无水大粒径砂卵石盾构综合施工技术

王海明 夏清华 黄福昌 张 浩

(中铁十六局集团地铁工程有限公司 北京 100073)

1 地质情况介绍

北京西南地区处于永定河冲积扇中上部，隧道主要穿越7号无水大粒径砂卵石地层，此种地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征表现为结构松散，呈大小不等的颗粒状，砂卵石地层颗粒之间的孔隙大，颗粒之间的黏聚力为零。这种地层一旦被扰动，就极易破坏原来的相对稳定或平衡的状态，使开挖面或洞壁失去约束而产生不稳定状态。刀盘旋转切削时，围岩容易发生扰动，切削刀的开挖力传递到开挖部位周围时，围岩中的大块卵石、砾石越多，粒径越大，这种扰动程度则更大，特别是隧道顶部大块卵石剥落会引起上覆地层的突然沉陷。

北京西南地区某标段盾构隧道全线主要穿越第四系沉积土中的卵石层，此地段为典型的无水砂卵石地层，卵石颗粒密集，100 mm以上粒径的卵石约占80%，最大粒径达1700 mm，含砂量约30%，且隧道底部分布有厚约1000 mm的胶结岩层，强度较高(见图1)。

图1 盾构始发井及盾构隧道施工地层

2 刀具优化

无水大粒径砂卵石地层进行土压平衡盾构施工，刀具磨损严重，主要表现在刮刀合金块剥落、滚刀偏磨等情况。为减少开仓换刀次数，降低刀具成本，结合工程地层特点，针对各种刀具的磨损情况，对刀具合金形式和合金材质分析后，对刀具的种类配备进行了全面优化。

2.1 刮刀(齿刀和边缘刮刀)

刮刀是软土刀具，一般适用于粒径小于400 mm的砂、卵石、黏土等松散体地层。

图2 加强方形刮刀

针对砂卵石地层开挖面整体单轴抗压强度较低，土质疏松等特点，在边缘刮刀及正面方形刮刀的主切削刃上，采用镶嵌深度较大的大圆角硬质合金块(合金牌号 JZ10，硬度 HRA为88.0 ～90.0，耐磨性为 7.01/cm3)(见图2)，以提高刀具的耐磨及耐冲击的能力，刀具硬质合金块与渣土接触面积大，可减小钢基体的磨损量，延长刀具的使用寿命，同时可改变硬质合金块的角度，增加其贯入度，提高其切削土体的能力。

图3 渣土流动轨迹线及后刀面磨损分析

在刀盘正反转过程中，刮刀长距离地掘进，其后刀面磨损严重。在后刀面位置增加若干硬质合金(见图3)，可有效地削弱渣土对刀体的磨损。

2.2 贝壳刀

图4 超大合金贝壳刀

贝壳刀实质上是先行刀(见图4)，主要是先行于刮刀犁动地层，可有效保护好刮刀，防止刀盘磨损。刀盘配置两种贝壳刀:一种是可更换式贝壳刀，替代正面滚刀;另外一种是焊接式贝壳刀，焊接在刀盘上，主要分布在刀盘上大半径区域，交错分布。

由于大粒径砂卵石地层对刀具的冲击磨损大，为应对这种对刀真高冲击、高磨损的地层，采用焊接式强化先行刀，其工作高度高于切刀和边缘刮刀，与滚刀工作高度一致。为了延长刀具的使用寿命，发挥其高耐磨特性，宜采用工作截面相对较小、刀体两端焊接超大硬质合金的贝壳刀，可以得到更小的分配扭矩，当遇到较大卵石时，还能相应实现对卵石的“锤击”破碎的作用。

2.3 保径刀

刀盘外周圈为刀盘上工作距离最长的部位，最易磨损，当其直径小于盾体直径时，导致盾构机推力增大、盾体磨损。保径刀安装或焊接在刀盘外周，与边缘刮刀、外周耐磨板组合协同工作。对整个刀盘外周圈进行保护，外周保护刀高出外周耐磨板5～10 mm为宜，一般等分45°焊接刀盘外周(见图5)。

图5 保径刀安装位置

2.4 滚刀

滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。在无水大粒径砂卵石地层中，刀盘中心半径在1.5 m范围内，刀箱里容易挤满砂土，经过压密结块形成泥饼，产生力矩阻止滚刀转动，造成滚刀偏磨或弦磨而失效，掘进中滚刀受力情况见图6。因此在半径1.5 m范围内多采用贝壳刀，其余部分仍采用滚刀。

