大漂石高富水地層土壓平衡盾構施工控制策略

趙旭偉

(1. 中鐵上海設計院集團有限公司，200070，上海；2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，610031，成都 ∥ 高級工程師)

卵漂石是指一種以漂石、卵石、礫石為主，含有砂土及少量黏性土的松散粗碎屑堆積物。我國沖積層與洪積層地區，以及江河沿岸廣泛分布砂卵石地層和卵漂石地層，如成都市域全境，沈陽、北京市域大部，蘭州、廣州、武漢、南京、深圳市域局部。

卵漂石地層具有離散性、強透水性、高磨耗性等特點，盾構施工時易出現掘進失控(如開挖面失穩、地面塌陷、盾構機“卡死”)、機具磨損失效(如刀具磨損、螺旋輸送機主軸斷裂)等現象，這將會誘發重大工程事故。因此，極有必要開展卵漂石地層盾構施工控制研究[1]。

成都地鐵4號線穿越大漂石高富水地層，施工過程中出現了多起地面塌陷、盾構機卡死等事故。針對此類問題，文獻[2]以成都地鐵1號線為背景，從地質、設備選型和施工工藝等方面分析了地層坍塌的原因。文獻[3]建立了考慮刀盤切削土體的刀盤扭矩計算方法，并通過室內試驗對計算方法進行了驗證。文獻[4]在分析影響盾構刀盤扭矩因素的基礎上，提出了考慮渣土改良劑和土艙內外壓力差的刀盤扭矩計算方法。文獻[5]考慮進出土平衡關系，建立了螺旋輸送機轉速的計算方法來控制地表變形。文獻[6]對成都砂卵石地層不同邊界條件下的地表沉降規律做了系統研究。

成都地鐵4號線穿越地層相較于成都地鐵1號線漂石含量更高、粒徑更大，室內模型試驗難以模擬原狀土層的性質[7]，因此，大漂石地層盾構施工控制有待進一步研究。本文以成都地鐵4號線某區間為試驗段，對土壓平衡盾構施工過程中出現的典型問題進行了研究，結合現場試驗提出大漂石地層盾構施工控制策略，以期對類似地層盾構施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

成都地鐵4號線主要穿越全新統沖積層Q4和上更新統Q3。第四系全新統Q4〈2-9〉和上更新統Q3〈3-8〉卵石土中水量較豐富，主要為具微承壓性的孔隙潛水。全新統沖積層Q4主要由灰色砂及砂礫卵石構成，上更新統Q3由卵石土夾粉細砂構成，且局部地段漂石富集。試驗段地下水主要為孔隙潛水，賦存于砂、卵石土中，地層滲透系數大，含水量豐富，含水層總厚度大于30 m，其補給源主要為大氣降水，區間水位埋深為5.6～8.0 m。試驗段主要穿越〈2-9-2〉和〈3-8-3〉層卵石土。

根據試驗段漂石強度統計結果，漂石天然密度為2.7 g/cm3；漂石天然抗壓強度為40～200 MPa，個別達到299 MPa。由于漂石單體抗壓強度高、分布離散、破碎難度大，因此施工過程中易出現刀盤“卡死”、刀具磨損嚴重或滾刀崩裂等現象。根據地勘報告，卵漂石地層內摩擦角較大，達到35°～40°，且滲透性較強。由于卵漂石內摩擦角大且缺少細顆粒，在富水條件下渣土流動性差，改良難度大。試驗段地層顆粒級配曲線呈斜L型分布，卵漂石含量為70%～90%，其余為圓礫、砂充填；顆粒級配曲線不均勻系數Cu=152.4，曲率系數Cc=30.3；整個土層細顆粒含量較少，土層級配不良，渣土改良難度大。圖1為土壓平衡盾構推進過程中開倉取出的大漂石。

