土压盾构穿越复合地层技术

李学军

(中铁隧道局集团有限公司，四川成都 610031)

盾构法具有安全、高效、地层适应性强等优点，在如今的隧道区间施工中得到广泛地应用。成都地铁3号线采用盾构法施工，沿线不同区段地质条件有着较大差异。为了提高施工效率，某标段选用了3台土压盾构机(编号4～6号)进行施工。由于地层的实际特点，在已有对于富水砂卵石地层盾构施工适应性分析[1]的基础上，对选用的盾构机的刀盘、刀具进行了适应性的设计，同时还为了保持盾构通过时土体的稳定，针对软弱地层进行了超前预加固[2]来满足施工要求。

本文就6号盾构机施工为例进行介绍，首先介绍盾构机的选用，然后再介绍采用的土体加固方法，供业内同行参考。

1 工程概况及施工重难点

1.1 工程地质

经勘察查明，在盾构井及盾构区间钻探揭露深度范围内，场地土主要由第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、白垩系上统灌口组(K2g)组成。隧道穿越地层主要为砂卵石地层[3]及泥岩地层。区间内不良地质为液化砂土和粉土，特殊性岩土为人工填土(图1)。

6号盾构掘进长度2 656.717m(含长、短链)。隧道曲线半径在300～450m之间，最大坡度为27 ‰。

图1 6号盾构通过地层

1.2 水文地质

根据成都区域水文地质资料、场地土层及地下水的赋存条件，地下水主要有3种类型：一是赋存于填土里的上层滞水；二是赋存于卵石层的孔隙潜水；三是基岩裂隙水。

1.3 施工重难点

通过对工程地质和水文地质的分析，可以看出其对施工存在一定的影响[4]。

(1)盾构经过区段，主要为第四系土，由于第四系沉积物形成较晚，大多未胶结，结构比较松散，属于软弱地层，这对于施工过程中地层稳定性有一定的影响。

(2)地层主要由砂卵石土层和泥岩组成，而砂卵石以稍密～密实为主，局部松散，自稳能力差；泥岩主要包括中风化和强风化泥岩两种，都是极软岩，并且中风化泥岩遇水易软化。

(3)成都地区地下水丰富，在雨季地下水一般在3.0～4.0m，砂卵石地层渗透系数一般为18～25m/d，渗透系数大，施工时泥岩软化会产生隐患。在换刀位置，需对砂卵石进行袖阀管注浆加固，但由于地下水流动性大和砂卵石的孔隙率大的特点，导致浆液(单液浆、双液浆)无法有效凝固，影响地层固结效果。

(4)卵石层中卵石含量一般在60 %～70 %之间，粒径以2～15cm为主，最大粒径达20cm。盾构掘进时，大颗粒切削或者破碎困难，加上砂卵石在掘进时与刀盘、刀具，输送设备以及密封舱内壁摩擦会产生较大的设备磨损，致使长距离掘进面临较大困难。

2 盾构机主要技术参数

2.1 盾构机选型

鉴于成都地区的地层有着较大的渗透性，从经济性和地层适应性方面考虑，最后决定选择中铁27号土压平衡式盾构机。

在施工过程中，为了增强盾构机的适应性，提高施工质量，进行了盾构机小范围的适应性改造，改造后主要性能参数如表1。

2.2 刀盘、刀具设计

2.2.1 刀盘

2.2.1.1 刀盘形式

辐条式刀盘易于控制土压力、刀盘扭矩小、设备磨损相对较小，但是对于掌子面的支撑小；面板式刀盘虽然能对掌子面能起到很好的支撑作用，但是与土层摩擦力较大需要较大的扭矩，设备磨损较大。施工区域属于软弱地层，砂卵石与刀盘摩擦大，掌子面的自稳定性差，单一辐条式和面板式刀盘并不能满足施工要求。选用辐板式刀盘最为合理，兼具二者的优点。刀盘主要由四个主刀梁和四个短刀梁及外圈梁组成，前面板和外圈梁含有耐磨层，保护刀盘本体，结构如图2。

