高富水大粒徑卵漂石地層中土壓平衡盾構掘進淺析

種鵬飛

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250014）

蘭州在地鐵隧道的埋深范圍內，主要地質為砂卵石地層，越靠近黃河地區，卵漂石粒徑越大。蘭州于2013年開始建設第一條地鐵線路，在四余年間的地鐵隧道建設過程中，一直伴隨著土壓平衡盾構機如何應對高埋深大粒徑強富水砂卵石的磨損性。

本文根據蘭州地鐵1號線世紀大道站站-中間風井區間左線土壓平衡盾構的施工經驗，闡述在高埋深強富水大粒徑卵石地層土壓平衡盾構的掘進方法，希望能夠為類似地層的盾構選型及掘進提供參考。

1 工程概況

1.1 線路概況

[世紀大道-風井區間]右線為里程YCK10+900.00～YCK 12+028.097，長1 128.097 m。左線里程ZCK10+900.0～ZCK12+028.097，長1 141.701 m（長鏈 13.604 m）。

區間隧道左右線間距約20.7 m。隧道埋深為11.4～40.4 m，區間隧道最大縱坡坡度27‰，最小平面曲線半徑450 m（見圖1）。

圖1 世紀大道-風井區間

1.2 地質狀況

[世紀大道-中間風井]區間隧道穿越地層大部分為全斷面3-11卵石層，始發段隧道穿越地層為2-10卵石層和3-11卵石層復合層（見表1）。

表1 卵石顆分成果統計

2-10卵石層：雜色、青灰色。局部夾有薄層或透鏡狀砂層，廣泛分布于河漫灘上部和安寧區二級階地黃土狀土之下。據顆分資料及現場調查，粒徑大于20 mm 的漂石、卵石平均含量占63.5%，一般粒徑20～50 mm，漂石含量較少，最大粒徑為500 mm；粒徑2～20 mm 的圓礫平均含量占12.4；中粗砂充填。

3-11卵石層：灰黃色、青灰色，飽和，局部夾有薄層或透鏡狀砂層，廣泛分布于河漫灘及安寧區二級階地下部。據顆分資料及現場勘探，該層粒徑大于20 mm 的漂石、卵石平均含量占64.53%，一般粒徑20～60 mm，漂石含量較少，最大粒徑為500 mm；粒徑2～20 mm 的圓礫平均含量占14.82%；中粗砂充填。

在盾構掘進過程中，從渣土斗中隨機抽取渣土樣品進行篩分發現，該區間實際的卵石含量和粒徑比地勘報告中的更多、更大，并且大粒徑卵石群隨機出現，掘進發現的最大粒徑可達700 mm。

部分取樣中大卵石及實際掘進螺旋機出土中的較大粒徑卵石（見圖2）。

圖2 卵石渣土樣品

1.3 水文狀況

區間賦存地下水，地下水類型為潛水。根據沿線地下水的埋藏形式、含水層及相對隔水層特點，地下水詳細情況如下：

潛水：水位標高為1 522.17～1 534.10 m，水位埋深為3.12～11.65 m，含水層為2-10-3卵石層、2-10-4卵石層、3-11卵石層，該層地下水分布較為連續，地下水位由北東向南西緩慢降低。主要接受大氣降水、地表水入滲以及黃河水補給，以徑流與地下越流方式排泄。根據勘察設計文件并結合施工實際狀況，該區間地下水豐富、滲透系數大（滲透系數：65～72 m/d）。

2 項目難點及風險

（1）根據世紀大道站-中間風井區間右線的掘進經驗，盾構在穿越該區間高埋深強富水大粒徑卵石的過程中，刀具和刀盤的磨損嚴重，工程期間需頻繁更換刀具，加固刀盤；

（2）該區間卵漂石最大粒徑為900 mm，超過刀盤及螺旋輸送機300 mm×500 mm的通過粒徑，大粒徑漂石需在刀盤前方破碎。如刀盤無法及時破碎大粒徑漂石，將造成多個漂石在刀盤前方堆積，造成刀盤啟動扭矩增大，掘進緩慢，嚴重情況下將導致刀盤卡死或無法推進；

