灞河富水砂层条件下盾构选型及下穿施工关键技术研究

张英智，韦晓霞，赵永军，刘锋涛，沈富英，王晓军，毕肖锋，阮雷

（中建丝路建设投资有限公司，西安 710075）

1 引言

随着城市地铁建设进程的推进，各地新建地铁已由城市中心逐渐向偏远郊区甚至城际区域延伸，盾构法施工将不可避免地面临下穿既有河流、湖泊等富水砂性地层等复杂环境。杨永强等[1-3]针对全断面砂层掘进磨损严重、沉降难控制等问题，通过理论实践相结合，提出采用膨润土泥浆配合泡沫进行沉降控制；冯晓九[4]提出洞门接口管片采用刚度大的铸铁环时，沉降控制效果进一步提高。本文对盾构选型、盾构机改造等方面展开研究，并针对土压平衡盾构穿越灞河过程中存在的螺旋机喷涌、盾构管片渗漏水及盾尾漏水漏浆等问题进行分析总结并提出有效控制措施，研究成果可为相似地层盾构施工提供参考。

2 工程概况

2.1 工程简介

盾构区间全长2 319 m，在距区间起点约550 m 设置1 处始发井。盾构机由始发井下井始发，掘进约600 m 后下穿灞河河床及河漫滩，下穿段约660 m。下穿河床段平曲线半径R=650 m，隧顶覆土深度16.2～18.8 m，下穿段呈5.191‰单向上坡，盾构区间走向如图1 所示。区间衬砌采用预制钢筋混凝土管片，外径6 m，内径5.4 m，厚0.3 m，环宽1.5 m。

图1 盾构区间走向示意图

2.2 工程及水文地质

区间下穿灞河段上覆地层分别为黄土状土、圆砾、中砂、砂砾、粉质黏土；下部地层主要为中砂及粉质黏土。洞身范围以中砂、粉砂地层为主，并伴有粉质黏土，土质较松散，区间下穿段地质断面如图2 所示。灞河水面高程为368.55 m，灞河水深为2.0～3.1 m。下穿段地下水流速V 平均值为0.394 m/d，综合渗透系数为30 m/d。

图2 区间下穿灞河段地质纵断面图

3 盾构选型及改造

考虑到富水砂层的地层特殊性，及盾构长距离下穿灞河可靠性的施工需求，盾构选型就显得十分重要。

3.1 盾构类型比选

1）渗透系数：当地层渗透系数小于10-7m/s 时，宜选用土压平衡盾构；当渗透系数大于10-4m/s 时，宜选用泥水平衡盾构；而当渗透系数介于二者之间时，2 种盾构均可适用。根据下穿段地勘资料显示，地层综合渗透系数为3.47×10-4m/s，因此，宜选用泥水平衡盾构。

2）地层颗粒级配：土压平衡盾构适用于粉土、砂土、粉质黏土、粉砂等黏粒含量较高的地层；泥水平衡盾构适用于粗颗粒地层，如卵石、砾石层、滞水细砂层，特别是在渗透系数大且水头高的江河中优势明显。本工程盾构下穿段不同断面中砂含量在64%～92%，因此，宜选用泥水平衡盾构。

3）地下水压：根据国内外施工经验，当开挖面水压大于0.3 MPa 时，土压平衡盾构螺旋机难以形成有效土塞，极易造成渣土喷涌，此时宜采用泥水平衡盾构。本工程盾构下穿段开挖面水头范围为18～21 m，水压小于0.3 MPa，因此，宜选用土压平衡盾构。

4）施工效率：泥水平衡盾构因其结构特点出土效率相对较低。而土压平衡盾构连续出渣效率高，且渣土无须处理可直接外运，掘进速度快。由于本工程对工期要求高，从施工效率来看，宜采用土压平衡盾构。

5）施工场地：泥水平衡盾构需布置泥水处理系统及废浆弃置场地，需要的场地面积大，而土压平衡相比较而言可节约近1/3 的场地面积。由于本工程始发井地处北辰村，周边建筑密布，场地条件极为有限，因此，宜采用对场地条件要求小的土压平衡盾构。

6）综合对比分析：尽管从渗透系数及颗粒级配角度，适合选用泥水平衡盾构，但考虑到土压平衡盾构可以通过渣土改良及优化掘进参数等措施保证安全施工，同时，从施工效率、场地条件来看更适合采用土压平衡盾构。因此，经过一系列比选及专家论证，最终选用土压平衡盾构进行下穿灞河施工。

3.2 盾构机改造

3.2.1 刀盘改造

根据盾构机适应性、可靠性评估专家咨询意见，重新设计开口率为50%的软土刀盘，开口在整个盘面均匀分布，中心部位设有面积足够的开口，利于土压传递及保持土压平衡。刀盘结构采用6 主梁+6 副梁的辐条式结构设计，刀盘配置4 个泡沫口，2 个膨润土口（与泡沫口共用）。

