典型粉砂地層盾構選型及施工參數研究

周祥春

摘 ? ?要：當今地下空間的開發成為解決城市地面空間資源日益匱乏的重要方法，而地鐵作為地下空間開發方面解決城市地面交通日益擁堵現象的良藥，近年來一直為以公共交通導向型開發（TOD發展模式）所推崇，使得城市交通功能得到加強。盾構法作為作為地鐵區間隧道廣泛采用的工法，已廣泛的應用到地鐵建設工程實踐中，鑒于地下工程地質水文條件及工程周邊環境，盾構選型、施工掘進參數合適與否將直接影響到工程安全、質量。針對杭州8號線一期工程所處錢塘江兩岸所遇的特殊復雜工程條件，結合盾構選型的原則與方法提出適用于砂層盾構機型、配置特殊技術、施工掘進參數。

關鍵詞：選型，粉砂，參數

1 ? 前言

杭州地鐵8號線一期工程起于文海南路站，出站后沿2號大街鋪設，穿越錢塘江及其堤壩，上南岸線路通過規劃綠地折向河景路，沿道路東行，在大江東新城核心區西側偏離河景路，穿過核心區后再次折回河景路東行，至工程終點新灣路站。

2 ? 工程及水文地質簡介

工程所在沿線地形平坦，屬典型的沖海積平原地貌單元，填土、砂質粉土、粉砂、淤泥質土，其中淤泥質土層為儲氣層，富含沼氣。地鐵區間隧道底位于12m～27m之間，粉砂層底板深度約18～22m，其滲透系數為10-5m/s，盾構隧道不可繞避的穿越粉砂性土層，地表主要分布有地表水和潛水，由于粉砂層較厚沿線河道較多，造成地下水補給較快，在該地質條件下盾構始發、接收、掘進過程均存在涌水涌砂的風險，對盾構施工較為不利。

3 ? 盾構選型原則和步驟

3.1 ?選型原則

盾構選型主要從安全性、對地層適應性、經濟性、技術先進性等幾個方面綜合考慮，

盡量減少輔助工法及工序，并確保開挖面穩定和快速掘進，總原則是安全性第一，以確保盾構法施工的安全性，適應地層能提高盾構設備較為穩定的運轉，繼而在安全可靠又穩定運行的前提下，在考慮盾構機攤銷費用，即經濟性的前提下采用先進技術。

沿線的地質條件較為平緩起伏不大的情況下，在選則盾構機型時應兼顧具有特殊性的地層的影響，還要滿足區間隧道長度、外徑、埋深、施工場地、周圍環境等影響條件，同時后配套與主機匹配的前提下應具有結構形式簡單、布置合理和易于維護保養的特點。

3.2 ?盾構選型步驟

盾構機根據工作方式和出渣方法分為泥水氣壓平衡盾構和土壓平衡盾構，地層的滲透系數小于10-7m/s時，通常選用土壓平衡盾構;當地層的滲透系數在10-7～10-4m/s之間，兩者均可選用;當地層的透水系數大于10-4m/s時，應優先選用泥水盾構。

土壓平衡盾構刀盤切削下來的土體，經過土倉底部通道，由螺旋輸送機旋轉輸出，在螺旋輸送機內形成壓力梯降，來保持土倉壓力穩定，使開挖面土層處于穩定，控制地面沉降，故從地對地層適應性角度，土壓平衡盾構主要適用于粉土、粉質黏土、黏土、淤泥質粉土、粉砂層等黏稠土壤的施工。結合大量的施工案例，當地層范圍粉粒、黏粒的的總量達到40%及以上時，宜選用土壓平衡盾構，而當水壓大于0.3MPa時，螺旋輸送機難以形成有效的土壓下降，螺旋噴涌的風險增大，為確保開挖面的穩定，宜采用泥水盾構，如因地質原因需采用土壓平衡盾構，需對盾構機設備進行特殊改造，增大螺旋輸送機的長度或采用一級螺旋輸送機或采用保壓泵，同時后配套應相應的調整，整機費用將增加。

本工程盾構隧道穿越區域主要為富水粉砂層及淤泥質土層，滲透系數介于10-3～10—8m/s，其顆粒組成0.075～0.005之間占比為28.5～72.2%，受到周邊可用場地條件的限值，選用土壓平衡盾構，需通過向土倉內及刀盤面板注入膨潤土、泡沫劑并均勻攪拌改善渣土性能，使得改良后的土體具有較好和易性能較好的傳遞土壓在螺旋輸送機內形成壓力梯度，同時降低涌水流砂和發生噴涌的風險。工程區間隧道平均線路長度約1.7km，考慮到長距離掘進，刀盤和刀具易磨損區域應采用耐磨材料，盾構機設計時應進行專項的耐磨設計，并配備磨損檢測裝置。

4 ? 施工參數

富水粉砂地層自穩性差，盾構掘進刀盤切削土體形成渣土，渣土充滿土倉，使得土倉維持一定壓力并與掌子面水土壓力平衡來穩定開挖面，該掘進模式主要通過控制盾構掘進速度、千斤頂推力和螺旋輸送機的出渣量共同產生壓力，并通過測量土倉壓力來隨時調整、控制推進速度、頂推力和螺旋機轉速，保持既定的掘進效率。

應預估每環的出渣量，控制土倉內的渣土量，保證土倉壓力值，同時改良土體，降低滲水量，實時監測土倉壓力，避免土倉內渣土過稀而發生噴涌。掘進中要嚴格控制出渣量，加強巡檢，如有異常應停機保壓排查，同時要加大盾尾油脂的注入量并密切觀測壓力，避免堵管，并防止盾尾被擊穿或鉸接密封處滲水。

此地層掘進除受到隧道下穿范圍地層影響外，外圍高水壓的影響。應采用土壓平衡模式掘進。下穿河道前，要對設備進行全面的檢查和保養，保證設備的完好，特別是盾尾密封、鉸接密封、刀具的完好。掘進時要盡量降低對地層的擾動，防止土倉與水系的直接連通，加泡沫或高分子聚合物增加對地層的止水性，確保盾尾密封效果，通過調整漿液配合比，提高漿液的凝固速度。

4.1 ?各掘進參數的相對關系

遵照選型原則選擇與地層相適應的盾構機型，不可忽視掘進參數的優化調整，參數選擇得當與否，關系到地表沉降的有效控制、盾構機工作狀態可靠與否、刀具及配套機械設備的損耗大小。在掘進中起主要調節作用的參數為：油缸推力、刀盤轉速、刀盤扭矩、土倉壓力、螺旋輸送機轉速，刀盤轉速及油缸推力可以調節土倉壓力、切削速度，調節切削的渣土量，螺旋輸送機轉速可以調節出渣速度，同時又影響這刀盤扭矩、掘進速度。在掘進中，需要結合地質情況對這些參數進行綜合觀測，通過適當調節確保工程的順利推進。

4.2 ?粉砂層中掘進參數參考表

5 ?結束語

盾構機作為地下工程隧道施工高度自動化的專用機械設備，選型合理與否直接關系到工程風險、質量、成本，需綜合考慮，規避風險。既涉及到工程所處的水文和地質條件，又與地面環境條件、隧道結構設計、盾構機本身的部件配置密切相關，本文通過對典型粉砂地層盾構選型較重要的三方面滲透性、顆徑、水壓進行分析，同時結合施工過程中推力、扭矩、出土量、同步注漿量、土倉壓力等掘進參數的分析給出施工參數建議值，為盾構選型和施工參數選擇提供參考建議。

參考文獻：

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