泥水平衡盾构穿越全断面黏土层的施工技术

李雅林

（上海建通工程建设有限公司， 上海 200030）

1 工程概况

某隧道工程采用盾构法施工。隧道布置为上下层双层断面，每层布置二车道；单车道宽度为 3.5 m，净高为 4.5 m。下层车道车流方向自西向东，上层车道车流方向自东向西。隧道管片环外径 14.5 m，内径 13.3 m，壁厚 0.6 m，环宽 2 m；混凝土强度等级 C60，抗渗等级 P12。隧道盾构段长约 1.1 km，采用泥水平衡盾构机推进，盾构机外径 14.93 m。

1.1 工程地质及水文地质条件

1.1.1 地质特性

盾构段地基土分布，见表 1。

表 1 盾构段地基土分布

盾构主要穿越③1黏土层。该层土体遇水易崩解，土的黏性较大，盾构施工极易发生结泥饼等事故，施工难度大。

1.1.2 水文地质条件

拟建隧道场地的地下水主要为第 4 系松散岩类孔隙潜水。与隧道工程关系密切的主要为孔隙潜水。第 4 纪孔隙潜水主要赋存于沿线浅部杂填土及粉、砂性土层内，地下水分布连续，其富水性和透水性具有各向异性。隧道孔隙潜水含水层主要分布于表层杂填土、②1层粉土和②2层粉砂层内；土层水平向呈广泛而连续，垂向上具有一定的水平层状沉积韵律变化；潜水含水层的渗透系数为 2.08E－3 cm/s～2.66E－3cm/s，属中等透水性。潜水位埋深标高为 2.636 m～8.817 m。地下水补给主要是地表径流的入渗、地表人工河流的渗透以及人类活动用水的渗漏补给。局部较深部位夹有薄层粉土和粉质黏土，造成局部地下水具有微承压性。

2 掘进情况

盾构出加固区后，第 6～7 环掘进出现了推进速度大幅波动、刀盘扭矩增大、排渣不畅的情况，开挖舱及气泡舱内二次堆积严重；泥水处理场出现超过 40 cm 的泥块，设备堵塞严重；P2.1 吸口出现负压现象，掌子面支撑压力出现超过 1 bar 的压力波动。后来采取了每掘进 20 min 就停机循环再推进的策略，完成了第 8～11 环掘进；每环掘进时间 6 h～12 h。但在第 12 环的推进过程中，堵塞现象更加严重。

3 原因分析

根据这一区段反映出的问题，分析原因有以下几点。

(1)预筛分使用的筛板孔径较小，刀盘切削下来的黏土容易造成筛孔堵塞。

(2)泥水分配器及分配管的分布不能适应土质，渣土分配不均匀。

(3)推进速度快造成切削下来的黏土结成大的泥饼。

(4)当进浆比重较大时，黏土块容易聚集在开挖舱内，不容易分解成小颗粒。

(5)大块分离机的挤压作用形成泥饼。

(6)黏土粘结在刀盘上，造成刀盘扭矩增大。

4 针对性措施

4.1 泥水处理设备的改进

(1)调整分配器及分配管，使渣土分配更加均匀。

(2)调整大块分离机，更改链条传动系统。

(3)预筛分使用较大孔径筛板，减小堵塞。

(4)割除预筛上的部分加强筋，减少堵塞。

4.2 刀盘转速及掘进速度的控制

由于黏土地层硬度较大，采取较快的刀盘转速及较小的推进速度，快速切削土体，保持较低的扭矩以减小对掌子面的扰动，使土体以小碎块的形式自掌子面剥落下来并通过泥水环流系统排出，是比较理想的做法。盾构机设计刀盘转速在 0～1.5 r/min 之间。经过一段时间尝试，刀盘转速超过 1 r/min 时，主驱动电机经常出现个别电机负载过大的情况，导致经常性的跳停，无法实现连续稳定掘进。综合上述情况，设定刀盘转速在 1 r/min。

在确定刀盘转速的同时，施工时也对掘进速度进行了尝试。初始控制掘进速度在 8 mm/min～12mm/min，掘进期间刀盘扭矩控制较为理想，出渣也以小碎黏土块为主，出渣量连续稳定。过程中对推进速度逐渐进行了提升。发现当平均速度大于 15 mm/min 时，又出现了二次堆积的现象，大黏土块较多，掘进困难。为此，将掘进速度控制在10 mm/min～15 mm/min、平均速度不大于 13 mm/min 的掘进参数，适应全断面黏土地层掘进的需要。

4.3 泥浆比重的控制

根据专家提出的建议，严格控制进浆比重在 1.08 kg/cm3以内，经过大约 15 环的掘进，排出了之前在开挖舱内及刀盘壁上堆积的渣土块。经过尝试发现，当进浆比重大于1.10 kg/cm3时，掘进较为困难。为此，确定了掘进完成后弃浆加清水的方法进行调浆，确保盾构的每 1 环掘进前的比重控制在 1.06 g/cm3～1.08 g/cm3，掘进过程中进泥比重不大于1.08 g/cm3的泥浆参数，取得了较为良好的效果。

4.4 进排泥流量的控制

在全断面黏土地层中掘进中，采用大流量的泥水循环，及时将开挖出的小块渣土排出以避免出现沉积，是必须的措施。在确保进出浆泵负载在合理范围内的前提下，尽量提高泥水环流流量。实践证明，进泥流量控制在 1 900 m3/h～2 100 m3/h 的范围内，排泥流量基本稳定在 2 300 m3/h ～2 600 m3/h (含清水冲刷量)，P2.1 泵负载在可控范围内，出渣情况也比较稳定。

4.5 冲刷系统的控制

对关键位置的冲刷也是确保环流系统效果的关键。开挖舱及气泡舱的拥堵主要集中在刀盘面板及中心体、前闸门及P2.1 泵吸口。针对这些位置，分别有着对应的冲刷管路及冲刷系统。

刀盘面板及中心体冲刷属于进泥系统的一部分，由 P0.1泵进行冲刷。

前闸门冲刷由 V11V12 气动阀组控制的两路进泥管提供。在泥浆循环过程中要确保两路管路始终保持开启状态。

P2.1 泵吸口冲洗系统由新加的 4 个水枪完成；水枪由 2台 90 kW 清水泵自地面供水，经过 4 台 35 kW 水泵加压后冲洗吸口左上、右上、左下、右下四个位置。冲洗水枪压力控制在 25 Bar 上下，每个水枪的流量约 70 m3/h，合计约280 m3/h。

4.6 盾尾油脂的注入

为了确保盾尾密封效果，油脂的注入采用行程控制。每180 mm 完成一个循环注入，每环注脂量控制在 250 kg 左右。取得了较好的效果，过程中未出现大范围漏水及漏浆现象。

通过对盾构机的改造和优化施工参数，在保持刀盘转速1 r/min、进泥流量 2 000 m3/h～2 100 m3/h、进浆比重不高于1.08 kg/cm3、清水冲刷流量 250 m3/h 的前提下，盾构掘进速度稳定在 10 mm～15 mm，刀盘扭矩为 2.5 MNm～5 MNm，出渣以小于 10 cm 的泥块为主，地面沉降也得到较好控制。盾构完成改造后达到了最大日进尺 10 m、平均日进尺 7 m～8 m的施工效率，盾构机在全断面黏土地层中顺利推进。

5 结 语

泥水平衡盾构机经过改造，可以满足全断面黏土地层施工的要求。采用“高转速，小进尺，少扰动，强冲刷，低比重，大循环”的掘进思路，是保证泥水平衡盾构机在全断面黏土地层顺利掘进的有效办法。