图6 滚刀受力图

无水大粒径砂卵石地层中滚刀宜采用转动扭矩小(约25 Nm)、刀毂面较宽的合金钢圈来增加其破碎乱石的能力，延长刀具的使用寿命。

3 土体改良

在盾构始发阶段虽然进行了常规的土体改良，但因土体不能达到流塑状态而无法建立真正的土压平衡，且盾构机刀盘进土口渣土易凝结成饼(见图7)，导致刀盘扭矩为4500～7000 kNm，推力一般为13000～17000 kN，掘进速度只有1～10 mm/min，而且经常出现无掘进速度的现象，超挖现象难以控制。

图7 盾构机刀盘进土口处泥饼

3.1 优化后土体改良措施

3.1.1 注入泡沫

根据本工程具体的地层特点，经过大量的配比试验(见图8)，主要从泡沫剂的类型、种类、注入参数等方面进行了优化，将以前单纯的泡沫剂更换为SLF30+10%SLFP1型泡沫剂，同时加入了Rheosoil143发泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫剂，采取多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良。泡沫注入参数调整为:膨胀率(FER)值在1∶10 ～1∶20，注入比(FIR)值在40% ～80%，泡沫流量在400～600 L/min，但需根据掌子面地层情况及时调整注入参数。在这几种措施的综合作用下，渣土的流塑性得到了有效改善，土压平衡得以真正建立，刀盘的扭矩也由以前的20 MPa降至15 MPa，并且排土顺畅，效果明显。

图8 泡沫剂配比试验

3.1.2 注入膨润土

根据本工程具体的地层特点，经过多种尝试(见图9)，最终选用更加适用于无水砂卵石地层条件的钠基优质膨润土、纯碱和羧甲基纤维素钠(简称CMC)的混合浆液来代替原先的纯膨润土浆液，优化后混合膨润土浆液(质量)配比为水∶膨润土∶CMC=1000∶80∶2;发酵膨化时间最少保持在18 h以上，最佳为24 h，使其充分溶解发酵，黏稠度以50～60 s为最佳。

图9 膨润土配置池及泥浆黏度测定

3.1.3 注入水

1)一定压力的水注射到掌子面土体内，使冲刷下来的、流动性好的土体能及时通过开口率较小的刀盘面板进入土仓，减少了刮刀、齿刀的磨损。

2)冷却刀盘面板上的各种刀具，特别是刀具的硬质合金部分。

3)水与润滑剂的混合液具有减摩作用，可降低刀盘扭矩，延长刀具使用寿命。

4)加在刀盘前方的水随土体进入土仓内，在刀盘后方搅拌棒的作用下，土体流动性加大，有利于顺利出土，可减少卵石对螺旋机螺杆和叶片的磨损。

针对刀盘每次凝结泥饼的情况，在容易形成泥饼的部位(或其附近)增设3根加水管路，水量注入的大小需根据出渣情况及时调整。

3.2 优化后土体改良效果

1)土体改良措施经优化实施，渣土的流塑性得到了有效改善(见图10)。

图10 土体改良措施优化前后渣土

2)土体改良措施经优化实施，土压平衡得以真正建立，刀盘的扭矩由优化以前的20 MPa降至15 MPa(见图11)。

3)土体改良措施经优化实施后，盾构掘进速度有了大幅度的提高，平均掘进速度由优化前的1～10 mm/min提高至40mm/min，最大可达70 mm/min(见图12)。

图12 土体改良措施优化前后掘进速度对比

4)土体改良措施经优化实施后，盾构机推力有了大幅度下降，推力由优化前的11000～17000 kN下降至7000 kN(见图13)。

图13 土体改良措施优化前后盾构机推力对比

4 无水大粒径砂卵石地层盾构选型的建议

通过本区间的盾构施工，证明加泥式土压平衡盾构机对无水大粒径砂卵石地层有一定的适应性，并曾创造了单班掘进12环(1.2 m/环)的纪录。

4.1 选择复合式刀盘的成效与问题

本工程运用优化后的刀盘及刀具之后，大大降低了施工中的换刀次数，提高到420 m不换刀，降低了因刀盘周边部分磨损而产生的盾构机推力大、盾体磨损加剧等问题，但由于刀盘采用中间支撑的形式，且中间位置开口小，渣土难以置换，造成中间位置易结泥饼。

4.2 刀盘驱动功率的选择

刀盘驱动形式主要分为变频电机驱动、液压驱动及定速电机驱动。

鉴于定速电机驱动，刀盘转速不可调节，目前一般不采用;变频驱动价格昂贵，多用于大直径盾构机;液压驱动较变频电机驱动而言，具有调速灵活、控制简单、液压马达体积小、安装方便、价格低、启动力矩小等优点，在目前的中小型盾构上广泛使用。

