北京地铁无水砂卵石地层盾构施工技术难点及施工对策研究

王 岩,钱 新,李 旸,薛建领,闫 雷

(北京住总市政工程有限责任公司,北京 100029)

1 工程特点及工程环境情况

1.1 工程概况

北京地铁10号线西局站—六里桥站区间总长1 298.291 m，采用φ6.25 m 德国海瑞克土压平衡盾构机施工。盾构隧道采用C50、P10钢筋混凝土管片错缝拼装，弯螺栓连接，管片外径6.0 m，内径5.4 m，每环管片宽度1.2 m。该区间多次下穿既有建筑、高压铁塔、雨水管、电力管等设施，沉降控制标准较高。

1.2 工程地质及水文地质概况

根据岩土工程勘查报告(详勘阶段)资料，本工程位于北京平原地区，属于第四纪冲洪积平原地貌，场地位于永定河冲洪积扇的中部，受古漯河和古金沟河故道控制。本区间范围内的土层主要包括：杂填土，粉土填土，粉土，圆砾卵石层及卵石⑤层、卵石⑦层、卵石⑨层以及砾岩⑾层，隧道洞身高程在21.96～30. 98 m，盾构主要穿越卵石⑤层、卵石⑦层。根据同标段盾构井及暗挖段开挖揭露的地层情况为：卵石最大粒径达600 mm，粒径300 mm 以上的卵石每20 m约有2～3块，一般粒径100～300 mm，亚圆形，级配好，充填物为中粗砂，含砂量约40%。本标段区间盾构地质剖面见图1，施工现场大粒径卵石示意见图2。

在勘察深度范围内，揭露一层地下水，地下水类型为层间潜水，地下水位层间潜水水位位于隧道底板以下1～2 m，对盾构施工无影响。

图1 西局站—六里桥站区间地质剖面

图2 本标段盾构井及暗挖段开挖揭露大粒径卵石

2 盾构掘进中的技术难点

砂卵石地层属于力学不稳定层，其主要特性是结构松散，无胶结，呈大小不等的颗粒状，且颗粒之间的空隙大、黏聚力为零，颗粒之间的传力方式为点对点，围岩体整体强度较低，但单个石块强度高，在地层中起骨架作用[1-3]。因此，盾构在这种地层中掘进所受到的不利影响主要表现在以下几个方面。

2.1 土压平衡难以建立

加泥式土压平衡盾构机施工原理：通过向盾构机密封仓内加入设定参数的泥浆浆液，并与掌子面切削后的砟土搅拌，形成不透水的塑流体，盾构在掘进过程中所设定的平衡压力通过该塑流体传递到开挖掌子面上，保证开挖面稳定。在盾构掘进过程中，这种压力在一面向前掘进一面向外排砟的过程中保持一定数值，形成一种动态平衡。然而由于砂卵石地层的特殊性质，其切削后的砂和卵石在土仓内分离，部分土体较易堆积在土仓下部而难以充满整个土仓[4-5]。根据有关资料和施工经验，加入一般的泥浆，密封仓内往往不能在全断面上完全形成良好的塑流体，设定的工作压力也不能完全顺利地传递到开挖面，实现不了连续的动态平衡，很难维持土压，且每日掘进后停机保养时，土仓压力消散很快，从而引起对地层的较大扰动。本工程在初始掘进过程中上部土压力在0.08～1.6 bar(1 bar=0.1 MPa)变化，基本无法建立真正的土压平衡，推进速度很慢，推力很大，超挖很难控制。当上部土压力为1 bar左右时，下部土压达4～5 bar，导致膨润土和泡沫剂也无法注入。

2.2 刀盘、刀具及土仓隔板的不均匀磨损

无水砂卵石颗粒之间摩擦阻力大，难以获得良好的流动性，当切削下来的土充满土仓和螺旋输送机内时，刀盘扭矩、螺旋输送机转矩及千斤顶推力增大，刀盘切削土体时加剧了盾构机切削刀头及面板的磨损；同时，砂卵石地层中石英砂等物质对刀具产生一定的磨耗磨损和卵石对刀具的撞击损伤，也加快了盾构刀具及刀盘的损害[6]。