（3）該區間的卵漂石顆粒之間膠結差或基本無膠結，當盾構通過時，上方土體經刀盤擾動后極易塌落，造成地面沉降；

（4）該區間盾構開挖面位于地下水位線以下，地下水豐富并且巖層滲透率高。造成螺旋輸送機出碴含水量較大，經常性噴涌嚴重，易從皮帶機前方倒流至管片拼裝區域，需花費大量人工及時間清理，嚴重影響掘進效率。

3 盾構機的選型及配置

綜合考慮盾構機各個系統的動力匹配、刀盤扭矩、轉速及驅動功率儲備、螺旋輸送機形式以及各個部件的耐磨措施，為使盾構機能實現在該地層下高效掘進。項目組最終選定區間左線采用遼寧三三工業有限公司（前 加拿大羅威特隧道設備有限公司）的土壓平衡盾構機。該盾構主要技術參數如下：

（1）刀盤開口率34%（中心開口率50%），配備33把17英寸單刃滾刀，4把17英寸中心雙聯滾刀（均可更換為18寸刀圈）；正面刮刀80把，周邊刮刀24把。刀盤開口率與最大刀具布置數量成反比，對于該區間的卵漂石地層，34%的刀盤開口率比較適宜。另因為刀盤中心的刀具因其運行半徑較小，因此在其工作時受到的側向力較大，對滾刀的切削效率、工作壽命均有較大影響，因此要保證刀盤中心開口較大，便于中心部位切削松散后的渣土更快進入土艙內，避免在刀盤前方堆積，降低中心部位刀具的工作負擔。

（2）刀盤正表面布置CAT特種耐磨合金板，側面布置鑲嵌式耐磨合金條；刀盤布置7個渣土改良注入口，均采用單管單泵的形式；刀盤的耐磨性主要通過兩個方面進行控制，一是主體耐磨材料的選擇，二是通過有效的渣土改良系統對土體進行改良，降低其磨損性。

（3）刀盤主驅動為6臺200 kW水冷變頻電機，刀盤額定扭矩6 300 kNm，額定扭矩轉速范圍0～1.8 r/min，最高轉速3.2轉；脫困扭矩8 300 kNm；在應對該區間的大粒徑卵漂石地層，刀盤動力儲備更足、極限扭矩高、主軸大、扭矩強；在遇到地層突變，扭矩劇烈變化時，刀盤不會出現變形，刀盤開挖系統可靠性高。變頻電機驅動具有提供剛性扭矩大，極限扭矩高、低能耗、設備高效、工作環境好（噪音小、溫度低），故障低、維修少、檢修方便和減少消耗物資等優勢。

（4）螺旋輸送機內徑850 mm，最大通過粒徑300 mm（直徑）×500 mm（長度）；最大推進速度200 mm/min。更高的推進速度使盾構具備快速通過惡劣地層的能力，降低單位時間內刀盤對單位長度內土體的擾動，有效降低上方巖層塌落，減小地面沉降。

4 掘進中遇到的困難

基于該項目具有蘭州地區地鐵施工以來所面臨的最困難的地質條件，遼寧三三盾構機又是第一次在蘭州地區使用。因此，項目組根據蘭州地區以往盾構機的掘進經驗，采用在以往標段中已經成熟的半倉欠壓掘進法進行施工。其主要表現為：

（1）根據過往蘭州地鐵掘進經驗，刀盤轉速應控制在1 r/min左右，以避免對土體擾動過大，造成上方土體沉降。

（2）刀盤土艙應保持半倉狀態，并對刀盤周邊注入膨潤土，以減小刀盤扭矩，避免刀盤卡死；然而，在掘進初期，盾構機頻繁遭遇螺旋機卡死，推進困難，地面沉降過大等問題。區間左線最長的脫困周期超過25 d。

