填海区富水砂层下覆基岩混合断面盾构施工技术

王朝义

(中国中铁六局集团有限公司，北京 100036)

填海区富水砂层下覆基岩混合断面盾构施工技术

王朝义

(中国中铁六局集团有限公司，北京 100036)

结合深圳地铁2号线工程实例，详细介绍了填海区地铁盾构通过高强度基岩地质区域的施工技术，对盾构掘进过程中遇到基岩地层加固、开仓换刀、盾构掘进等处理措施进行了全面阐述。采用洞内、地面注浆加固，完成常压进仓进行刀具检查更换。盾构过基岩隆起区合理控制掘进参数并采取必要的辅助措施，通过盾构机掘进过程中对关键参数的控制，加强了对刀具的保护，顺利通过了单轴抗压强度高达110 MPa的38.4 m基岩隆起区。

盾构掘进 富水砂层 高强度基岩 参数控制

随着城市地铁的大规模建设，盾构工法以其机械化程度高、施工速度快、安全可靠性高等优势在我国得到了普及型推广。但是盾构机由于自身的天然缺陷，其地质适应性太差，对掘进地层变化非常敏感，在区间隧道掘进过程中遇到地质情况突变，面临两大难题:一是根据原有地质资料配置的刀具难以满足掘进需要，需要解决刀具更换的问题;二是需要解决如何通过软硬不均地层的问题。

1 工程概况

深圳地铁2号线科苑站—红树湾站盾构区间左线盾构机在518环(盾构机所处位置地面为沙河高尔夫球会人工湖边，前体与刀盘位于岸边，中体和盾尾位于湖水下，岸边为沙河高尔夫球会球道发球台处)掘进过程中遇到近40 m高强度基岩，属粗粒花岗岩，微风化岩最高凸入隧道开挖限界3.7 m，饱和状态下最大单轴抗压强度超过110 MPa，地质断面图见图1。施工过程采用地面注浆加固并辅助降水后，盾构机直接破岩通过。

2 施工技术难点

1)始发的刀具配置为滚刀+中心羊角刀，仅仅考虑了破除局部孤石的需要，且已经掘进了近800 m，刀具的现状不具备直接通过基岩区的能力，必须就地检查更换刀具。

2)现场不具备常压开仓或压气作业条件，场地为填海区，地质情况特殊，微风化花岗岩与砂层间过渡不明显，加固地层受潮汐影响明显，动压富水地层，常规加固工艺难以保证地层加固质量。

3)盾构机停机位置地面为高尔夫球场的球台，地面加固占地、施工物资设备进出、人员进出、作业时间协调困难。

4)典型的上硬下软地层掘进参数难以控制，无法确保地面安全。

图1 地质断面(高程单位:m)

3 主要技术措施

3.1 设备保护

1)刀盘回缩:盾构机在硬岩段掘进主要破岩机理在于滚刀对围岩的碾压破碎，掘进过程中往往出现偏磨、崩裂等非正常磨损，滚刀划过的轨迹深浅不一，此时掌子面并不平整，部分刀具在实施换刀之前已嵌入岩面之中，须采取措施将刀盘回缩至少50 mm，给换刀作业留出必要的空间，以避免换刀时刀具拆卸困难，以及换刀后刀盘启动时贯入度过大而导致崩刀。刀盘回缩的具体措施是:①盾尾铰接设置为放松状态，盾构机推进使铰接伸长至120 mm;②在盾尾间隙内塞入木楔子，关闭PLC，在尾盾上紧贴管片端面焊接钢挡块;③每次放松千斤顶10～20 mm，正常情况下盾体在土仓压力下会回缩;④累计回缩50 mm即可，如果回缩量不足，可通过泡沫管向刀盘内注入泡沫，增大土仓压力，进行回顶。⑤回缩过程中密切关注土仓压力，确保土压平衡，避免地面塌陷。

2)盾体保护:通过前盾和中盾处球阀注入聚氨酯来保护整个盾体。通过气动泵将聚氨酯注入盾体内，每个孔注3桶，共13个孔。完成后注入黄油以润滑盾体，并保证聚氨酯的效果。可与螺旋输送机保护方案同时进行。