在大粒径砂卵石地层中掘进时，刀盘扭矩经常超过220 MPa，出现刀具卡死等情况。本工程盾构选型时采用液压驱动，配有3个315 kw的电机，9个3级液压马达以增大驱动功率，提高脱困扭矩。主轴承选用配有润滑系统的直径为3 m的主轴承，支撑方式采用3排轴向滚轴，增大了驱动单元的驱动能力及抗疲劳强度，可防扭矩过大造成损坏(见图14)。

图14 本工程采用的盾构机主轴承及驱动马达

4.3 带式螺旋运输机选型的论证

当水压大于0.3 MPa时，宜采用泥水盾构;小于0.3 MPa时多采用土压平衡盾构。选用加泥式土压平衡盾构机必须对螺旋机进行考虑，螺旋机直径与带距根据进入土仓卵石的粒径大小来选择，需保证土仓内大粒径卵石能顺利从螺旋机中排出。

本工程配备与砾石直径条件相适应的螺旋输送机排除砾石，开口尺寸达到800 mm，能满足290 mm×520 mm的漂石直接通过。

螺旋机钢结构为重型设计并有专门的耐磨保护，螺旋机筒体内前段及前半部分螺旋叶片上有焊接式Hardox耐磨保护(见图15)，以延长螺旋机的使用寿命。

图15 螺旋机焊接的耐磨块

无轴式螺旋运输机能够适应较大粒径卵石的排出，但其本身结构导致脱困扭矩小。北京西南地区隧道穿越的密集大粒径卵石可能会造成螺旋机旋转时扭矩超限卡死，在北京地铁9号线某标曾采用无轴螺旋机，致使在盾构施工过程中螺旋机中间焊接处扭断。

图16 螺旋叶片部分的检查及补焊

本工程选用带式螺旋机采取的加焊耐磨块措施，虽然有效地延缓了砂卵石对螺旋机造成的磨损，但仍不能避免螺旋机的磨损，图16为换刀过程中对螺旋机螺旋叶片部分的检查及补焊。

4.4 无水大粒径砂卵石地层盾构选型的建议

国内外类似地层盾构施工的实例及采用的加泥式土压平衡盾构产生的效果表明，此类地层选用土压平衡盾构机仍存在不可解决的问题。

推力及扭矩过大，刀盘对地层造成长时间的扰动，容易造成地表沉降;土体改良成功是以添加大量昂贵的材料为基础;刀盘、刀具及螺旋机不可避免地产生磨损。

针对无水砂卵石地层的特点，建议选用泥水盾构或敞开式盾构。

泥水平衡盾构机对场地限制较大，盾构施工成本较高，且与土压平衡盾构机一样对于刀具磨损、频繁换刀等问题仍不能真正解决;敞开式盾构针对无水砂卵石地层，可以避免以上问题，敞开式盾构较泥水盾构、土压平衡盾构具有以下优点:

1)敞开式盾构科技含量少，可以国产化，成本低。

2)敞开式盾构(见图 17)，无刀具，不存在刀具磨损、增加换刀成本及结泥饼情况。

3)根据北京西南地区车站、暗挖隧道揭露的地质情况来看，掌子面的自稳性较好(见图18)，地层基本处于无水状态，进行敞开式盾构施工无需辅以压气、降水等措施，部分砂层可辅以注浆加固等措施，控制地面因扰动产生的沉降。

4)敞开式盾构无需渣土改良，挖掘状态为干状态，且敞开式盾构的开挖面可形成多种断面形式(如敞开式网格盾构)，大粒径卵石无需破碎，出土效率高，可日掘进13.5 m。

5)敞开式盾构掌子面裸露，人员可直接了解掌子面情况，能够更及时、更快、更准确地调整盾构施工参数。

6)敞开式盾构断面类型丰富，可根据隧道断面来设计盾构机形式。

5 小结

1)加泥式土压平衡盾构机对无水大粒径砂卵石地层有一定的适应性。

2)在无水大粒径砂卵石地层中进行盾构施工，对刀具磨损严重、刀盘中心部位易结泥饼等问题虽有一定效果，但仍值得研究。

3)在无水大粒径砂卵石地层中采用敞开式或半敞开式盾构机具有可行性。

［1］ Maidl B，Herrenknecht M，Anheuser L，etal.Mechanised shield tunnelling［M］.德国，1996.

［2］周文波.盾构法隧道施工技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［3］乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型［J］.现代隧道技术，2003:17-33.

［4］何其平.土压平衡盾构刀盘结构探讨［J］.工程机械，2003(11):14-20，3.

［5］张国京.北京地区土压式盾构刀具的适应性分析［J］.市政技术，2005(23):12-16.

［6］胡显鹏，袁大军.无水砂卵石地层土压平衡盾构添加剂研究［J］.都市快轨交通，2006(增刊).