上部砂卵石下部中风化砂岩复合地层盾构施工技术

张肃正

中铁三局集团桥隧工程有限公司，四川成都 610036

城市地铁隧道建设普遍采用盾构法施工。盾构法施工主要使用盾构机，而盾构机适用于土体性质较均匀的地层中，如软土、砂层、砂卵石地层。渣土改良比较容易，掘进参数易于控制。对于上部砂卵石下部中风化砂岩软硬不均的复合地层，由于两种地层的岩土力学性质不同，渣土改良方法不同，掘进控制参数截然不同，穿越此类地层国内尚无较成熟的施工经验。本文以成都地铁某区间穿越复合地层施工为例，提出了上部砂卵石下部中风化砂岩这一特殊地质条件下盾构机刀具配置、渣土改良方法和掘进参数控制的施工技术要点，为类似工程施工提供掘进参数的选择和优化施工提供参考。

1 工程概况

成都地铁1号线牧华路站—广福站盾构区间隧道部分穿越上部砂卵石下部中风化砂岩的特殊地层中。区间隧道最大轨面埋深约22.1m，最小轨面埋深约11.6m，最小竖曲线半径为3000m，最大坡度为22.629‰，最小坡度为2‰。线路线间距12.0～14.0m，右线区间起讫里程：YDK27+327.050～YDK28+733.250，右线隧道全长1406.200m；左线区间起讫里程ZDK27+327.050～ZDK28+733.250（短链3.325m） ，左线隧道全长1402.875m。

盾构区间范围内地质上覆为第四系全新统人工填土层（Q4ml） 、第四系上更新统冰积、冲积层 （Q3fgl+pl） ③51细砂层及③82卵石土层和白垩系上统灌口组砂岩 （K2g） 组成。砂卵石地层为中密，一般卵石粒径30～100mm，最大粒径达180mm，砂类土和少量粘性土充填，充填物含量15%～30%。砂岩为砂状结构，泥质胶结，巨厚层状构造，节理裂隙较发育。岩芯呈柱状，饱和抗压强度值RC=10MPa，岩体完整性较好。

施工采用中铁装备直径6280mm加泥式土压平衡盾构机，刀盘开口率36%，刀盘配置盘形滚刀，以适应成都地区富水砂卵石地层为主，能兼顾适应砂岩。

2 上部砂卵石下部砂岩掘进施工问题

对于复合地层的掘进，选取何种掘进模式和渣土改良方法将决定施工的成败。在成都地区富水砂卵石地层中掘进以土压平衡模式为主，可略欠压施工，渣土改良以泡沫+膨润土为主；砂岩地层中掘进模式为敞开或半敞开模式，渣土改良以泡沫或水。在刀盘刀具配置适应性上面，根据砂卵石和砂岩的高磨耗性上，刀盘全盘配置重型宽刃滚刀。

在实际的施工中，由于地层特性不一的特点，考虑到减少地表沉降，盾构掘进采用土压平衡模式，渣土改良采用泡沫+水。但在实际掘进中发现，由于下部砂卵石较硬，掘进速度在5～20mm/min，推力达2400t，扭矩最大达6000nm。渣土改良采用泡沫，由于掘进速度不稳、不快，泡沫的用量较难掌握，造成土仓内土压较难控制。盾体上方土层为砂卵石及杂填土，极易造成泡沫击穿上方土体，在地面冒出，并带走砂卵石及杂填土中细颗粒 （见图1） ，造成盾构掘进中渣土改良效果下降并造成盾构掘进缓慢，在盾构掘进完成后，由于地面冒泡沫带走沙土，上部地层松散造成地面滞后沉降及塌方等。

图1 泡沫“冒泡”示意图

由于保压掘进中出现地面冒泡沫及滞后沉降大等情况后，针对土压平衡模式掘进较难控制，而砂卵石地层可以欠压掘进的经验，改变原有掘进模式，采用半敞开模式，土仓内适当建压，上部土压控制在0.6～0.8bar。在欠压掘进中，发现盾构掘进速度依旧缓慢，并且盾构掘进中出土量不受控制，每环掘进中出渣量异常情况严重，每环盾构掘进都超方10方以上，造成地面在盾体中盾位置时，地面出现塌方现象 （见图2） 。