圖1 試驗段大粒徑漂石

1.2 漂石分布特征

為了保證施工安全及施工效率，施工前沿線路縱向布置了8個探坑,以詳細了解線路沿線地質情況。圖2為試驗段探坑典型斷面圖。

圖2 試驗段探坑典型斷面圖

1.2.1 隧道穿越段沿線路走向漂石分布特征

隧道埋深主要集中在10～20 m范圍內。結合現場勘測資料，采用漂石和其他土顆粒體積之比描述漂石的分布特征。從整體上來看，由西向東漂石含量具有越來越低的特征。

1.2.2 隧道穿越段沿線路走向最大粒徑漂石分布特征

根據現場勘察揭示，最大漂石粒徑沿線路縱向呈波浪形變化趨勢，漂石分布具有不均勻性、隨機性的特性，漂石粒徑大多為35～40 cm，最大漂石粒徑達110 cm，這對盾構選型及施工安全提出了諸多挑戰。

1.2.3 隧道穿越段沿線路深度方向漂石分布特征

漂石主要集中在地面下10～20 m。在隧道穿越區段，漂石粒徑大多為30～40 cm，占總量的70%～90%；粒徑大于40 cm的漂石較少，占總量的3%～7%。這無疑增加了施工難度。

2 大漂石高富水地層盾構施工典型問題

2.1 漂石粒徑大、強度高、含量高是施工過程易卡機的直接原因

試驗段盾構穿越地層卵漂石含量一般為70%～90%，漂石粒徑主要集中在30～40 cm范圍內，最大粒徑達110 cm；漂石平均抗壓強度為180 MPa，個別漂石抗壓強度達到299 MPa。這種大粒徑、高強度漂石卡在刀盤開口處不能順利進入土艙，且隨著刀盤轉動而不能被破碎，盾構掘進過程中容易造成刀盤扭矩加大，甚至導致刀盤無法轉動，從而出現卡機故障(見圖3 a))，更甚者由于大漂石不能及時排除而造成螺旋輸送機主軸斷裂(見圖3 b))；盾構施工中由于停機時間長，在富水環境下松散的土體顆粒變得密實，會使刀盤扭矩進一步加大造成盾構“卡死”；另外，渣土改良失效，刀盤轉動困難也是刀盤“卡死”故障的原因之一。

圖3 土壓平衡盾構故障

2.2 漂石強度高及渣土改良效果差是刀具磨損嚴重的主要誘因

圖4為盾構施工過程中更換下的刀具。由于漂石的抗壓強度較高、粒徑較大且細顆粒含量較少，大漂石區段渣土改良一直處于嘗試階段，渣土改良效果較差，刀具磨損嚴重。圖5為盾構施工現場排出的渣土。

圖4 盾構施工過程中更換下的刀具

圖5 盾構施工現場排出的渣土

2.3 施工過程易超挖是造成地面塌陷的直接因素

超挖量ΔV是盾構掘進過程中每環實際出土量Vr與理論出土量Vth的差值。Vth計算時考慮刀盤轉動導致土體顆粒松散的松散系數。則有：

ΔV=Vr-Vth

(1)

(2)

式中:

D1——隧道開挖直徑，m;

D2——隧道設計直徑，m；

η——土體顆粒的松散系數，卵石土取1.2；

L——管片寬度，取1.5 m。

結合現場施工統計了試驗段左、右線640環的出土情況。結果顯示，卵漂石地層盾構施工超挖量較大，左線每環最大超挖量為49 m3，右線每環最大超挖量高達80 m3，證明卵漂石地層盾構掘進過程中出土量控制較為困難。由于施工控制難度較大，施工過程中地面多次發生較大變形，甚至塌陷，通常采用地面補填混凝土和砂的辦法解決，局部地段補填體積高達幾百立方。這不僅嚴重影響了施工文明，且增加了施工工期與成本。圖6為成都地鐵某區段盾構施工過程中地面坍塌的典型情況。

圖6 成都地鐵某區段盾構施工引起的地面坍塌

另外，卡機脫困清艙導致渣土涌入，渣土中的大漂石因不能被破碎而進入土艙，并隨著盾構推進在刀盤前方轉動。其中漂石含量分布的差異性和隨機性也會導致盾構施工參數控制困難，進而超挖造成出土過量，并引起地面塌陷。

