土壓平衡盾構(gòu)穿越復合地層施工關(guān)鍵技術(shù)

彭寶富，王國義

（1．成都軌道交通集團有限公司，四川 成都 610095；2．中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都 610212）

近年來，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、快速、經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于地鐵工程。土壓平衡盾構(gòu)掘進地質(zhì)越來越復雜，出現(xiàn)的問題也越來越多，尤其是盾構(gòu)掘進復合地層出現(xiàn)諸多問題已引起廣泛關(guān)注。何祥凡等［1］提出盾構(gòu)穿越上軟下硬復合地層地表沉降顯著增大，應(yīng)對較軟側(cè)地層進行適當加固；李振等［2］提出盾構(gòu)穿越上軟下硬復合地層采用“欠土壓推進”模式，穿越重要構(gòu)筑物區(qū)間時地面沉降可控制在允許范圍內(nèi)；翟圣智等［3］提出上覆砂礫石下臥泥質(zhì)粉砂巖復合地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良，每環(huán)管片所需泡沫劑確定為63～82L，注水量為6～8m3，可防止結(jié)泥餅；夏杰等［4］對南寧圓礫泥巖復合地層從掘進參數(shù)、渣土改良、壁后注漿、建筑物保護等方面提出土壓平衡盾構(gòu)穿越此復合地層的成套掘進施工控制技術(shù)；江華等［5］針對北京土砂復合地層掘進困難，分析盾構(gòu)穿越土砂復合地層變形規(guī)律，提出盾構(gòu)土壓力、同步注漿壓力及同步注漿量的有效控制；周劉剛等［6］以大連地鐵港中區(qū)間復合地層為例，針對地層突涌水、刀具異常磨損、破巖效率低、刀盤結(jié)泥餅和穿越排樁等難題，提出刀盤刀具配置、掘進參數(shù)選擇、渣土改良等有效解決措施。已有研究中主要針對復合地層中出現(xiàn)的難題提出綜合解決措施，未對復合地層出現(xiàn)的難題進行詳細分析，同時對于盾構(gòu)結(jié)泥餅的真正原因分析存在不足。對于土壓平衡盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風化砂巖地層施工缺乏相關(guān)經(jīng)驗。

筆者針對成都地鐵盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風化砂巖時出現(xiàn)的盾構(gòu)推力大、扭矩大、掘進速度慢、易結(jié)泥餅、超方嚴重等現(xiàn)象，分析出現(xiàn)此現(xiàn)象的真正原因，并對盾構(gòu)設(shè)備進行改進，提出渣土改良新觀點，解決了此復合地層的掘進難題。

1 工程概況及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

成都軌道交通18號線一、二期工程起于火車南站，經(jīng)高新、華陽、天府新區(qū)后穿越龍泉山至新機場。線路全長約58．84km，全線目前共有車站10座，8個盾構(gòu)區(qū)間。

經(jīng)前期論證盾構(gòu)全部采用直徑8．6m的土壓平衡盾構(gòu)機，隧道管片采用內(nèi)徑7．5m、外徑8．3m、楔形量40mm的左右轉(zhuǎn)彎環(huán)管片。此工程將與天府國際機場同時運營，工期緊、任務(wù)重，因此盾構(gòu)隧道正常貫通是按計劃運營的前提條件。

1.2 地層巖性和水文地質(zhì)

成都軌道交通18號線盾構(gòu)隧道主要穿越砂卵石、中風化泥巖、中風化砂巖和此3種地質(zhì)的復合地層。主要穿越地層概況如下。

1）①3-8卵石土：灰色、灰白、灰黃色、飽和、松散～密實。石質(zhì)成分以灰?guī)r、花崗巖等硬質(zhì)巖為主。粒徑4～20cm；卵石含量占55%～70%，其余為中細砂及圓礫填充；局部夾有4%～7%漂石，粒徑多為210～300mm。卵石呈圓形、亞圓形，磨圓度良好，分選性差；均勻性差。根據(jù)顆分顯示，卵石最大粒徑約180mm，漂石最大粒徑210～300mm。不均勻系數(shù)Cu＝3．4～140；曲率系數(shù)Cc＝1．1～32．2，屬不良級配土。根據(jù)N63．5超重型動力觸探試驗統(tǒng)計：①3-8可劃分為①3-8-1松散 ～稍密、①3-8-2中密、①3-8-3密實3個亞層。