表1 土压式盾构机改造后参数

图2 刀盘结构

2.2.1.2 刀盘开口

已有研究表明[5]，随着盾构的开口率增大，刀盘扭矩减小，土仓压力增大，因此在进行开口率设计时当选择一个合适值，不应过大也不应过小。对于砂卵石地层，盾构机刀盘整体开口率一般设计为38 %～41 %。

为了避免在施工过程中形成泥饼，在中心部位留有合适的开口以防止刀盘中心泥饼，但大面积的开口布置在刀盘外环周边，共有12个开口，每个方向旋转时可有6个有效的进碴口以满足敞开模式掘进时的进碴需求。

2.2.2 刀具

根据刀具各自的特点，盾构机刀具采用了5把双联中心滚刀，31把单刃滚刀，40把切刀和32把刮刀。配置中心滚刀用于大直径卵石颗粒的粉碎；切刀是主刀具，开挖大部分断面；刮刀开挖周边土体，保证开挖直径。大量刀具的配置，可以减小开挖所需的刀盘扭矩。

在进行刀具布置时，考虑到对刀具的保护。边刀采用大倾角(70 °)布置，以便增大刀体与开挖面的距离，减少块状碴土对刀体的额外附加荷载以减少滚刀轴承荷载，使轴承荷载尽可能用于刀刃。刀盘外环所有刀具均设计有刀体保护块，以便排开刀盘底部存留碴土，避免其对刀体的附加荷载及损坏。

3 土体加固措施

施工区间的地层属于第四系软弱岩层，在加上地下水丰富，地下水对于泥岩具有软化作用，施工条件不易满足。需要配以相应的土体加固措施，来辅助盾构推进，保证盾构通过时地层要求。

3.1 加固原理

利用管棚钻机在隧道拱顶区域钻设注浆孔，打设超前支护钢管，并进行注浆固结地层，使隧道拱顶预先形成保护带。此结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松驰的地层荷重，适时提供隧道盾构露出刀盘、无法及时注浆或补充注浆前这一空当所需的支撑力，使地表得以稳定安全，从而保证盾构施工。

3.2 实际施工参数

在本次掘进中，钻孔采用跟管钻机，管棚采用φ108mm，壁厚6mm的无缝钢管，分节安装。管棚分节为3m×2+4m=10m。两节之间采用螺纹连接，螺纹段长大于150mm，相邻两根钢花管的接头要错开，错开长度不小于1.0m。注浆钢管上钻注浆孔，孔径φ10mm，孔间距200mm，呈梅花型布置。钢管尾部2.0m不钻孔作为止浆段，注浆采用水泥浆液。管棚地层加固如图3所示。

4 施工效果

高省区间左线1 142.343m，右线1 149.459m。地质条件主要为全断面砂卵石地层。实现无换刀完成掘进任务。创造了成都地区砂卵石地层无换刀掘进长度的新纪录。

5 结论

成都地铁3号线修建区间在施工时，对盾构机进行了适应性改造，并且辅以相应的土体加固措施来保证施工，以提高效率和质量。通过对6号盾构机改造以及取得良好的施工效果，可以得出以下结论。

图3 管棚地层加固示意(单位：mm)

(1)刀盘开口率设计要根据实际土层情况进行选择，综合考虑土仓压力、刀盘扭矩和泥饼防治等因素。

(2)辐条式刀盘和面板式刀盘各有优劣，当单一式难以满足施工要求时，可以选用兼具二者优点的辐板式刀盘。

(3)刀具配置方面，大量刀具的设计能在一定程度上减小掘进所需的刀盘扭矩。

配置一定数量的中心滚刀，可以保证大颗粒卵石的破碎，避免盾构机卡壳。同时边刀的大角度布置起到了保护刀具的作用。

(4)对于软弱地层而言，配以相应的土体加固措施十分必要。