淺覆土上卵石下泥巖地層盾構掘進控制技術研究

郭明華

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100124)

1 引言

隨著我國盾構施工技術的發展，在不同地質條件下有著不同的施工技術方法與措施，盾構施工技術目前已相當成熟，但對于淺覆土上軟下硬地層盾構施工，可參考使用的技術并不多見。本文主要根據成都地鐵6號線土建某標段的地質特點，有針對性地對土壓平衡盾構在淺覆土上卵石下泥巖地層盾構掘進的控制進行分析和總結，并為以后類似工程地質條件下的盾構施工提供技術參考。

2 工程概況

成都地鐵6號線土建某標段出入線，單線總里程1 274.725 m。線路自車站端明挖區間端頭井始發，以350 m曲線半徑下穿城市主干道之后，進入湖區洼地，并在洼地中穿越湖中非機動車行橋以及高速路匝道，其后以與繞城高速大致平行的方向在湖區內向西順次穿越湖區、河道、客運鐵路線等重特大風險源點，最終以250 m曲線半徑拐入車輛段接收井，見圖1。

圖1 成都地鐵6號線某標段出入線線路

根據地質詳勘資料顯示，地層中黏土、泥巖均具弱膨脹性。在實際施工中，隧道最低點位于單一中風化泥巖地層，其余約三分之二線路全部位于上部卵石下部泥巖的復合地層中，在該復合地層段隧道平均埋深在8.8～14.5 m，且大部分隧道位于湖區下方。

湖區內從上往下依次是雜填土、素填土、黏土、粉質黏土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實卵石、強風化泥巖和中風化泥巖。地質組成較復雜，隧道斷面內地下水豐富，透水性較強，見圖2。

圖2 成都地鐵6號線某標段地質斷面圖

3 施工中遇到的困難

3.1 覆土淺，保壓困難

地勘資料顯示該區段隧道埋深約8～13 m，隧道上部覆蓋有1～4.5 m雜填土，1～3.5 m素填土和5 m左右的卵石層，其中雜填土和素填土層是人為換填土，較松散，透水性強，氣密性差。掘進過程中，掌子面不能有效保壓，地面易出現冒泡沫冒泥漿的現象，并進一步造成推進時渣土改良效果不佳，出渣不暢，嚴重時造成地面塌陷。

3.2 上卵石下泥巖地層卵石自穩性差，推進困難

該區域隧道斷面內上部為卵石層，下部為泥巖層。卵石層卵石含量大于70%，粒徑2～20 cm，局部含漂石，分選性差，層厚5.2～16.8 m，卵石強度42～102 MPa。該層長期在湖水與地下水的滲透沖刷作用下，細顆粒流失，孔隙率大，十分松散，無整體強度，受擾動后極易剝落。施工過程中多次出現推進拼裝轉換過程中掌子面土體持續剝落，直至土倉完全充實填滿的現象。泥巖層主要為強風化和中風化泥巖，泥巖強度在8～20 MPa不等，泥巖層整體強度高，自穩性強，地層中的黏土、泥巖均具弱膨脹性。

由于上部卵石層自穩性差，而下部泥巖層自穩性非常好，兩種地質條件的自穩性差別太大，導致盾構機在推進過程中掘進速度不穩定。

3.3 渣土改良困難

本區段推進過程中，渣土改良主要通過注入泡沫劑、膨潤土和水的方式進行，但改良效果不佳。由于地層中渣土受擾動后剝落速度較快，渣土在土倉內無法充分攪拌，泡沫劑和膨潤土不能與切削下來的卵石和泥巖塊充分混合，渣土從螺旋機排出時則呈現卵石與渣土分離和間歇性噴涌的狀態。即渣土和卵石分段排出，有時集中出泥巖，有時集中出卵石，有時集中噴涌，噴涌時涌出的泥漿內攜帶有細沙、卵石和泥巖塊。

4 原因分析

上卵石下泥巖地層中盾構機掘進，出現上述諸多問題，經過多次開倉檢查以及后期分析總結，我們認為該區段推進困難的主要原因有以下幾個方面:

(1)該區段復合地層中上部卵石松散自穩性差，地層中地下水徑流速度過快，渣土改良用膨潤土漿液又不能起到良好的支撐作用是造成塌方和推進困難的主要原因[1]。

①上部卵石具有直徑大、強度高、自穩性差等特點，施工中面臨卵石大面積剝落、刀盤扭矩過大和掘進效率低等問題。

②地下水含量豐富且水壓較大，螺旋機容易發生噴涌，同時在壓力作用下對卵石層上部的回填土層形成動態沖刷，地面黏土層被破壞，進一步導致地面擊穿，掌子面失壓。

③在上卵石下泥巖地層進行盾構掘進，推力和扭矩變化較大，盾構機較難控制，同時上部卵石自穩性差，下部泥巖層自穩性好，在掘進時形成較大的理論空隙，地層中的卵石在地下水和刀盤轉動的作用下向這些空隙內填塞，加大了上部松散卵石層的土體損失，加劇了地面沉降，見圖3。

