富水砂卵石地層常見問題及處置方法

韓惠軍 （中鐵城市發展投資集團有限公司，四川 成都 610000）

富水砂卵石地層由于高富水、滲漏系數大，強度高，級配不均，內摩擦角大等特性，導致盾構在推進過程中產生了一系列問題。成都地鐵自2005年建設以來，通過建設者的不懈攻關和經驗積累，基本解決了盾構推進的技術問題，但在推進過程中，稍有不慎極易出現結泥、超方、卡刀盤等問題。筆者從成都地鐵1、3、7、8、9 號線近 150km 的盾構施工經歷出發，通過本文對富水砂卵石地層常見問題出現的原因進行分析，提出工程實施過程中的實用措施，以期為后續工程積累經驗。

1 刀盤結泥餅

1.1 主要現象

在正常的推力條件下，掘進速度逐步下降，刀盤扭矩慢慢減少或者持續不變，在增加推力的情況下，掘進速度依然不能加快。在刀盤的旋轉過程中，速度不均。

通過渣樣觀察，大粒徑的卵石變少，渣樣篩分后，卵石破碎率明顯提高。

1.2 原因分析

造成刀盤結泥餅的主要原因有三個方面：①掘進過程中的渣土改良工作，泡沫的發泡效果不佳，半衰期短，掘進過程中加水量不足導致渣土流動性不佳；②盾構司機缺乏經驗，掘進速度大于出渣速度致使倉內土體結餅；③土體中粘粒含量較高。

1.3 解決方法

在結餅不嚴重的情況下，采用優質泡沫或分散性泡沫，通過增加刀盤面板加水和土倉加水的形式軟化渣土。

在結餅一般的情況下，采用純分散劑或者剝離劑泡倉，一般需持續24h以上，在推進過程中除上述措施外，在膨潤土箱中加入水∶分散劑=10∶1的混合液注入土倉，減少渣土的粘聚力。

在結餅嚴重的情況下，直接開倉進行處理。

1.4 預防措施

在設備進場前，注意刀盤開口率和格柵的布置形式，避免進渣不暢。另外需注意牛腿數量的變化，根據掘進經驗，刀盤面板4輻條優于6輻條。

選用優質泡沫，注重渣土改良效果和管路的檢查，安排專人關注掘進參數，特別是當速度低于3cm/min時，更應提高警惕。

在通過粘粒含量高，無水砂卵石地層，應充分認識地層的變化，調整掘進參數。

加強過程中的渣樣篩分工作，發現問題及時處置。

2 卡刀盤

2.1 主要現象

刀盤在掘進過程中跳停，刀盤扭矩達到或超過設定的額定扭矩（中鐵裝備6280mm額定扭矩6500kN·m，脫困扭矩8100kN·m）。跳停后刀盤無法啟動或者旋轉。

2.2 原因分析

倉內出現沉倉現象，大粒徑卵石在倉內囤積，導致刀盤啟動扭矩增加。

通過上方的土層發生坍塌，土層自重作用在刀盤上導致無法啟動。

地層中大于30cm的卵石較多，刀具的破碎能力足，盾構機設計額定扭矩不足。

2.3 解決方法

①反復刀盤正反轉，觀察刀盤的轉動角度，如依舊跳停，啟動脫困扭矩，再繼續轉動。

②向土倉內注入膨潤土，通過增加細顆粒，減小倉內的卵石的摩擦角。

③利用膨潤土或惰性漿液進行置換，出土降低倉位，減少倉內卵石囤積（注意出土量的控制）。

④向土倉內注入足量的膨潤土或惰性漿液，當上部壓力達到2.0bar（注意底部不得超過5bar），松開推進千斤頂，讓盾體整體后退，一般后退5cm左右。后退后轉動刀盤。