從施工環境看，雖然卵漂石地層中土體顆粒之間的咬合作用具有成拱能力，但富水地層受擾動后細顆粒被帶走，顆粒膠結作用減弱，在刀盤切削擾動后，土拱穩定性減弱，也會造成地面較大滯后變形。

3 大漂石高富水地層盾構施工控制策略

要解決大漂石高富水地層盾構施工過程中面臨的“卡”、“磨”、“塌”等問題，關鍵要從施工機械和施工參數兩方面入手進行控制。合理選擇施工機械可以從源頭上有效控制施工過程中刀盤易卡、刀具易磨的問題，合理選擇施工參數可以有效控制施工過程中地面易塌陷的問題。

3.1 盾構機選型

試驗段左線采用海瑞克盾構機，刀盤開口率為36%；右線采用遼寧三三盾構機，刀盤開口率為34%。這兩種盾構機均為復合式刀盤，螺旋輸送機直徑和最大排渣粒徑基本相同。最大的區別主要體現在盾構機的動力配置上，海瑞克盾構機的額定扭矩為6 228 kNm，脫困扭矩為7 447 kNm；遼寧三三盾構機的額定扭矩為 6 850 kNm，脫困扭矩為8 320 kNm。

從現場施工情況來看，初步施工階段右線盾構卡機次數和超挖量相較于左線要少。圖7為施工穩定后第400環至第600環左、右線超挖統計結果。由圖7可知，右線超挖量明顯少于左線。經試驗統計，盾構機在大漂石高富水地層中掘進的平均扭矩約為 6 000 kNm, 平均脫困扭矩大于7 300 kNm。考慮1.1倍的儲備系數，建議大漂石地層中盾構施工采用動力配置較高的復合式盾構機，即額定扭矩大于6 600 kNm，脫困扭矩大于8 030 kNm。

圖7 試驗段左、右線施工穩定時超挖量對比圖

3.2 超挖量控制

文獻[8-9]推薦將水土壓力與波動壓力之和作為土艙壓力的設定值，建議波動壓力取0.01 MPa。文獻[10]在總結歐洲多個工程案例的基礎上，認為波動壓力取 0.02 MPa較為合適。文獻[11]采用將土艙壓力pt與開挖面靜止水土壓力p0之差Δp控制在0.03 MPa的范圍來控制超挖，即：

Δp=|pt-p0|≤0.03 MPa

(3)

p0=pz+pw

(4)

式中：

pz——開挖面靜止土壓力，MPa；

pw——開挖面靜止水壓力，MPa。

假設Δp和超挖率β間滿足線性關系，即：

β=αΔp

(5)

式中：

α——斜率系數，α=50/E，E為盾構穿越地層的變形模量。

計算中，Δp取 0.03 MPa，E加權平均后的量綱一的量值為45，代入式(5)得到β為3.3%，即每環超挖量控制在0.995 7 m3左右。

圖8為盾構施工第480環至第640環范圍時的推薦超挖率與實際超挖率對比直方圖。由圖8可知，推薦超挖率與第480環后現場施工參數控制下的實際超挖率基本吻合，從而驗證了該計算結果的合理性。

圖8 推薦超挖率與實際超挖率對比直方圖

圖9為控制超挖后的現場地表補填混凝土情況。從現場施工效果來看，由于施工過程中超挖的合理控制，第469環后約160環掘進范圍內地表基本未進行補填，這也說明了合理控制超挖對控制地層變形具有良好的作用。

圖9 控制超挖率后施工效果

4 結論

1) 盾構穿越大漂石高富水地層容易造成“卡機”，渣土改良效果差是刀具磨損嚴重的主因，盾構脫困過程中出土量較難控制是地面塌陷的主因。

2) 建議大漂石地層盾構施工采用動力配置較高的復合式盾構機，即額定扭矩大于6 600 kNm，脫困扭矩大于8 030 kNm。

3) 建議大漂石地層盾構刀盤開口率不小于33%，盾構施工過程中每環超挖率控制在3.3%左右。