2）②5-1-3中等風化泥巖（K2g）：紫紅色，中厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊易碎，部分地段軟弱夾層或差異風化明顯，易風化，遇水易軟化。根據(jù)室內(nèi)試驗：天然密度 ρ＝2．49～2．67g／cm3，天然含水率w＝2．33%～7．11%，天然抗壓強度5．4～15．2MPa，天然飽和抗壓強度1．04～10．77MPa，飽和吸水率2．93%～29．67%，膨脹力6～162kPa，自由膨脹率6．0%～42．0%。

3）②5-2-3中等風化砂巖（K2g）：紫紅色、磚紅色、青灰色、灰綠色，中厚層狀，細粒結(jié)構(gòu)（少量粉粒結(jié)構(gòu)）。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀。巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊易碎，部分地段軟弱夾層或差異風化明顯。根據(jù)室內(nèi)試驗：天然密度 ρ＝2．23～2．73g／cm3，天然含水率w＝0．64%～11．7%，天然抗壓強度24．5～56．1MPa，天然飽和抗壓強度23．84～48．9MPa，飽和吸水率6．60%～17．65%，膨脹力0～706kPa，自由膨脹率12%～34%。

根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料及地下水的賦存條件，地下水主要有3種類型：①賦存于填土層的上層滯水；②第四系砂卵石層的孔隙水；③基巖裂隙水。①3-8卵石土為孔隙水，滲透系數(shù)約25m／d，屬于強透水層；中風化泥巖和中風化砂巖為基巖裂隙水，滲透系數(shù)約為0．44m／d，屬于弱透水層或不透水的隔水層。

2 土壓平衡盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風化砂巖地層的困難及原因分析

1）盾構(gòu)中心不結(jié)泥餅的前提下，盾構(gòu)推力大（25 000kN以上），刀盤扭矩大（5 500kN·m），掘進速度慢（5～10mm／min）［7］。

2）出土量增大［8］，超方嚴重，地表易塌陷。

3）刀盤中心易結(jié)泥餅［9］。

盾構(gòu)穿越此復合地層的掘進參數(shù)與盾構(gòu)穿越全斷面砂卵石地層或全斷面中風化砂巖地層等掘進參數(shù)截然不同（掘進參數(shù)見表1），經(jīng)充分討論研究，最終分析原因如下。

表1 直徑6.25m盾構(gòu)穿越不同地層掘進參數(shù)匯總

1）盾構(gòu)掘進此復合地層，上部砂卵石地層有擾動帶，擾動帶范圍內(nèi)砂卵石較松散；下部中風化砂巖地層，抗壓強度較高（約40MPa），滾刀碾壓破碎為平面（刀盤面板與開挖面之間間距為175mm）（見圖1）。為防止超方，盾構(gòu)進行適當保壓掘進，上部粒徑≤175mm的卵石會由于重力作用等原因部分進入刀盤面板與中風化泥巖開挖面之間。只有當刮刀刮到卵石或渣土間擠壓作用時卵石才能進入土艙。當進入刀盤面板與中風化砂巖開挖面之間的卵石粒徑不小于刀盤面板與開挖面之間間距減去刀盤貫入度的值時，此卵石將卡在刀盤面板與開挖面之間，阻止盾構(gòu)向前推進，其間的卵石也參與破巖，并抵消大部分盾構(gòu)的推力和刀盤扭矩，最終導致盾構(gòu)推力大、刀盤扭矩大、掘進速度慢。因此提高掘進速度的唯一辦法是盡量減少刀盤面板與中風化泥巖開挖面之間卵石的數(shù)量。

2）盾構(gòu)掘進速度慢，對上部砂卵石地層擾動大，無法達到真正的土壓平衡掘進模式，導致上部砂卵石掉入土艙，超方嚴重，最終導致地表塌陷。

3）渣土改良采用泡沫和水的改良方式，水加在土艙中心，防止結(jié)泥餅。但刀盤前方只注入泡沫（注入率100%）的渣土流動性差，在土艙內(nèi)相互擠壓，雖然土艙中心在加水，但土艙中心附近是流動性差的渣土與水的混合體，無法進行充分攪拌，往往是中心加水口土艙隔板附近未結(jié)泥餅，但中心其他位置易結(jié)泥餅。同時砂卵石和中風化砂巖含細顆粒少，停機久，泡沫失效，滲透率高，渣土中水分流失，渣土板結(jié)，再次掘進渣土間相互擠壓，也容易結(jié)泥餅。卵石在刀盤面板與開挖面之間摩擦，產(chǎn)生大量熱量，加劇泥餅生成。

