浅覆土上卵石下泥岩地层盾构掘进控制技术研究

郭明华

(中铁十六局集团有限公司 北京 100124)

1 引言

随着我国盾构施工技术的发展，在不同地质条件下有着不同的施工技术方法与措施，盾构施工技术目前已相当成熟，但对于浅覆土上软下硬地层盾构施工，可参考使用的技术并不多见。本文主要根据成都地铁6号线土建某标段的地质特点，有针对性地对土压平衡盾构在浅覆土上卵石下泥岩地层盾构掘进的控制进行分析和总结，并为以后类似工程地质条件下的盾构施工提供技术参考。

2 工程概况

成都地铁6号线土建某标段出入线，单线总里程1 274.725 m。线路自车站端明挖区间端头井始发，以350 m曲线半径下穿城市主干道之后，进入湖区洼地，并在洼地中穿越湖中非机动车行桥以及高速路匝道，其后以与绕城高速大致平行的方向在湖区内向西顺次穿越湖区、河道、客运铁路线等重特大风险源点，最终以250 m曲线半径拐入车辆段接收井，见图1。

图1 成都地铁6号线某标段出入线线路

根据地质详勘资料显示，地层中黏土、泥岩均具弱膨胀性。在实际施工中，隧道最低点位于单一中风化泥岩地层，其余约三分之二线路全部位于上部卵石下部泥岩的复合地层中，在该复合地层段隧道平均埋深在8.8～14.5 m，且大部分隧道位于湖区下方。

湖区内从上往下依次是杂填土、素填土、黏土、粉质黏土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密实卵石、强风化泥岩和中风化泥岩。地质组成较复杂，隧道断面内地下水丰富，透水性较强，见图2。

图2 成都地铁6号线某标段地质断面图

3 施工中遇到的困难

3.1 覆土浅，保压困难

地勘资料显示该区段隧道埋深约8～13 m，隧道上部覆盖有1～4.5 m杂填土，1～3.5 m素填土和5 m左右的卵石层，其中杂填土和素填土层是人为换填土，较松散，透水性强，气密性差。掘进过程中，掌子面不能有效保压，地面易出现冒泡沫冒泥浆的现象，并进一步造成推进时渣土改良效果不佳，出渣不畅，严重时造成地面塌陷。

3.2 上卵石下泥岩地层卵石自稳性差，推进困难

该区域隧道断面内上部为卵石层，下部为泥岩层。卵石层卵石含量大于70%，粒径2～20 cm，局部含漂石，分选性差，层厚5.2～16.8 m，卵石强度42～102 MPa。该层长期在湖水与地下水的渗透冲刷作用下，细颗粒流失，孔隙率大，十分松散，无整体强度，受扰动后极易剥落。施工过程中多次出现推进拼装转换过程中掌子面土体持续剥落，直至土仓完全充实填满的现象。泥岩层主要为强风化和中风化泥岩，泥岩强度在8～20 MPa不等，泥岩层整体强度高，自稳性强，地层中的黏土、泥岩均具弱膨胀性。

由于上部卵石层自稳性差，而下部泥岩层自稳性非常好，两种地质条件的自稳性差别太大，导致盾构机在推进过程中掘进速度不稳定。

3.3 渣土改良困难

本区段推进过程中，渣土改良主要通过注入泡沫剂、膨润土和水的方式进行，但改良效果不佳。由于地层中渣土受扰动后剥落速度较快，渣土在土仓内无法充分搅拌，泡沫剂和膨润土不能与切削下来的卵石和泥岩块充分混合，渣土从螺旋机排出时则呈现卵石与渣土分离和间歇性喷涌的状态。即渣土和卵石分段排出，有时集中出泥岩，有时集中出卵石，有时集中喷涌，喷涌时涌出的泥浆内携带有细沙、卵石和泥岩块。

4 原因分析

上卵石下泥岩地层中盾构机掘进，出现上述诸多问题，经过多次开仓检查以及后期分析总结，我们认为该区段推进困难的主要原因有以下几个方面:

