大漂石高富水地层土压平衡盾构施工控制策略

2021-06-29赵旭伟

城市轨道交通研究 2021年6期

赵旭伟

(1. 中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海；2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，610031，成都 ∥ 高级工程师)

卵漂石是指一种以漂石、卵石、砾石为主，含有砂土及少量黏性土的松散粗碎屑堆积物。我国冲积层与洪积层地区，以及江河沿岸广泛分布砂卵石地层和卵漂石地层，如成都市域全境，沈阳、北京市域大部，兰州、广州、武汉、南京、深圳市域局部。

卵漂石地层具有离散性、强透水性、高磨耗性等特点，盾构施工时易出现掘进失控(如开挖面失稳、地面塌陷、盾构机“卡死”)、机具磨损失效(如刀具磨损、螺旋输送机主轴断裂)等现象，这将会诱发重大工程事故。因此，极有必要开展卵漂石地层盾构施工控制研究[1]。

成都地铁4号线穿越大漂石高富水地层，施工过程中出现了多起地面塌陷、盾构机卡死等事故。针对此类问题，文献[2]以成都地铁1号线为背景，从地质、设备选型和施工工艺等方面分析了地层坍塌的原因。文献[3]建立了考虑刀盘切削土体的刀盘扭矩计算方法，并通过室内试验对计算方法进行了验证。文献[4]在分析影响盾构刀盘扭矩因素的基础上，提出了考虑渣土改良剂和土舱内外压力差的刀盘扭矩计算方法。文献[5]考虑进出土平衡关系，建立了螺旋输送机转速的计算方法来控制地表变形。文献[6]对成都砂卵石地层不同边界条件下的地表沉降规律做了系统研究。

成都地铁4号线穿越地层相较于成都地铁1号线漂石含量更高、粒径更大，室内模型试验难以模拟原状土层的性质[7]，因此，大漂石地层盾构施工控制有待进一步研究。本文以成都地铁4号线某区间为试验段，对土压平衡盾构施工过程中出现的典型问题进行了研究，结合现场试验提出大漂石地层盾构施工控制策略，以期对类似地层盾构施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

成都地铁4号线主要穿越全新统冲积层Q4和上更新统Q3。第四系全新统Q4〈2-9〉和上更新统Q3〈3-8〉卵石土中水量较丰富，主要为具微承压性的孔隙潜水。全新统冲积层Q4主要由灰色砂及砂砾卵石构成，上更新统Q3由卵石土夹粉细砂构成，且局部地段漂石富集。试验段地下水主要为孔隙潜水，赋存于砂、卵石土中，地层渗透系数大，含水量丰富，含水层总厚度大于30 m，其补给源主要为大气降水，区间水位埋深为5.6～8.0 m。试验段主要穿越〈2-9-2〉和〈3-8-3〉层卵石土。

根据试验段漂石强度统计结果，漂石天然密度为2.7 g/cm3；漂石天然抗压强度为40～200 MPa，个别达到299 MPa。由于漂石单体抗压强度高、分布离散、破碎难度大，因此施工过程中易出现刀盘“卡死”、刀具磨损严重或滚刀崩裂等现象。根据地勘报告，卵漂石地层内摩擦角较大，达到35°～40°，且渗透性较强。由于卵漂石内摩擦角大且缺少细颗粒，在富水条件下渣土流动性差，改良难度大。试验段地层颗粒级配曲线呈斜L型分布，卵漂石含量为70%～90%，其余为圆砾、砂充填；颗粒级配曲线不均匀系数Cu=152.4，曲率系数Cc=30.3；整个土层细颗粒含量较少，土层级配不良，渣土改良难度大。图1为土压平衡盾构推进过程中开仓取出的大漂石。

图1 试验段大粒径漂石

1.2 漂石分布特征

为了保证施工安全及施工效率，施工前沿线路纵向布置了8个探坑,以详细了解线路沿线地质情况。图2为试验段探坑典型断面图。

图2 试验段探坑典型断面图

1.2.1 隧道穿越段沿线路走向漂石分布特征

隧道埋深主要集中在10～20 m范围内。结合现场勘测资料，采用漂石和其他土颗粒体积之比描述漂石的分布特征。从整体上来看，由西向东漂石含量具有越来越低的特征。

1.2.2 隧道穿越段沿线路走向最大粒径漂石分布特征

根据现场勘察揭示，最大漂石粒径沿线路纵向呈波浪形变化趋势，漂石分布具有不均匀性、随机性的特性，漂石粒径大多为35～40 cm，最大漂石粒径达110 cm，这对盾构选型及施工安全提出了诸多挑战。

1.2.3 隧道穿越段沿线路深度方向漂石分布特征

漂石主要集中在地面下10～20 m。在隧道穿越区段，漂石粒径大多为30～40 cm，占总量的70%～90%；粒径大于40 cm的漂石较少，占总量的3%～7%。这无疑增加了施工难度。