圖3 盾構刀盤間隙填滿卵石

(2)掌子面剝落的卵石與切碎的泥巖塊混合黏結在一起，形成膠結狀板塊，堆積在開挖倉扭腿中間和螺旋機出口兩側，見圖4，阻礙了渣土流動，堵塞了出渣通道，造成開挖艙內兩側渣土出渣不暢，正面渣土不能進入開挖倉，也導致了速度不能迅速提升。

圖4 盾構刀盤間隙填滿膠結狀板塊

地層中剝落的卵石夾在泥巖面與刀盤面板之間形成阻隔，見圖5，推力通過刀盤面板傳遞給卵石，再通過卵石傳遞到泥巖面上。這種隔斷作用使得刀盤面板上的刀具不能有效切削泥巖面，刀盤只能在原地旋轉，直至卵石被擠壓碎或擠壓進泥巖層里面，刀具切削到泥巖面，推進速度方有起色[2]。

圖5 泥巖面與刀盤面板之間形成的阻隔

5 采取的措施及其成效

5.1 改良并動態調整膨潤土漿液，保證泥膜效果

在停機期間向土倉內注入膨化好的膨潤土漿液，且注入氣體加壓，建立泥膜并盡量使泥膜擴散滲透至更深遠處，通過該方式減少隧道上方卵石的剝落量，提高推進速度[3]。

經過不斷試驗表明，調整膨潤土的發酵時間及黏稠度，在每環掘進完成后及時向土倉內注入5～7 m3發酵至少24 h以上的黏稠度為60 s的膨潤土，以使土體達到良好的流塑狀態。使用膨潤土漿液可有效滲入到砂卵石地層中，形成較厚的泥膜，減少超排量，螺旋輸送機出土時，膨潤土漿液會包裹著卵石出來[4]。

5.2 半土壓半泥水壓模式保壓掘進

由于本區間覆土較淺，隧道上部能起保壓作用的回填土和黏土層厚度較薄，因此保壓推進時壓力不能太高，否則地面易擊穿[5]。綜合評判之后選用“半土壓半泥水”模式保壓掘進，即開挖倉上部1/3為膨潤土漿液形成的“泥水壓”，下半部2/3為實土壓。泥水壓和實土壓均通過壓力計讀取并判斷，每一環都需要根據出渣中的卵石含量進行動態調整[6]。

5.3 增加高壓水沖洗措施

在原有泡沫管路和膨潤土管路不變的前提下，在盾構機中隔板靠近螺旋機兩側的位置，額外增加兩路供水管，向土倉內供水。為保證達到沖洗效果，在管路上安裝增壓水泵，以提高沖洗水壓，減輕螺旋機兩側的板結情況。

為便于操控，由技術人員在控制室內安裝遠程控制旋鈕，以便司機在推進過程中可根據出渣口的渣土改良情況，實時控制開關水及加水量。實踐表明，通過改進后，一方面渣土改良效果有明顯的改善；另一方面主動補水后，也在一定程度上減少了出渣時帶走的地下水量，降低了超排量。

上述改進雖解決了膨潤土漿液帶來的噴涌帶渣問題，渣土改良情況也較增加水泵前流塑性更好，但是推進過程中速度仍然不穩定，超排情況雖有所降低但仍不能良好控制。同時操控起來對司機的精準判斷要求也極高，水加多則噴涌，水加少則板結。

5.4 嚴格控制土壓波動

由于上部砂卵石較松散，雖然制作了泥膜，但是在推進中土壓力波動過大，會破壞泥膜，造成掌子面上的砂卵石脫落。為降低壓力波動對地層的影響，在推進控制過程中，頂部土壓力波動必須保持平衡穩定，其波動值不能超過0.2 bar，超過0.2 bar的波動，會對卵石層內的地下水形成較大沖擊，同時會對上部黏土層形成沖刷，造成細顆粒流失增加，進而造成塌方。

5.5 上卵石下泥巖地層中盾構機快速連續掘進技術參數

上卵石下泥巖地層中盾構機掘進，泥膜是有時效性的，必須連續快速掘進。首先，要保證設備的完好率，減少故障發生；其次，減少工序銜接的時間，形成連續掘進；最后，在推進過程中，思想要高度集中，嚴格控制各項掘進參數，連續掘進[7]。一般情況下，這種地層的掘進主要參數如下:刀盤轉速在1.0～1.5 r/min，推力在 1 100～1 500 t，扭矩在3 500～5 000 kN˙m，推進速度在30～50 mm/min，上土壓在0.6～0.8 bar。