3)主轴承密封保护:采用惰性浆液填充土仓。采用同步注浆泵，由土仓上部预留孔注入水泥砂浆。注入过程中，由下至上打开仓壁上各个预留孔，进行泄压并观察填充情况，以保证填充效果。整个过程中通过土仓内土压传感器严格控制仓内压力，不超过0.35 MPa。水泥砂浆配比为水泥∶膨润土∶砂∶水=400∶300∶700∶560，根据试验结果初凝时间为14 h。

3.2 地层加固

基岩段地层表现为上软下硬，不同类别围岩单轴抗压强度相差过于悬殊，其差值在20～110 MPa，岩面在纵横断面上均存在较大的起伏。盾构掘进通过时可能由于下部基岩强度高，掘进效率低，长时间原位转刀盘导致对软弱围岩的过分扰动而失稳，刀盘顶部地层被严重掏空，上部地层将会形成一个以刀盘为中心的漏斗状塌空区，强行掘进可能导致掘进过程中地面连续坍塌。必须采取有效的措施对软弱地层进行必要的加固处理，增强地层本身的自稳能力。

1)微型桩配合袖阀管注浆:填海区砂层动压富水，地层加固过程中容易出现塌孔、堵管，浆液进入地层后受动水影响，配比变化大，扩散无规律等。采用微型桩强制成桩施工注浆帷幕再在内部区域配合进行袖阀管注浆有效地解决了类似地层注浆加固费工费时的问题，保证了加固质量。

2)洞内水平注浆:在完成密封保护后，开始实施水平注浆，注浆范围为仓壁4点、8点位以上10个超前注浆孔，注浆深度为8 m，确保注浆直接加固范围达到掌子面前方3 m。

3.3 开仓换刀

1)从土仓闸门开始，对土仓的土体进行清理。

2)清理刀盘正面:将土仓内换填的砂浆清理干净后，由下至上开始清理切口环、刀盘开口和刀箱，然后通过刀盘开口清理基岩面土体及刀盘外轮廓周边。清理标准为将土仓内整个基岩区土体全部清透，使岩面与刀盘之间留有40 cm空隙。清理过程中要密切关注基岩面上刀痕情况以便确定刀具磨损情况。清理完一个区域后将拆卸的刀具及时全部装好。

3)更换刀具:根据掌子面稳定情况采用边清理边更换确保作业安全。

3.4 盾构机脱困

1)清理土仓:土仓清理后放入人仓和皮带机之间架设的溜槽上滑向皮带机，再由皮带机送往渣土车。

2)脱困:盾构机脱困的过程中，采取了分三步走的方式，首先保证刀盘能顺利转起来;然后通过土仓胸壁上的预留孔及盾壳上的径向孔注入膨润土，在缓转刀盘的情况下放松铰接，推动中前体50 mm，继续注入膨润土，回收中前体，以上过程循环往复，待推力明显降低后可适当增大行程(注意确保铰接不超限);最后是盾尾脱困，由于盾构机铰接油缸能够承受的总拉力不超过10 000 kN，经过计算，盾尾脱困需要的拉力远远超过现有铰接油缸的承受范围，盾构机推进油缸自身的推力在盾尾脱困的过程中受到制约。采用在盾尾上焊接支座通过增加4台200 t辅助油缸配合小型泵站，在管片上借力，直接顶推盾尾的办法顺利的使盾尾脱困。

3.5 过基岩掘进

3.5.1 掘进速率

软硬不均断面掘进时滚刀作用硬岩上的荷载要远远大于作用于软弱地层的荷载，而理论上承受荷载大的滚刀产生的掘进速率应该高于承受荷载小的滚刀。但是由于掌子面软硬不均，强度相差过于悬殊，盾构掘进的机理完全不同。硬岩部分掘进遵从滚刀破岩机理，软弱部分速率则完全受推力影响，混合断面的特殊构成决定了此类地层掘进推力的极限受硬岩控制，而扭矩的极限受软弱部分控制。借鉴数学模型可以考虑对混合断面的不同强度地层进行简单的修正，现有的研究认为:①由计算或实测得到的均匀断面条件下的参数(主要指净掘进速率I或基本掘进速率I0)是混合断面条件下相应参数的比例强度因子。②混合断面中的坚硬地层限制了总推力的大小。③混合断面条件下的I/I0的降低是因总推力的降低而引起的，其值是均匀断面条件下的比例函数。

