盾構法施工在砂卵石地層中掘進的質量通病研究

劉祎

一、工程概況

（一）工程設計概況

成都地鐵3號線工程內容只包括一個盾構區間，雙流西站～三里壩站區間，該區間線路全長左線1458.6米，右線1436.3米，區間共設兩處聯絡通道兼泵房，左、右線分別采用中鐵裝備52#、中鐵裝備97#盾構機由三里壩站南端頭始發，掘進至雙流西站盾構接收井接收吊出。

（二）水文情況

1、地表水及地下水

區間范圍內地表沒有河流或溝渠。

地下水類型主要有：上層滯水、孔隙水、基巖裂隙水。

上層滯水：主要存于人工填土中，透水性微，水量微薄，富水性枯窘。

孔隙水：該層地下水主要存于卵、砂石土之中，水量比較豐富，為孔隙潛水，沒有統一地下水位，根據成都地區水文地質和相關工程資料，該層卵、砂石土綜合含水層滲透系數K約為3.5～30.0m/d，為強透水層，水量豐富。

基巖裂隙水：保存于泥巖裂隙中，水量微弱，含水量較小，分布受裂隙發育程度控制，總體具弱透水性。

2、地下水補給、徑流、排泄及動態特征

在中亞熱帶季風氣候區的成都，氣候終年比較溫濕，四季分明，多年平均降雨量947.0 mm。全年降雨日140天以上。主要的地下水補給來源是大氣降水，另外地表的河流以及溝渠也是局部地下水補給的來源。

地形、水系等因素控制淺層地下水的徑流、排泄，區間范圍內地勢平坦，總體是南東高、北西低，根據地形淺層地下水自南東向北西徑流。深層地下水主要以徑流為主，排泄主要靠城市人工開采及周邊工程降水，另外大氣蒸發同是重要的排泄方式之一。

（三）地質情況

1、區間地質

成都地鐵的地質情況是極為復雜的，包括粉質粘土、粉土、泥巖地層、人工填土、卵石土層及細砂土層等。但是本區間主要穿越砂卵石、泥巖和二者混合的地層，砂卵石地層中卵石含量達到50%～85%，粒徑以20～80mm為主，部分粒徑大于200mm，最大粒徑達到300mm，砂卵石地層有松散體、稍密、中密和密實之分；卵石、礫石以巖漿巖、變質巖組成，填充物為中細砂、隨機分布在透明體砂層，均勻性差、自穩能力差；砂卵石地層中局部還散布著粒徑超過500mm的高強度漂石，卵石和漂石單軸抗壓強度達55～165MPa。

二、砂卵石地層盾構掘進預控措施及效果分析

（一）砂卵石地層盾構掘進高扭矩問題

由于成都地鐵中密、密實卵石層中〈3-8〉細顆粒成分含量少，碴土摩擦阻力比較大，刀盤需要較大攪拌力矩，一般約為4000～5000kNm，在盾構掘進時，土倉如果建立壓力，則刀盤扭矩急劇增大，根據左線中鐵97#盾構機在始發階段的掘進經驗來看，刀盤扭矩持續達到4500kNm以上時就容易產生“卡刀盤”的現象，因此盾構機所需額定扭矩最好一般在6000kNm以上，脫困扭矩在 7500kNm 以上。

預控措施及效果分析：一是在掘進過程中不應建立“實土壓”，采取“欠壓”推進模式，根據地層密實情況，能采取用氣壓保壓的方法是最優選擇；二是盾構機選型方面，本工程左、右線盾構掘進選取的均是中鐵裝備盾構機，經過實際掘進經驗來看盾構機主驅動扭矩可以滿足成都地區砂卵石地層掘進高扭矩問題，根據相鄰標段選取的海瑞克盾構機推進情況判斷，同樣適用于成都地區砂卵石地層推進。

（二）砂卵石地層欠壓掘進地面易沉降問題

成都地鐵砂卵石地層中細顆粒含量比較少，有較好的透氣效果，盾構機土倉壓力建立相對比較難，并且欠壓掘進的情況經常出現，地面就容易產生較大沉降。嚴重還會使掌子面特別是拱頂將發生坍塌；而且，由于刀盤掘進時常常擾動地層發生超挖現象，此時同步注漿又不能補充，所以空洞極易形成，即便當時不會發生沉降，但盾構過后地面會陸續發生沉降，因此成都地區砂卵石地層掘進“滯后沉降”現象比較普遍。