图2 欠压掘进时地面塌陷情况

在第一段复合地层穿越中 （左线盾构掘进至70环，右线掘进至11环） ，由于掘进缓慢及出渣异常等情况，分析为盾构刀具选择不适应地层，并且刀盘上可能出现泥饼现象。在开仓换刀以后发现，刀盘刀具磨损现象明显，中心滚刀偏磨，周边刀有不同程度磨损 （见图3） ，刀盘面板前面中心区域结饼，部分刀箱开口结饼封堵。

图3 刀具磨损情况

由第一阶段的施工经验可知，在上部砂卵石下部中风后砂岩掘进存在问题如下：

（1） 刀具磨损较大，宽刃滚刀不利于中风化砂岩掘进速度的提升，施工速度慢后容易造成对上部砂卵石地层的扰动，引起超方和沉降。

（2） 渣土改良较难，单一的渣土改良方法不适合复合地层，尤其是大量使用泡沫剂的情况下，容易造成土仓压力较难控制，且泡沫主要以向砂卵石地层扩散为主，加大了对上部地层的扰动。

（3） 由于掘进速度较慢，造成砂卵石和砂岩过多的破碎，极容易引起刀盘牛腿间和刀箱结饼。

3 上部砂卵石下部砂岩掘进施工技术

由第一段复合地层中掘进中出现的状况分析可知，在此复合地层掘进中，掘进掘进施工异常困难，盾构掘进必须采取有针对性的措施，保证盾构掘进顺利，地表沉降可控，采取以下措施针对上面砂卵石下部中风化砂岩复合地层的掘进。

（1） 选择破岩及破砂卵石较强的窄刃滚刀掘进；将刀盘面板焊接撕裂刀割除：由于砂卵石容易掉至刀盘前方，影响滚刀作用，造成砂卵石卡主刀具形成刀具偏磨严重，造成刀具与掌子面分离，撕裂刀在此地层中无明显效果，并且容易造成面板砂卵石流动不畅。

（2） 在盾构穿越以前，采取袖阀管对地面进行预加固，稳定盾构上方地层，并避免盾体上方砂卵石掉至掌子面。

（3） 盾构掘进中，严格控制掘进参数，掘进模式以适应砂卵石地层为主，上部土压控制在0.8～1.2bar，推力为1200～1800t，刀盘扭矩控制在3000～4000nm。渣土改良采用泡沫为主，辅助以膨润土；刀盘中心喷水，防止中心结饼。泡沫采用巴斯夫分散型泡沫剂，原液比例2%～3%，发泡率1∶12，混合液流量300～350L/min。膨润土的使用根据渣土改良情况加入，如岩层中含泥量较高，则以加水为主。

（4） 在盾构穿越后，采取地面跟踪注浆加固，再次稳定地层，防止地面滞后沉降。

4 结语

对于上部砂卵石下部中风后砂岩复合地层的盾构掘进施工技术，需要从掘进模式、刀具配置、渣土改良、地层加固等各个方法综合控制，方能顺利完成施工，主要需要做好以下几点：

（1） 刀盘刀具的配置必须以破中风后砂岩为主，适应砂卵石为辅，需要有良好的耐磨性和较大的灌入度，建议刀具配置18寸滚刀为主，如果复合地层较短，建议配置球齿滚刀，更有利于中风化砂岩掘进，当速度提高后能减少砂卵石地层的超方量。

（2） 渣土改良以泡沫为主，以膨润土为辅，根据现场渣土改良情况加入。刀盘中心采用中心喷水，防止中心结泥饼，保持渣土的流塑性。

（3） 掘进模式以适应上部砂卵石为主。

（4） 由于盾构机对单一地层较适应，在掘进前采用地表注浆的形式对上部地层进行改良，尽量使复合地层的岩土力学差异性减少，更能适应盾构机的掘进。

（5） 盾构掘进中根据渣土双控和沉降监测数据及时进行地表跟踪注浆，防止滞后沉降。