富水砂层盾构施工技术探讨

常心毅

（中铁十八局集团有限公司第三工程有限公司，河北涿州072750）

富水砂层盾构施工技术探讨

常心毅

（中铁十八局集团有限公司第三工程有限公司，河北涿州072750）

盾构在富水砂层中施工，除存在较大的施工风险外，还会遇到众多的施工难点。文章以南昌地铁为例，从盾构的选型与性能设计、掘进参数的合理选择、渣土改良方案比选与实施等方面介绍富水砂层中土压平衡盾构施工的一些关键技术，为类似施工提供参考。

地铁；盾构选型；富水砂层；施工技术

1 工程概况

南昌地铁1号线6标彭家桥站—师大南路站区间盾构施工，由2台中国铁建重工集团有限公司生产的ZTE6250型土压平衡盾构承担施工任务，由彭家桥站始发沿北京路向西下穿玉带河及彭家桥（图1），玉带河宽约60 m，平均水深1.5 m。位于玉带河上的彭家桥为建于上世纪五十年代末的石拱桥，桥墩为浆砌块。玉带河桥台下部桥基础底标高为12.2 m，基础底距隧道顶仅4.7 m。

图1 玉带河及彭家桥

隧道主要穿越粗砂、砂砾、圆砾层，部分卵石层且在水位以下，饱和状态，富水性好，为强渗透性，在一定动水压力下，各类砂砾石层均具有产生流砂的可能。

2 盾构选型

盾构机选型原则：主要在工程及水文地质、区间隧道设计及施工条件、环境条件的基础上，参考国内外已有的类似盾构工程经验，特别是同一地区盾构隧道工程的经验，遵循安全可靠、适用、经济、先进、环保的原则来选型。

通常渗透系数大于10-7m/s 时，选用泥水盾构；渗透系数小于10-4m/s 时，选用土压平衡盾构。根据这种关系，若地层以各种级配富水的砂层、砾砂为主时，宜选择泥水平衡盾构，其他地层的组合宜选择土压平衡盾构，见图2。

土压平衡技术（EPB 盾构）适合在含有足够的细颗粒软土地层里开挖隧道，土仓和螺旋输送机里的混合土应呈现塑性，比较理想的颗粒尺寸的地层包括粘土、淤泥、砂以及砾石等，并且含有25%～30% 的水分。在细颗粒较少的富水砂砾地层，配备必要的渣土改良系统，充分改良渣土使其具有良好的的流塑性，以满足土压平衡盾构施工的需要。

考虑到本工程的周边环境，不宜采用泥水盾构。经综合考虑，选择2台配备良好的渣土改良系统及具有防喷涌措施的土压平衡盾构以完成本工程施工。

图2 盾构选型与地质关系

3 针对性设计

（1）刀盘。采用辐板式刀盘，刀盘开口率36%，刀盘泡沫喷嘴6路，能适应多种地层，刀盘装有刀具磨损检测装置，其中，靠近中心滚刀处泡沫喷嘴2路，可有效控制泥饼的生成；刀盘周边及面板焊有 hardox 耐磨钢板，以提高刀盘的耐磨性；刀座、刀具体焊有耐磨焊，以提高其耐磨性。

（2）刀具。刀具布置有切刀、贝壳刀、周边刮刀、滚刀（齿刀）。滚刀刀高175 mm，切刀刀高140 mm，滚刀与齿刀根据地质情况可互换，不同刀具在配置时设有一定的高差以有效控制泥饼的形成。刀盘中心位置可配置成滚刀结构，也可配置成鱼尾刀形式，以满足不同地层的需要。

（3）主驱动、推进、铰接系统。主驱动采用132 kW×6电机驱动，功率储备大，额定扭矩为 5700kN·m，脱困扭矩为6300 kN·m。推进系统采用20组单双缸布置，额定推力34212 kN（300 bar），最大推力39914 kN（350 bar）。铰接系统采用独立的液压系统控制，以提高盾尾的脱困能力。

（4）盾构密封系统。主驱动密封设计压力4.5 bar，额定工作压力3 bar。盾尾密封油脂注入通道为6处12路，以使油脂注入更加均匀。回转接头设计为6通道泡沫＋6通道液压＋6通道电气形式，内部密封采用特殊的旋转密封设计。