預控措施及效果分析：該難題主要是解決“欠壓推進”易超方問題，分析盾構掘進易超方原因，結合本工程的實際施工經驗，可以采取的預控措施有：

一是對刀盤前方的地層進行預注漿加固，注漿采取“單液”與“雙液”注漿相結合的方式進行，主要根據地層以及地表周邊的環境狀況來決定采取以哪種方式為主。在地面情況良好，表層土比較密實，例如城市道路上，主要采取“單液注漿”的方式對地層進行預注漿加固；在綠化帶以及表層雜填土較松散的地段主要采取“雙液注漿”的方式進行預注漿加固。通過實際施工經驗驗證，該預控措施效果比較顯著，可以很好的起到控制地面沉降的作用。

三、本工程出現的技術難題

（一）砂卵石地層掘進遇大粒徑礫石、漂石的難題

根據對本工程在砂卵石地層中盾構掘進出渣情況進行調查分析和工程詳細勘察報告，盾構機通過地層中最大漂石粒徑達到750mm， 局部地段大粒徑漂石含量較高且富集成群，盾構機在此類地層中掘進主要面對破碎大粒徑漂石的難題，就可能會造成刀具嚴重磨損、掘進時困難、損壞刀盤、卡斷螺旋機軸等問題。

本工程遇到的難題就是右線在大粒徑漂卵石地層中掘進兩次卡斷螺旋機軸：

第一次斷軸于3月3日右線盾構推進163環，上部油缸行程至1600mm時，螺旋機突然被卡扭矩從20KN.m跳至120KN.m最后無法轉動，螺機反轉后扭矩正常，此時發現螺機無法出土，刀盤扭矩持續降低，降至700KN.M，土倉壓力持續增大，最終導致推進暫停。

第二次斷軸于4月3日右線推進165環，掘進過程中螺旋機油壓多次超設定的保護值，油缸行程至1100mm時螺旋機軸再次被卡，在采取反轉后恢復，恢復后掘進過程中螺旋機正常旋轉，但無法出土，通過檢查螺機觀察口，發現螺機前段約1.1m處斷裂。

（二）針對本工程出現的難題采取的措施

1、對盾構機刀盤進行改造，加焊格柵，允許進入到土倉內的卵石粒徑控制在300mm以內，同時，重新分配刀具配置，增加雙刃滾刀數量，割除刀盤最外周主動攪拌棒。2、更換新的螺旋機軸，同時對螺機軸進行改造，增加螺旋機軸端部錐度，增大螺旋機軸端部與土倉底部的空間間隙，便于大卵石通過，避免碰撞螺旋機軸。3、渣土改良以膨潤土改良為主，降低刀盤與螺機扭矩。4、對螺機泵壓力設定保護值，壓力控制值設定在120bar以內，推進過程中注意觀察螺機扭矩變化及渣土卵石含量與卵石粒徑變化，出現螺旋機卡停現象時，立即停機，禁止頻繁正反轉螺機。

四、總結

（一）做好盾構機選型工作

對于成都地鐵砂卵石地層的掘進，刀盤的設計本著“以排為主、排破結合”的理念，在刀具的配備上，要安裝足夠數量的滾刀、刮刀、切刀、撕裂刀及保徑刀并合理布置，滾刀以18英寸為宜，而且要加厚加寬，滾刀刀間距控制在90～100mm，且滾刀要與可拆除的撕裂刀互換，在刀盤的開挖直徑處最好設計有2～3把滾刀，以保護開挖直徑，同時刀盤要有足夠的剛度和強度，滿足大扭矩和大推力的要求；為了防止大粒徑的亂石進到土倉并卡斷螺旋機，要在面板上設計開放式的格柵。

（二）重視地質補勘工作

進場前期準備工作階段，一定要認真做好地質補勘工作，對于詳勘單位未勘查的地段以及隧道上方重要建構筑物所處的地層是重點補勘對象，對于卵石地層卵石粒徑的勘查可以參考車站開挖過程中的土體顆粒大小，也可在隧道區間范圍內隨機選取點施工人工挖孔樁，用于探查卵石粒徑的分布狀況及粒徑大小。

五、結語：

根據在成都地鐵3號線的盾構施工技術管理中，我認為對于一個項目來說除正確分析施工的重難點，對盾構機的設計提出針對性的要求，并使盾構機的技術性能、參數、配置、安全設計、制造等方面滿足盾構施工要求后，只是為盾構施工正常進行打下了良好的基礎，而最重要的還是施工過程的科學管理。因為，科學的管理才能把盾構的優良性能充分發揮，并快速安全完成施工任務。