本标段工程盾构在初始推进100 m左右后出现无法正常排土，必须进行开仓。经过专家论证后，开仓发现，滚刀平均磨损20 mm，齿刀、边缘刮刀以及单刃贝壳刀的合金块碰掉严重，整个刀具磨损非常严重，大部分刀具需要更换，见图3。同时，盾构在初始掘进100 m过程中因刀盘”卡死”开仓2次，开仓时发现在土仓内及刀盘进土口均形成泥饼，泥饼非常坚硬密实，有时需用风镐才能破除，见图4。

图3 磨损后的滚刀

图4 刀盘泥饼现象

2.3 盾构机推力及刀盘扭矩过大

盾构始发掘进时推力一般为13 000～17 000 kN，刀盘扭矩一般在180～250 bar，经常出现刀盘扭矩急剧上升到无法继续掘进，盾构机长期处于超负荷工作状态，导致推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，甚至排出的砟土热度较高[7]。

2.4 掘进速度无法保证

盾构始发掘进阶段掘进速度只有1～10 mm/min，而且经常出现无掘进速度的现象，掘进1环耗时达6～10 h。

2.5 盾构推进姿态控制困难

由于无水砂卵石地层的塑流性差，设定的工作压力不能很好地传递到开挖掌子面，很难控制开挖面的稳定，并导致无法正常出土，使大颗粒卵石滞留土仓内或向盾构机四周移动，无法确保盾构机位置和姿态控制，推进参数一旦掌握不好，盾构的姿态就会偏离设计轴线[8]。

2.6 螺旋输送机磨损及抱死

在砂卵石层中掘进时，螺旋输送机容易磨损，对于本工程的大粒径卵石进入螺旋输送机后，会对螺旋输送机产生更严重的磨损，主要表现为螺旋机的磨损以及外部钢圈的磨损；同时，在施工过程中，盾构螺旋输送机会发生被“卡死”的问题。经过现场多次开仓发现，“卡死”的主要原因为大的卵砾石进入螺旋输送机，将螺旋杆卡住，这种情况很难预防，因为进入螺旋输送机前无法得知土仓内土体情况，只有在螺旋输送机被抱死转不动之后才能被发现[9-10]。

2.7 地表沉降难以控制

由相关参考资料和施工经验可知，盾构施工期间在盾尾脱出前阶段的地表沉降或隆起主要取决于土压力大小，推进速度和推力大小，出土量及土体塑流性程度等因素。本工程由于地处砂卵石地层，土压平衡无法建立，超挖现象难以控制，土体未较好地进行塑流化改造，导致了地表沉降较大，无法很好地控制。

3 施工对策

3.1 刀盘改造及优化

在砂卵石地层中，刀具的磨损形式主要包括石英砂对刀具产生的磨耗磨损和卵石对刀具的撞击损伤。因此，为了更好地适应本工程的地质条件，尽量减少换刀次数，根据以往工程经验[11]，在盾构掘进100 m左右后，人工挖孔至刀盘面板处对海瑞克盾构机原装刀盘(图5)进行了改造，具体为：对刀盘刀圈和所有齿刀均增设了耐磨层和硬质合金耐磨保护板，采用碳化钨合金替代硬质钦合金钢做为刀头，更换了原装21把滚刀，增加了17把贝壳刀、16把导流小齿刀以及16把周边保径刀，并将滚刀刃宽从18 mm增加到30 mm。改造后的刀盘见图6。