（5）渣土改良系统。泡沫系统采用独立控制的专利技术，6路泡沫的压力流量单独控制。膨润土系统采用2台可无极调速的挤压式膨润土注入泵，单台挤压泵流量最大可设置为10 m☒/h，以保证高黏度膨润土泥浆注入刀盘或土仓，满足渣土改良需要。

（6）螺旋机。螺旋机采用有轴式后部驱动设计，螺旋轴可伸缩，螺旋机筒体的前、中、后部设有检查口以利于故障排除，螺旋输送机预留保压泵接口以满足必要时安装保压泵。

（7）压缩空气系统。设备配有2台螺杆空压机，容积流量3.4 m3/min，额定压力8 bar。另外，此设备还装有2套自动保压系统，施工中投入1套，另1套作为备用。

（8）超前注浆、二次注浆。沿中盾壳体分布有14个超前注浆管预留口，通径为 DN100，用以超前加固地层。5号台车上设有二次注浆系统，可在盾构推进的同时，对脱出盾尾的管片根据需要进行二次注浆。

4 掘进参数选择

对于隧道埋深相对较浅的土层，盾构土仓压力P1按公式（1）计算：

式（1）中，β为经验系数值、γ为水的容重、h为隧道埋深、γ砂为砂的浮容重、h砂为砂层厚度。

根据不同地段的隧道埋深及类似地层的施工经验，在理论计算的基础上，推进过程中盾构土仓压力可在0.01～0.02 MPa 中间选取，并根据施工的具体参数及地面沉降的检测数据及时修正土仓压力大小。在掘进中土仓压力的调整要兼顾推力、刀盘扭矩、刀盘转速、推进速度等参数合理匹配，砂层中掘进刀盘转速过快易加大对低层的扰动，增加掌子面塌陷、超挖、地表沉降的风险，通常刀盘转速设置为0.8～1.2 rpm。刀盘扭矩受地质变化影响较大，还与刀盘的结构形式、刀具的布置等因素有很大关系。砂层中掘进应选择相对较大的开口率及合理的刀具配置，刀具配置过多会增加刀盘的扭矩，如，彭家桥站左线盾构始发时，始发后刀盘扭矩较大，推进速度较慢，其刀具配置如图3、表1所示。彭家桥站右线盾构始发时，减少了盾构机刀具配置，在推进过程中盾构机刀盘扭矩明显降低很多，其刀具配置如图4、表2所示。

由表1、表2中可以看出，在刀盘结构一定的情况下，合理选择刀具的配置，可以减小刀盘扭矩，提高推进速度。推进速度、扭矩、推力在掘进过程中要动态调控，加强渣土改良工作，提高渣土的流塑性，为此，刀盘上配有6路泡沫，其中外周1路、中间部位3路、内周2路，在掘进中向刀盘外周及内周同时注入2路膨润土，可使刀盘扭矩下降200～400 kN·m。在保证刀盘注入膨润土的同时，再向土仓适当注入1路膨润土，可进一步增加渣土的流塑性，以降低螺旋机扭矩以及在富水砂层中抑制喷涌发生。

图3 原刀盘刀具配置

图4 调整后刀盘刀具配置

表1 第1台盾构部分掘进参数

表2 第2台盾构部分掘进参数

5 盾构穿越古桥与河流

5.1 加固措施

由于彭家桥为条石桥基且无资料可查，河底隧道覆土较浅仅为4.7 m，为确保彭家桥及盾构施工的安全，对彭家桥做了加固处理。

（1）利用沙袋做围堰，将河水分流为一拱流水，另一拱加固处理，在隧道沉降影响范围对内土体及桥基础进行双液静压注浆，加固到隧道顶部2 m、桥基两侧3.5 m、桥基外侧2 m、注浆角度为20°，以提高桥基底部土体承载能力（图5）。