2 大漂石高富水地层盾构施工典型问题

2.1 漂石粒径大、强度高、含量高是施工过程易卡机的直接原因

试验段盾构穿越地层卵漂石含量一般为70%～90%，漂石粒径主要集中在30～40 cm范围内，最大粒径达110 cm；漂石平均抗压强度为180 MPa，个别漂石抗压强度达到299 MPa。这种大粒径、高强度漂石卡在刀盘开口处不能顺利进入土舱，且随着刀盘转动而不能被破碎，盾构掘进过程中容易造成刀盘扭矩加大，甚至导致刀盘无法转动，从而出现卡机故障(见图3 a))，更甚者由于大漂石不能及时排除而造成螺旋输送机主轴断裂(见图3 b))；盾构施工中由于停机时间长，在富水环境下松散的土体颗粒变得密实，会使刀盘扭矩进一步加大造成盾构“卡死”；另外，渣土改良失效，刀盘转动困难也是刀盘“卡死”故障的原因之一。

图3 土压平衡盾构故障

2.2 漂石强度高及渣土改良效果差是刀具磨损严重的主要诱因

图4为盾构施工过程中更换下的刀具。由于漂石的抗压强度较高、粒径较大且细颗粒含量较少，大漂石区段渣土改良一直处于尝试阶段，渣土改良效果较差，刀具磨损严重。图5为盾构施工现场排出的渣土。

图4 盾构施工过程中更换下的刀具

图5 盾构施工现场排出的渣土

2.3 施工过程易超挖是造成地面塌陷的直接因素

超挖量ΔV是盾构掘进过程中每环实际出土量Vr与理论出土量Vth的差值。Vth计算时考虑刀盘转动导致土体颗粒松散的松散系数。则有：

ΔV=Vr-Vth

(1)

(2)

式中:

D1——隧道开挖直径，m;

D2——隧道设计直径，m；

η——土体颗粒的松散系数，卵石土取1.2；

L——管片宽度，取1.5 m。

结合现场施工统计了试验段左、右线640环的出土情况。结果显示，卵漂石地层盾构施工超挖量较大，左线每环最大超挖量为49 m3，右线每环最大超挖量高达80 m3，证明卵漂石地层盾构掘进过程中出土量控制较为困难。由于施工控制难度较大，施工过程中地面多次发生较大变形，甚至塌陷，通常采用地面补填混凝土和砂的办法解决，局部地段补填体积高达几百立方。这不仅严重影响了施工文明，且增加了施工工期与成本。图6为成都地铁某区段盾构施工过程中地面坍塌的典型情况。

图6 成都地铁某区段盾构施工引起的地面坍塌

另外，卡机脱困清舱导致渣土涌入，渣土中的大漂石因不能被破碎而进入土舱，并随着盾构推进在刀盘前方转动。其中漂石含量分布的差异性和随机性也会导致盾构施工参数控制困难，进而超挖造成出土过量，并引起地面塌陷。

从施工环境看，虽然卵漂石地层中土体颗粒之间的咬合作用具有成拱能力，但富水地层受扰动后细颗粒被带走，颗粒胶结作用减弱，在刀盘切削扰动后，土拱稳定性减弱，也会造成地面较大滞后变形。

3 大漂石高富水地层盾构施工控制策略

要解决大漂石高富水地层盾构施工过程中面临的“卡”、“磨”、“塌”等问题，关键要从施工机械和施工参数两方面入手进行控制。合理选择施工机械可以从源头上有效控制施工过程中刀盘易卡、刀具易磨的问题，合理选择施工参数可以有效控制施工过程中地面易塌陷的问题。

3.1 盾构机选型

试验段左线采用海瑞克盾构机，刀盘开口率为36%；右线采用辽宁三三盾构机，刀盘开口率为34%。这两种盾构机均为复合式刀盘，螺旋输送机直径和最大排渣粒径基本相同。最大的区别主要体现在盾构机的动力配置上，海瑞克盾构机的额定扭矩为6 228 kNm，脱困扭矩为7 447 kNm；辽宁三三盾构机的额定扭矩为 6 850 kNm，脱困扭矩为8 320 kNm。

从现场施工情况来看，初步施工阶段右线盾构卡机次数和超挖量相较于左线要少。图7为施工稳定后第400环至第600环左、右线超挖统计结果。由图7可知，右线超挖量明显少于左线。经试验统计，盾构机在大漂石高富水地层中掘进的平均扭矩约为 6 000 kNm, 平均脱困扭矩大于7 300 kNm。考虑1.1倍的储备系数，建议大漂石地层中盾构施工采用动力配置较高的复合式盾构机，即额定扭矩大于6 600 kNm，脱困扭矩大于8 030 kNm。