圖1 盾構(gòu)掘進復合地層示意

3 盾構(gòu)穿越復合地層解決措施

1）盡量降低刀盤面板與中風化砂巖開挖面之間卵石數(shù)量，可降低盾構(gòu)推力、刀盤扭矩，提高掘進速度。選用遼寧三三盾構(gòu)機刀盤，刀盤12個開口刮刀為整排刮刀，盾構(gòu)掘進過程中刀盤面板與中風化砂巖之間的卵石能以最快速度進入土艙，大大降低刀盤面板與中風化砂巖之間卵石的數(shù)量。

2）采用泡沫和低濃度聚合物水溶液的綜合渣土改良方式，提高渣土的流塑性、低滲透性和保水性，預防渣土停機失水造成板結(jié)。刀盤前方6路注入泡沫，注入率為40%，刀盤前方2路（1路在刀盤中心，1路在刀盤外側(cè)）注入低濃度聚合物水溶液（質(zhì)量比為水∶聚合物 ＝10 000∶2），注入率為20%～30%。渣土改良全部在刀盤前方進行，進入土艙的渣土經(jīng)過充分改良，其坍落度為16cm。

3）掘進過程適當保壓，通過增加推力盡量提高掘進速度，同時滾刀切削下來的渣土與螺旋輸送機的出渣量相匹配，防止超方。

4 案例應(yīng)用

成都軌道交通18號線一、二期工程世紀城～海昌路站盾構(gòu)區(qū)間掘進此復合地層時采用遼寧三三優(yōu)化的刀盤刀具配置，泡沫和低濃度聚合物水溶液的綜合渣土改良方式，掘進參數(shù)與盾構(gòu)掘進砂卵石地層參數(shù)對比基本正常（見表2）。實踐證明，盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風化砂巖地層采取的措施簡單、有效。

表2 直徑8.6m盾構(gòu)穿越不同地層掘進參數(shù)匯總

5 結(jié)語

1）土壓平衡盾構(gòu)穿越上部砂卵石下部中風化砂巖地層時，通過優(yōu)化刀盤刀具布置（刮刀設(shè)計為整排刮刀），降低部分推力和扭矩，提高掘進速度。

2）通過泡沫和低濃度聚合物水溶液的綜合渣土改良方式，可提高渣土流塑性、降低渣土滲透性，可預防渣土失水造成板結(jié)。

3）合理的泡沫和低濃度聚合物水溶液的注入位置及數(shù)量，可有效防止刀盤及土艙結(jié)泥餅。

4）盾構(gòu)穿越復合地層應(yīng)重點根據(jù)地層特點，從盾構(gòu)設(shè)備、渣土改良、掘進參數(shù)等方面找到行之有效的解決措施。

參考文獻：

［1］何祥凡，申興柱，王帆，等．盾構(gòu)隧道穿越上軟下硬地層施工力學特性分析［J］．鐵道標準設(shè)計，2017，61（2）：89-95．

［2］李振，魏麗敏，彭富強．復合地層盾構(gòu)穿越機場誘發(fā)地層沉降計算及控制研究［J］．鐵道科學與工程學報，2014，11（5）：131-138．

［3］翟圣智，胡蒙達，葉明勇，等．南昌上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)渣土改良技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2014（8）：27-31．

［4］夏杰，徐潤澤，喬書光，等．圓礫泥巖復合地層盾構(gòu)掘進控制技術(shù)探討［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2017（1）：32-35．

［5］江華，張晉勛，江玉生，等．土壓平衡盾構(gòu)穿越土砂復合地層控制技術(shù)［J］．都市快軌交通，2013，26（4）：96-99．

［6］周劉剛，袁大軍，吳俊，等．富水高強交互復合巖層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．施工技術(shù)，2016，45（S2）：127-132．

［7］袁翔．杭州地鐵盾構(gòu)穿越半斷面硬巖技術(shù)探討［J］．都市快軌交通，2015，28（2）：80-83．

［8］陳秋鑫，李俊才，劉光臣，等．盾構(gòu)施工安全穿越祿口機場復合地層段的數(shù)值模擬與監(jiān)測分析［J］．鐵道標準設(shè)計，2014，58（12）：94-98．

［9］賈璐，溫法慶，黃欣，等．土壓平衡盾構(gòu)刀盤泥餅防治綜合技術(shù)研究及應(yīng)用［J］．施工技術(shù)，2015，44（S1）：243-246．