3.5.2 速率修正系数

软硬不均地层盾构掘进的效率与掌子面不同强度的各地层本身的性质及其在掌子面所占面积比例高度相关，这在施工过程中感受是非常直观的。

混合断面不同强度地层对掘进速率的影响可由如下修正系数KAB表示

式中，A代表坚硬地层，B代表软弱地层。IA为盾构在坚硬地层中掘进速率;IB为盾构在软弱地层中掘进速率;a为坚硬地层在混合断面上所占面积的百分比;b为软弱地层在混合断面上所占面积的百分比;AB为混合断面;KAB为修正系数。

假设盾构在该考察混合断面的最佳掘进速度是一定的并可供量化，分别取其所占面积的极限，则可得出如下结论:①无论混合断面的组成地层所占比例如何，其净掘进速率均小于IA。②当混合断面的组成地层所，I;，I。占比例一定时越大AB越小越小AB越大

3.5.3 掘进参数的理论计算

1)土仓压力计算:土仓压力的控制值主要受地下水压力及隧道埋深的影响，土压越高，推力越大，此类地层喷涌的几率也越高。由于基岩段进行了适当加固，使地层具有一定的自立性，并在盾构掘进的同时，隧道两侧进行降水，将地下水位尽可能降低并保持稳定。所以土仓压力计算的理论值根据现场地下水位实测值选取。

2)扭矩计算:刀盘扭矩一般情况下主要受设备性能控制，但是实际操作中需与地层情况相协调，本工程根据经验数据并保守考虑不大于2 000 kN·m。

3)速度计算:根据勘察情况，基岩面突入隧道开挖限界最大取3.80 m，盾构开挖限界取6.28 m，取坚硬岩在掌子面面积中所占比率为60%，软弱地层在掌子面面积中占40%;考虑前期砂层掘进速度取60 mm/min，根据调查类似强度全断面硬岩掘进速度取20 mm/min;刀盘转速1 rab/min。

净掘进速率

过基岩掘进的要点在于连续、平稳的掘进，在配备强有力的现场作业队伍的同时，需要配备有经验的工程师加强现场管理、技术能力，提高盾构掘进过程中应对异常情况的响应能力。

3.5.4 掘进过程的控制要点

1)控制贯入度在10 mm/rad、刀盘扭矩不超过1 500 kN·m，刀盘转速1转，推力根据地面监测及出渣情况适当调节。

2)注意渣土改良，保证足够的泡沫注入量，根据渣土情况注入膨润土、聚合物等。

3)保持土仓压力基本稳定，合理控制螺旋机转速，及时将进入土仓的岩块排出。

4)密切关注铰接油压，根据现场情况及时调整浆液类型。

5)双液浆及时跟进，防止管片上浮。

4 结语

基岩区的掘进是盾构施工的一大难点，填海区复杂环境下盾构过基岩尤甚，采用上述措施实现了动压富水砂层开仓换刀，并在未损伤一把刀具的情况下一次性顺利完成科苑站—红树湾站区间38.4 m基岩隆起区掘进。此类工况在广深地区盾构施工具有典型意义，进一步研究地层加固措施、掘进参数控制，尤其是不同强度基岩情况下掘进扭矩、贯入度等参数的极限控制值有利于将特殊工况常规化。

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［2］潘海泽，蒋冰玉，石嵘，等.盾构施工地面沉降监测技术在天津地区的应用研究［J］.铁道建筑，2010(3):49-52.

［3］王国栋，肖立，张庆贺.盾构在道路和铁路下推进引起的沉降对比研究［J］.铁道建筑，2010(10):57-60.

［4］张志伟，贾艳敏，赵艳娟.地铁盾构法施工事故预防及处理措施［J］.铁道建筑，2010(11):50-53.

U455.43

B

1003-1995(2011)02-0076-03

2010-10-08;

2010-11-20

王朝义(1964—)，男，四川南充人，高级工程师。

(责任审编 王红)