響，本試驗比較同步注漿和滯后注漿(在推進過程中不注漿，推進完成后集中補壓漿)2種情況下盾尾處地表的沉降變形。圖8(c)示出不同注漿時間地表沉降變化曲線。由圖可知，在不及時注漿的情況下地表沉降量較大。因此，一定要做到同步注漿，才能更好地控制地表沉降變形。

通過以上試驗研究，得出本工程區間盾構掘進的注漿參數為： 注漿壓力保持在0.5 MPa左右，填充率保持在170%～180%，并做好同步注漿。

4 實施效果

本工程在采取以上措施后，區間盾構順利掘進，地表沉降始終控制在-5～-17 mm(區間內每100環最大沉降值曲線如圖9所示)，滿足設計及規范要求。在盾構順利接收后對刀盤、刀具等磨損情況進行檢查，發現磨損程度輕微。

(a) 不同注漿壓力

(b) 不同填充率

(c) 不同注漿時間

Fig. 8 Curves of ground surface settlement variation under different grouting parameters

圖9 每100環地表最大沉降值曲線

Fig. 9 Curve of maximum settlement of ground surface of every 100 rings

5 結論與建議

1)盾構掘進前應針對盾構所穿越地層的物理力學參數進行適應性設計，特別是在砂性地層中長距離掘進時應著重考慮刀盤、刀具、螺旋輸送機、盾尾刷的耐磨性，刀盤的開口率以及減小盾殼摩阻力的措施。

2)合理選擇有效的土體改良措施可以提高盾構在砂性地層中的掘進效率。通過試驗研究確定本工程的泡沫劑改良參數為： 溶液體積分數5%、發泡率16倍、注入率55%。

3)針對砂性地層盾構掘進合理的注漿參數可有效控制地表沉降。通過試驗研究總結出本工程區間盾構掘進的注漿參數為： 注漿壓力保持在0.5 MPa左右，填充率保持在170%～180%，并做好同步注漿。

4)本工程盾構刀盤采用45%的開口率，但盾構在掘進過程中有時仍會出現渣土無法順暢進入土艙從而造成掘進施工效率低的現象，建議在類似工程地質條件下刀盤開口率增大至50%。

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Technology for Long-distance Boring of Shield in Sandy Strata: A Case Study of Zhengzhou Metro

ZHANG Zhao
(ZhengzhouMetroCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

The potential risks of long-distance boring of shield in sandy strata of Phase 2 of Zhengzhou Metro Line No. 2 are analyzed. The adaptability design of the shield machine is carried out in terms of wear resistance and cutterhead opening rate according to the mechanical parameters of sandy strata before shield boring. The rational ground conditioning methods and grouting parameters are decided by field test during shield tunneling. The results show that the wear resistance and the shield boring efficiency in sandy strata have been improved and the ground surface settlement has been controlled by adopting above-mentioned technologies.

Zhengzhou Metro; sandy strata; long-distance boring of shield; shield design; ground conditioning; grouting parameters

2017-03-20;

2017-06-04

張昭(1979—)，男，河南信陽人，2007年畢業于同濟大學，巖土工程專業，博士，高級工程師，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作。E-mail: cezhangzhao@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.011

U 455.43

B

1672-741X(2017)07-0851-06