3.2.2 刀具配置

考虑盾构区间长距离富水中砂层中含有圆砾，为增强刀具耐磨性及抗冲击性，对撕裂刀进行了改良，改良刀具如图3所示。

图3 改型撕裂刀图

具体改良措施：（1）采用钝角大合金块形式保证刀具在地层中圆砾撞击时充分的耐撞击能力；（2）中间采用小角度尖顶形式，保证刀具合金与掌子面具有较大的接触面，保证刀具的耐磨性；（3）厚度由60 mm 增加至80 mm，拓宽撕裂刀开挖轨迹，加强对下层刀具的保护；（4）将合金高度增加10 mm，延长刀具的可磨损时间。

4 下穿施工关键技术研究

盾构区间单次掘进最长约1.4 km，穿越地层以中砂层为主，隧道覆土厚度大、与灞河水力联系较强，地层渗透性强，盾尾密封失效的风险高，且土压建立较困难，易发生喷涌及管片渗漏水等问题。

4.1 盾构螺旋机喷涌防治

针对下穿中出现的喷涌问题，施工中采取以下措施：（1）渣土改良剂中泡沫注入率提升至15%、泡沫原液比例为4.5%，膨润土泥浆采用膨润土∶水=1∶9，并膨化12 h，黏度控制在40 s；（2）盾构掘进中土仓压力、刀盘扭矩、刀盘推力平均值分别增加至0.168 MPa、2 680 kN·m、16 470 kN，同时，掘进速度减少至53 mm/min；（3）对灞河河水进行泄水，降低开挖面水头；（4）每5 环施作双液浆止水环；（5）停机保压。

4.2 盾尾漏水漏浆防治

下穿灞河掘进初期，盾尾出现漏水漏浆现象，对施工进度造成一定影响，主要原因在于：（1）手涂油脂局部可能存在不饱满现象，尾刷磨损后形成渗漏通道；（2）下穿段姿态纠偏不及时，造成盾尾间隙偏小，尾刷磨损偏大；（3）掘进过程中，盾尾清理不及时导致盾尾夹渣较多，对盾尾磨损较大。

针对盾尾出现漏水漏浆问题，采取以下措施：（1）在盾尾漏水漏浆处塞入涂满盾尾油脂的钢丝球和海绵条；（2）换用黏性和纤维含量更高的油脂（不易被水冲散或挤出油脂腔），增加油脂注入量；（3）减少同步注浆量，每环2～3 m3，盾尾后方跟踪注双液浆，做止水环。

4.3 下穿段部分区域管片渗水防治

下穿灞河段隧道局部管片接缝及注浆孔存在连续渗漏水现象。通过施工过程中的分析总结，主要是人为因素造成的渗漏水。具体原因在于：（1）管片吊装过程中，止水条与吊带接触位置出现受力脱胶现象，拼装后接缝出现渗水现象；（2）管片拼装后，单组推进油缸撑靴扭转未及时扶正，止水条受力脱胶；（3）管片拼装机工作幅度过大，环内管片定位时出现碰撞、摩擦等造成止水条脱胶；（4）个别螺孔密封圈使用前受潮，拼装后与螺栓孔口贴合度不好，形成渗水通道；（5）拼装前管片未冲洗干净，导致拼装时止水条间存在夹渣现象，形成渗水通道。

针对后续管片拼装质量管控措施方面，采取以下措施：（1）严格控制止水条粘贴质量，地面管片止水条的粘贴由地面值班工程师进行自检验收合格后，联合监理再次进行验收；（2）对止水条粘贴、注浆、管片拼装等相关作业人员进行专项交底，确保各施工严格按照交底内容执行；（3）采用密封袋包装螺孔密封圈，确保螺孔密封圈使用前未被浸水。

5 结语

通过对西安地铁14 号线盾构下穿灞河富水砂层盾构选型、刀盘刀具改造及施工中遇到的问题进行探讨总结，结论如下：

1）从地层渗透系数及颗粒级配方面评价，土压平衡盾构并不适合于灞河富水砂层下穿施工，但施工过程中可通过渣土改良及动态调整优化盾构参数，以保证盾构安全下穿施工。

2）为应对连续长距离穿越富水砂层，刀盘采用开口率为50%的软土刀盘，利于土压传递及保持土压平衡，同时，刀盘加强了耐磨设计；刀具配置方面，对撕裂刀进行了改良以增强刀具耐磨性及抗冲击性。

3）在土压平衡盾构喷涌控制中，采用泡沫剂+钠基膨润土等常规材料进行渣土改良是可行的，但应重视盾构掘进参数优化、降低开挖面水头、盾尾水流通路封堵及停机保压等辅助措施。

4）在盾构下穿富水砂层准备工作中，应特别重视盾尾密封质量，保证手涂油脂的饱满；下穿过程中重视盾构姿态及盾尾的及时清理。同时，在管片拼装中，要重视止水胶条粘贴、管片拼装质量，尽量减少拼装不合格而引发的渗漏水。