（2）在盾构穿越影响范围内（40.2 m 宽）河床浇注30 cm 厚钢筋混凝土进行固结处理。在彭家桥基础及桥台布设预埋袖阀管，盾构下穿过程中根据监测数据进行袖阀管跟踪注浆。为保证彭家桥的整体性与稳定性，在盾构穿越前用满堂支架将整个彭家桥拱圈支撑起来，这样可有效避免沉降过大时发生桥倒塌事故（图6）。

5.2 施工措施与掘进控制

在盾构到达彭家桥桥基下方的前50 m 时，根据试掘进的参数汇总及掘进沉降数据，确定合理的过河掘进参数，并通过这50 m 的掘进进一步核实掘进参数的合理性。

（1）在盾构穿越桥基50 m 前，盾构机全面维修保养，尤其是注浆系统，要保证注浆管路的畅通，保证二次注浆设备能够即时启用且备足二次注浆材料；泡沫、膨润土系统保证完好且无堵塞现象，保证刀盘膨润土注入管路的畅通；检查保养油脂系统，备足优质盾尾油脂，铰接的盾尾油脂注入必须完好且足量注入盾尾油脂；保证聚合物注入系统的完好达到可即时启用。

（2）盾构过彭家桥期间将道路临时封闭，增加监测频率，派人24 h 巡查，确保信息畅通，及时分析监测数据指导施工。

（3）刀盘转速采用0.9～1.0 rpm（尽量减少对桥基下土体扰动），掘进速度控制在20～30 mm/min，总推力控制在1200～1500 t，刀盘扭矩控制在3500 kN·m以下，土仓内左、右、下部土压控制在0.15～0.25 MPa；土压力随掘进刀盘所处的实际埋深进行微调，但不能调整过大，以保证土压力的均衡性；注浆流量为100～140 L/min；优先采用上部注浆管注浆，注浆管压力0.15～0.20 MPa，不超过0.25 MPa；根据地面沉降监测数据及时对脱出盾尾后的管片进行二次注浆，注浆压力控制在0.3～0.4 MPa；盾尾油脂的注入量每环不低于40 kg。

图5 桥基静压注浆及隧道管片环号

图6 满堂支架支撑桥拱

（4）严格控制出土量。每环理论出土量为37.15 m3，控制实际出土量不超过42 m3，在精确计量渣土方量的同时，测量渣土的密度，利用龙门吊的称重装置计量渣土重量，以进一步精确计量渣土确保不会超挖。

（5）管片拼装后，及时复紧上一环的管片螺栓，此外，对脱出盾尾后第4环的管片还要再次复紧；控制盾构姿态，尽可能减少纠偏，纠偏时每环不超过5 mm，合理选择拼装点位保证盾尾间隙的合理与均匀。

（6）制定专项应急预案，领导24 h 值班，加强施工监测，测量结果及时上报领导及土建工程师、主司机以进一步指导掘进施工。

6 结束语

盾构二次穿越玉带河时间相隔1个月，第1次穿越彭家桥桥面累计最大沉降 -5.6mm，第2次穿越桥面累计最大沉降 -7.8mm；在2台盾构顺利穿越之后，对桥梁进行了全面的检查、测量，结果表明桥梁满足继续安全使用。

[1] 陈克济. 地铁工程施工技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2014.

[2] 陈馈，洪开荣，吴学松. 盾构施工技术[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3] 叶耀东，琚娟，王如路，等. 盾构穿越运营地铁隧道施工技术探讨[J]. 施工技术，2005（12）.

[4] 秦建设. 盾构隧道开挖面失稳事故分析[J]. 浙江建筑，2005（10）：48-50.

[5] 刘志刚. 隧道隧洞施工地质技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2001.

责任编辑 朱开明

Discussion on Construction Technology of Shield in Water Rich Sand Layer

Chang Xinyi

The shield construction in water rich sand layer, in addition to the presence of construction risk, will also encounter lots of difficulties during construction. Taking Nanchang metro as an example, the paper discuses the selection of shield and performance design, choosing of tunneling parameters, soil and muck improvement schemes and other aspects of the implementation to introduce some of the key technology of the earth pressure balance shield construction in the water rich sand layer, providing reference for similar construction.

metro, shield selection, water rich sand layer, construction technology

常心毅（1965—）男，工程师

2016-06-28

U455.43