⑤開倉進行處理。

2.4 預防措施

推進過程中加強渣樣的觀察，特別是卵石的包裹情況，避免出現卵石與水土分離，卵石密布從螺機口排出。

加強過程中的土倉壓力的保持，應盡可能的滿倉或者2/3倉掘進，出土量與掘進速度保持一致。

掘進過程中扭矩應控制在3500～4500kN·m，在扭矩無特殊情況下超過5500kN·m時，應提高警惕，觀察土壓變化，判斷前方是否出現了超方，如持續維持在5500kN·m以上時，應將螺旋機轉速調至0轉，持續向前掘進，一方面利用原狀土與倉內渣土混合，另一方面適當憋倉待刀盤通過超方地段，此時因觀察掘進速度變化，當速度發生明顯下降時，根據掘進速度將螺旋機轉速調高（略低于正常邏輯轉速）。

加強地質勘查工作，特別是有大卵石粒徑的地段，加強排查，根據粒徑大小，在設備選型階段調整格柵布置和刀具配置。

3 出土超方導致的地面塌陷

3.1 主要現象

砂卵石地層6280mm盾構機單環出土量超過（54m），松散系數取1.18，出土重量超過108t（需扣除水、泡沫等添加劑重量），采用體積與重量雙控。

3.2 原因分析

為追求掘進速度和減小倉內渣土改良難度，倉位較低，土壓不平衡，土倉壓力不足以抵抗土壓力，導致土體垮塌。

掘進過程中，螺旋機轉速與掘進速度不匹配，操作人員認識不到位。

掘進異常，出現噴涌、結餅等情況，導致出土量不受控。

地層條件較為復雜，存在透鏡體砂層等不良地層，地層自穩性較差等情況。

3.3 解決方法

對超方量＞3m的地段，必須立即停止施工，尋找空洞，一般選取在超方地段刀盤對應位置后1m尋找空洞，若無，可擴大范圍。找到空洞后，需首先判斷空洞距刀盤的垂直厚度，如厚度小于3m的，必須對空洞底部進行填砂處理，后進行灌注混凝土。大于3m以上的，可直接灌注混凝土。灌注期間之前，倉內可適當注入膨潤土，避免混凝土進入土倉內。灌注期間密切灌注土倉土壓變化。待混凝土凝固后，恢復掘進，恢復掘進前需空推10cm左右，避免倉內過空，導致再次垮塌。

對超方量＜3m的地段，加強監測，待盾尾通過后及時對地表進行注漿處理，注意注漿壓力的控制，避免漿液注入土倉內。

3.3 預防措施

①建立相應的預警預控制度，當掘進參數發生異常或出土量超方時，及時進行處置。

②合理控制掘進參數，特別是土壓，保持合理的土壓，適度欠壓，避免空倉率過高導致坍塌。

③加強盾構司機的培訓和教育，充分認識砂卵石地層與其他地層的區別，特別是螺旋機閘門與轉速的控制。

④對地層提前進行預判，特別是砂卵石上部黏土層欠缺或較薄，地層中存在透鏡體砂層的，適度對地層進行加固處理。

4 結語

上述從工程實踐出發，僅介紹了砂卵石地層推進常見的結餅、卡刀盤、出土超方3種情況，在工程實施過程中碰到的情況更為復雜和具體，但出現的問題都有征兆，如何將這些問題消滅在萌芽狀態，筆者也就后續盾構施工發展做如下設想。

①大數據的應用與發展

隨著盾構施工的普及與大數據時代的來臨，通過對盾構數據的分析，總結和開發一套自動無人駕駛，減少人為因素的影響。

②倉內實時可視化系統

盾構推進很多問題最后都是通過開倉來解決的，如開發一套倉內實時可視化系統，可便于操作者對倉內情況及時進行判斷，果斷采取措施。

③超前的地質預報

“地質是基礎、設備是關鍵、人是根本”，而現階段我們了解地質情況大多通過25m一個的地面探孔，孔間的地質情況需通過人為分析，未來可通過預裝在盾構機上的地質預報系統，便于掌握盾構前方的詳細地質情況，便于調整掘進參數。