图5 海瑞克盾构机原装刀具

3.2 土体改良

本工程在盾构始发掘进阶段，先后各自使用了泥浆、泡沫剂及膨润土等对土体进行改良，但是实践证明单纯用一种方法均无法将土体调成理想的流塑状态，难以建立真正的土压平衡，在盾构推进过程中仍然造成刀盘扭矩过大、掘进速度缓慢、土压不稳定及易结泥饼的情况[12]，具体见图7。因此，在后续的施工过程中着重分析砂卵石地层的力学特点及工程性质，根据砂卵石地层盾构开挖面的稳定性控制原理，经过大量的现场试验，优化了泡沫剂类型，注入泡沫剂的种类，并向土仓内同时注入泥浆、泡沫剂、分散剂及发泡聚合物，具体如下。

(1)优化膨润土注入参数，改用钠基优质膨润土，并调整了膨润土的发酵时间及黏稠度，一般在每环掘进过程中，向土仓内注入5～7 m3发酵至少24 h以上黏稠度为 60 s的膨润土。

(2)采取了多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良的措施，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，按照一定比例调配了泡沫剂的黏度、膨胀率及注入比，具体如下：

①1 kg砟土加入水后充分搅拌，使砟土的含水量达到35%～40%；

②取SLF30+10% SLFP1型泡沫剂溶液10 g配成3%～5%浓度的泡沫剂溶液；

③按体积比将砟土内掺入30%左右的泡沫，确保充分搅拌，加入的水与砟土和泡沫充分融合在一起呈流塑状。

经过现场多次的调配，上述措施使砟土的性状发生明显的改变，砟土的黏性明显降低，增加土体之间的黏聚力与流动性。

(3)向土仓内分别注入HHZ-Z高分子、HHZ-A分散剂溶液等发泡聚合物，使所注入的溶液充分混合，有效控制土仓内及刀盘进土口泥饼的形成，将泥饼对正常掘进的影响降至最低。

经过泡沫剂、分散剂及发泡聚合物改良后的土体见图8。

图7 未改良的土体

图8 改良后的土体

3.3 盾构注浆

同步注浆：因刀盘开挖半径为6.28 m，管片外径为6 m，管片与开挖土体间存在空隙。在盾构掘进过程中利用其自身的注浆管进行同步注浆填充，注浆采用缓凝早强的惰性浆液，浆液单方配比(kg)为：水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂子∶水=70∶250∶75∶550∶300。

二次补浆：根据地面沉降数值，对沉降点较大部位进行二次补浆，补浆浆液比与同步注浆相同。

后期多次径向补偿式注浆：根据盾构施工地表沉降规律，为了更好地填充同步注浆空隙，对刀盘扰动的周围径向3～4 m的土体进行有效加固，减小隧道在施工过程中的沉降量，在管片脱离盾尾后进行多次注浆。注浆比例(体积比)：A液，90%；B液，10%。水玻璃浓度控制在19～21 Be′，A、B液的凝固时间控制在15～ 20 s。如表1所示。

表1 径向补偿式注浆液浆配比 kg

3.4 调整盾构掘进参数

通过对盾构机刀盘改造及土体改良后，根据施工现场统计，试验掘进了10环之后，盾构上土压力基本控制在0.8～1.2 bar，盾构刀盘油压和螺旋输送机油压及总推力都降低了1/3左右，刀盘的扭矩由以前的250 bar降至140 bar，盾构掘进平均速度控制在25～40 mm/min，并且排土顺畅，效果明显，掘进速度由开始的3～5 m/d提升到现在的10～12 m/d，日平均掘进8～10环，确保了区间隧道的顺利贯通。

4 结论

通过对本区间隧道砂卵石地层施工过程中对盾构刀盘及刀具的选取和优化及采用泥浆、泡沫剂、表面活性剂及其他高分子聚合物改良地层后，确保了开挖面的稳定，增加了砂卵石地层土体的塑流性和保水性，大大减轻了刀盘的磨损，且刀盘“卡死”与结泥饼现象发生频率极少，地表沉降由初始掘进的无法控制到现在的沉降量10～15 mm，在安全可控范围之内，为北京类似无水砂卵石地层盾构施工提供了成功范例。

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