5.6 嚴格控制出渣量保壓推進

為防止地面沉降或塌陷，試驗在控制出渣量的前提下保壓掘進的操作模式。操作過程中按如下要點進行控制:

(1)嚴格控制出渣量

出渣量控制以掘進進尺為準，按每進尺5 cm為一個控制段，嚴格核算出渣量與進尺的差值。當出渣量超出進尺5 cm的理論量時，調整螺旋機轉速降低出渣速度，使得進尺與出渣量匹配[8]。在出渣量超出掘進進尺10 cm的理論量時，則停止掘進，視情況向艙內注入膨潤土漿液或惰性砂漿進行補充，其后再恢復掘進。

(2)嚴格控制土倉壓力

掘進時控制頂部壓力波動不大于0.2 bar。掘進完成后，以向土倉內注入60 s黏稠的膨潤土漿液且加氣的方式，保證掌子面壓力在停機轉換工序期間保持穩定[9]。

該方法下可控制不超排，推進速度基本能控制在30～50 mm/min。推進過程中司機需同時觀察土壓、推力、扭矩、出渣量及渣土改良情況的實時變化，并綜合上述變化決定參數調整項和調整幅度，以保證掘進順利進行。按該方法操作時，要保證渣土改良的效果，確保螺旋機排出來的渣土保持液態的流塑狀，否則刀盤中心區和面板上會在很短的時間內結滿泥餅，且必須開倉作業才能處理。

6 初步結論及建議

經過多次試驗后，最后決定在本區間復合地層范圍內綜合采取如下解決措施:

(1)對有條件能夠提前加固的區域以及重點風險源點，使用WSS工法進行地面注漿加固。

(2)推進完成后，由盾構機司機根據上一環掘進過程中出現的卵石量判斷向艙內注入60 s黏稠膨潤土漿液的具體方量[10]。其判斷標準為:當目測可見卵石集中出現抱團或成堆時，就必須在停機時注入膨潤土漿液，一般為5～7 m3。

(3)工序轉換過程中或停機過程中交替使用注入60 s黏稠膨潤土漿液且加氣的方式，持續保壓。

(4)推進過程中采取保壓并控制壓力波動和出土量的推進手法控制推進[11]。

(5)在不超排的情況下，推進速度控制在30～50 mm/min之間，速度不宜太快。

(6)由于地層中含有部分砂卵石，刀盤轉速不宜太快，防止擾動，刀盤轉速一般控制在1.0～1.5 r/min。

(7)推進過程中動態調整中心和螺旋機兩側加水沖洗，確保渣土改良的效果，防止結泥餅。如出現渣土改良效果不佳的情況，則停止推進并通過注入膨潤土的方式對艙內土體進行改良，直至改良情況達到要求再恢復掘進[12]。

經過不斷試驗有效地在上卵石下泥巖地層中進行推進，基本能夠達到連續快速掘進，在具體操作時，對整個操作過程要求較高，建議如下:

本區間最后采取的綜合控制方式，可達到控制超排和保證連續推進作業的目標，但對壓力波動控制和渣土改良的要求極高，控制不好就有結泥餅和卡刀盤的施工風險，在控制過程中需由司機根據實時情況和盾構機上各個掘進參數的實時變化進行動態判斷。

使用膨潤土漿液建立泥膜保壓時，膨潤土配比和注入量需根據地層中水量變化和卵石量變化進行動態調整。

地面注漿加固可有效解決上卵石下泥巖復合地層中，卵石剝落與結泥餅之間的平衡問題，但受到地面環境及施工成本的限制，不能在全區間實施。

7 結束語

通過在本區間對盾構機在上卵石下泥巖的復合地層中不同推進控制方式下的推進試驗總結，一方面給出了在該地層條件下一種可行的盾構掘進控制方法，另一方面也初步得出了如下結論:

在復合地層中掘進時，盾構機控制參數的設定應首先考慮不良地層，如本區間的卵石層，其后再考慮其他地層。且該綜合參數的設定應按照復合地層中各個地層的比例不同，以近似差比法的方式設定和調整，并應較大幅度地偏向于不良地質層。

本區間的掘進實踐也再次證明了，盾構機掘進參數的設定必須以盾構機的基本壓力平衡原理為基礎進行展開，凡是脫離了這個基本原理進行的參數設定，都不可避免地會出現這樣或那樣的問題，盾構機司機必須完全掌握這個原理。

因此，在上卵石下泥巖地層中采用這種方式掘進，可有效防止地面塌陷，能夠快速連續地進行掘進。