5 問題分析及解決方案

針對以上問題，項目領導及工區盾構施工管理人員詳細分析討論，并提出了相應的解決方案：

（1）該區間卵漂石粒徑較大，最大粒徑超過刀盤及螺旋機通過粒徑，需要對其進行破碎，然后排出。如果采用1 r/min左右的刀盤轉速，則滾刀無法形成有效的貫入度對大粒徑的漂石進行破碎，從而導致大粒徑漂石在刀盤前方堆積過多滯倉，最終造成刀盤卡死。遼寧三三盾構機刀盤驅動功率配置較高，其扭矩轉速比有較大的富余量，在1.76 r/min的高轉速時，仍能提供6 300 kNm的額定扭矩，因此，應將刀盤轉速提高至1.7 r/min，刀盤扭矩保持在3 500～4 800 kNm范圍內。利用刀盤高轉速對刀盤前方的大粒徑漂石進行破碎，從而避免漂石的堆積，解決刀盤卡死的問題。

（2）該區間地層自穩性差，卵石之間無膠結。采用半倉掘進，容易造成上方土體塌落，從而導致地面產生較大沉降。應充分利用遼寧三三盾構機扭矩富余量較大的優勢，采取滿倉方式進行掘進，并嚴格控制出碴量，減小甚至消除上方土體塌落空間，從而有效控制地面沉降。在采用以上應對措施后，盾構機掘進順利，刀盤卡死現象未曾出現。并且，隨著刀盤轉速的提高，漂石破碎效果顯著，掘進速度也得以大幅提高。

6 盾構機選型及參數選擇建議

蘭州地鐵一號線世紀大道站-中間風井區間左線采用盾構法掘進的成功經驗，對于日后在類似地層下采用盾構法施工中的盾構選型及掘進參數的選擇有一定的指導意義。從對世紀大道站-中間風井區間左線完成的過程分析，對于高富水、大粒徑、無膠結、高強度的卵石地層中盾構的選型，建議從以下幾個方面入手。

（1）刀盤驅動功率。在該區間中刀盤功率配置的富余量是成功貫通的關鍵。在大粒徑高強度的卵漂石地層中，要著重注意對超過刀盤及螺旋輸送機通過粒徑的漂石的破碎，避免其在刀盤前方堆積過多。

（2）刀具的優化。滾刀在無膠結地層中工況較差，松散的土體無法為滾刀提供足夠的啟動扭矩，造成刀具在切削過程中無法有效滾動，從而造成偏磨。因此，針對不同地層，需合理的設置滾刀啟動扭矩。

（3）刀盤結構與布置。在大粒徑卵石地層中掘進，刀盤扭矩始終在4 500～5 500 kNm內波動，瞬時最高扭矩達到7 000 kNm，因此，刀盤需具有較高的整體結構強度。另外，卵漂石單軸抗壓強度較高，對刀盤及刀具的磨損性較高，因此對刀盤正表面及邊緣的耐磨性也提出更高的要求，避免刀盤在掘進過程中提前破損，影響施工進度。

（4）推進速度。在類似地層中掘進，保持一個較高的推進速度會對其他幾個關鍵參數帶來巨大的正面影響。掘進速度越高，單環的掘進時間越短，掘進必需的油脂等消耗品的使用量也越小。在本區間中，單桶HBW最多可支持30環以上的掘進。另外，掘進速度的提高也可大幅提高刀具的使用壽命，在本區間中的換刀距離最高為546 m。蘭州地鐵一號線世紀大道站-中間風井區間左線地層較為特殊，特別是在高埋深強富水條件下需要帶壓進倉。在蘭州地鐵建設中成功解決砂卵石地層的經典案例較多，理念多有不同，此處僅通過介紹蘭州地鐵一號線世紀大道站-中間風井區間左線的掘進施工情況，為業內同仁在遇到高埋深強富水大粒徑卵石時提供參考。

7 結語

在蘭州地鐵 1 號線施工過程中，根據地質條件的變化及盾構掘進狀態，實時調整刀盤轉速和螺旋機轉速，對大粒徑卵石進行破碎并快速排出，有效改善了因為漂石堆積導致刀盤卡死現象的發生，提高掘進效率。在自穩性差的卵石地層中應采用滿倉掘進，嚴格控制出渣量，消除了掌子面坍塌的風險，有效地控制了地面沉降。該工程的實施經驗對高富水大粒徑砂卵石地層的盾構施工具有較好的借鑒意義，拓展了土壓平衡盾構的適用范圍。