富水砂卵石地层常见问题及处置方法

韩惠军 （中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000）

富水砂卵石地层由于高富水、渗漏系数大，强度高，级配不均，内摩擦角大等特性，导致盾构在推进过程中产生了一系列问题。成都地铁自2005年建设以来，通过建设者的不懈攻关和经验积累，基本解决了盾构推进的技术问题，但在推进过程中，稍有不慎极易出现结泥、超方、卡刀盘等问题。笔者从成都地铁1、3、7、8、9 号线近 150km 的盾构施工经历出发，通过本文对富水砂卵石地层常见问题出现的原因进行分析，提出工程实施过程中的实用措施，以期为后续工程积累经验。

1 刀盘结泥饼

1.1 主要现象

在正常的推力条件下，掘进速度逐步下降，刀盘扭矩慢慢减少或者持续不变，在增加推力的情况下，掘进速度依然不能加快。在刀盘的旋转过程中，速度不均。

通过渣样观察，大粒径的卵石变少，渣样筛分后，卵石破碎率明显提高。

1.2 原因分析

造成刀盘结泥饼的主要原因有三个方面：①掘进过程中的渣土改良工作，泡沫的发泡效果不佳，半衰期短，掘进过程中加水量不足导致渣土流动性不佳；②盾构司机缺乏经验，掘进速度大于出渣速度致使仓内土体结饼；③土体中粘粒含量较高。

1.3 解决方法

在结饼不严重的情况下，采用优质泡沫或分散性泡沫，通过增加刀盘面板加水和土仓加水的形式软化渣土。

在结饼一般的情况下，采用纯分散剂或者剥离剂泡仓，一般需持续24h以上，在推进过程中除上述措施外，在膨润土箱中加入水∶分散剂=10∶1的混合液注入土仓，减少渣土的粘聚力。

在结饼严重的情况下，直接开仓进行处理。

1.4 预防措施

在设备进场前，注意刀盘开口率和格栅的布置形式，避免进渣不畅。另外需注意牛腿数量的变化，根据掘进经验，刀盘面板4辐条优于6辐条。

选用优质泡沫，注重渣土改良效果和管路的检查，安排专人关注掘进参数，特别是当速度低于3cm/min时，更应提高警惕。

在通过粘粒含量高，无水砂卵石地层，应充分认识地层的变化，调整掘进参数。

加强过程中的渣样筛分工作，发现问题及时处置。

2 卡刀盘

2.1 主要现象

刀盘在掘进过程中跳停，刀盘扭矩达到或超过设定的额定扭矩（中铁装备6280mm额定扭矩6500kN·m，脱困扭矩8100kN·m）。跳停后刀盘无法启动或者旋转。

2.2 原因分析

仓内出现沉仓现象，大粒径卵石在仓内囤积，导致刀盘启动扭矩增加。

通过上方的土层发生坍塌，土层自重作用在刀盘上导致无法启动。

地层中大于30cm的卵石较多，刀具的破碎能力足，盾构机设计额定扭矩不足。

2.3 解决方法

①反复刀盘正反转，观察刀盘的转动角度，如依旧跳停，启动脱困扭矩，再继续转动。

②向土仓内注入膨润土，通过增加细颗粒，减小仓内的卵石的摩擦角。

③利用膨润土或惰性浆液进行置换，出土降低仓位，减少仓内卵石囤积（注意出土量的控制）。

④向土仓内注入足量的膨润土或惰性浆液，当上部压力达到2.0bar（注意底部不得超过5bar），松开推进千斤顶，让盾体整体后退，一般后退5cm左右。后退后转动刀盘。

⑤开仓进行处理。

2.4 预防措施

推进过程中加强渣样的观察，特别是卵石的包裹情况，避免出现卵石与水土分离，卵石密布从螺机口排出。

加强过程中的土仓压力的保持，应尽可能的满仓或者2/3仓掘进，出土量与掘进速度保持一致。

掘进过程中扭矩应控制在3500～4500kN·m，在扭矩无特殊情况下超过5500kN·m时，应提高警惕，观察土压变化，判断前方是否出现了超方，如持续维持在5500kN·m以上时，应将螺旋机转速调至0转，持续向前掘进，一方面利用原状土与仓内渣土混合，另一方面适当憋仓待刀盘通过超方地段，此时因观察掘进速度变化，当速度发生明显下降时，根据掘进速度将螺旋机转速调高（略低于正常逻辑转速）。

加强地质勘查工作，特别是有大卵石粒径的地段，加强排查，根据粒径大小，在设备选型阶段调整格栅布置和刀具配置。

3 出土超方导致的地面塌陷

3.1 主要现象

砂卵石地层6280mm盾构机单环出土量超过（54m），松散系数取1.18，出土重量超过108t（需扣除水、泡沫等添加剂重量），采用体积与重量双控。

3.2 原因分析

为追求掘进速度和减小仓内渣土改良难度，仓位较低，土压不平衡，土仓压力不足以抵抗土压力，导致土体垮塌。

掘进过程中，螺旋机转速与掘进速度不匹配，操作人员认识不到位。

掘进异常，出现喷涌、结饼等情况，导致出土量不受控。

地层条件较为复杂，存在透镜体砂层等不良地层，地层自稳性较差等情况。

3.3 解决方法

对超方量＞3m的地段，必须立即停止施工，寻找空洞，一般选取在超方地段刀盘对应位置后1m寻找空洞，若无，可扩大范围。找到空洞后，需首先判断空洞距刀盘的垂直厚度，如厚度小于3m的，必须对空洞底部进行填砂处理，后进行灌注混凝土。大于3m以上的，可直接灌注混凝土。灌注期间之前，仓内可适当注入膨润土，避免混凝土进入土仓内。灌注期间密切灌注土仓土压变化。待混凝土凝固后，恢复掘进，恢复掘进前需空推10cm左右，避免仓内过空，导致再次垮塌。

对超方量＜3m的地段，加强监测，待盾尾通过后及时对地表进行注浆处理，注意注浆压力的控制，避免浆液注入土仓内。

3.3 预防措施

①建立相应的预警预控制度，当掘进参数发生异常或出土量超方时，及时进行处置。

②合理控制掘进参数，特别是土压，保持合理的土压，适度欠压，避免空仓率过高导致坍塌。

③加强盾构司机的培训和教育，充分认识砂卵石地层与其他地层的区别，特别是螺旋机闸门与转速的控制。

④对地层提前进行预判，特别是砂卵石上部黏土层欠缺或较薄，地层中存在透镜体砂层的，适度对地层进行加固处理。

4 结语

上述从工程实践出发，仅介绍了砂卵石地层推进常见的结饼、卡刀盘、出土超方3种情况，在工程实施过程中碰到的情况更为复杂和具体，但出现的问题都有征兆，如何将这些问题消灭在萌芽状态，笔者也就后续盾构施工发展做如下设想。

①大数据的应用与发展

随着盾构施工的普及与大数据时代的来临，通过对盾构数据的分析，总结和开发一套自动无人驾驶，减少人为因素的影响。

②仓内实时可视化系统

盾构推进很多问题最后都是通过开仓来解决的，如开发一套仓内实时可视化系统，可便于操作者对仓内情况及时进行判断，果断采取措施。

③超前的地质预报

“地质是基础、设备是关键、人是根本”，而现阶段我们了解地质情况大多通过25m一个的地面探孔，孔间的地质情况需通过人为分析，未来可通过预装在盾构机上的地质预报系统，便于掌握盾构前方的详细地质情况，便于调整掘进参数。