(1)该区段复合地层中上部卵石松散自稳性差，地层中地下水径流速度过快，渣土改良用膨润土浆液又不能起到良好的支撑作用是造成塌方和推进困难的主要原因[1]。

①上部卵石具有直径大、强度高、自稳性差等特点，施工中面临卵石大面积剥落、刀盘扭矩过大和掘进效率低等问题。

②地下水含量丰富且水压较大，螺旋机容易发生喷涌，同时在压力作用下对卵石层上部的回填土层形成动态冲刷，地面黏土层被破坏，进一步导致地面击穿，掌子面失压。

③在上卵石下泥岩地层进行盾构掘进，推力和扭矩变化较大，盾构机较难控制，同时上部卵石自稳性差，下部泥岩层自稳性好，在掘进时形成较大的理论空隙，地层中的卵石在地下水和刀盘转动的作用下向这些空隙内填塞，加大了上部松散卵石层的土体损失，加剧了地面沉降，见图3。

图3 盾构刀盘间隙填满卵石

(2)掌子面剥落的卵石与切碎的泥岩块混合黏结在一起，形成胶结状板块，堆积在开挖仓扭腿中间和螺旋机出口两侧，见图4，阻碍了渣土流动，堵塞了出渣通道，造成开挖舱内两侧渣土出渣不畅，正面渣土不能进入开挖仓，也导致了速度不能迅速提升。

图4 盾构刀盘间隙填满胶结状板块

地层中剥落的卵石夹在泥岩面与刀盘面板之间形成阻隔，见图5，推力通过刀盘面板传递给卵石，再通过卵石传递到泥岩面上。这种隔断作用使得刀盘面板上的刀具不能有效切削泥岩面，刀盘只能在原地旋转，直至卵石被挤压碎或挤压进泥岩层里面，刀具切削到泥岩面，推进速度方有起色[2]。

图5 泥岩面与刀盘面板之间形成的阻隔

5 采取的措施及其成效

5.1 改良并动态调整膨润土浆液，保证泥膜效果

在停机期间向土仓内注入膨化好的膨润土浆液，且注入气体加压，建立泥膜并尽量使泥膜扩散渗透至更深远处，通过该方式减少隧道上方卵石的剥落量，提高推进速度[3]。

经过不断试验表明，调整膨润土的发酵时间及黏稠度，在每环掘进完成后及时向土仓内注入5～7 m3发酵至少24 h以上的黏稠度为60 s的膨润土，以使土体达到良好的流塑状态。使用膨润土浆液可有效渗入到砂卵石地层中，形成较厚的泥膜，减少超排量，螺旋输送机出土时，膨润土浆液会包裹着卵石出来[4]。

5.2 半土压半泥水压模式保压掘进

由于本区间覆土较浅，隧道上部能起保压作用的回填土和黏土层厚度较薄，因此保压推进时压力不能太高，否则地面易击穿[5]。综合评判之后选用“半土压半泥水”模式保压掘进，即开挖仓上部1/3为膨润土浆液形成的“泥水压”，下半部2/3为实土压。泥水压和实土压均通过压力计读取并判断，每一环都需要根据出渣中的卵石含量进行动态调整[6]。

5.3 增加高压水冲洗措施

在原有泡沫管路和膨润土管路不变的前提下，在盾构机中隔板靠近螺旋机两侧的位置，额外增加两路供水管，向土仓内供水。为保证达到冲洗效果，在管路上安装增压水泵，以提高冲洗水压，减轻螺旋机两侧的板结情况。

为便于操控，由技术人员在控制室内安装远程控制旋钮，以便司机在推进过程中可根据出渣口的渣土改良情况，实时控制开关水及加水量。实践表明，通过改进后，一方面渣土改良效果有明显的改善；另一方面主动补水后，也在一定程度上减少了出渣时带走的地下水量，降低了超排量。

上述改进虽解决了膨润土浆液带来的喷涌带渣问题，渣土改良情况也较增加水泵前流塑性更好，但是推进过程中速度仍然不稳定，超排情况虽有所降低但仍不能良好控制。同时操控起来对司机的精准判断要求也极高，水加多则喷涌，水加少则板结。

5.4 严格控制土压波动

由于上部砂卵石较松散，虽然制作了泥膜，但是在推进中土压力波动过大，会破坏泥膜，造成掌子面上的砂卵石脱落。为降低压力波动对地层的影响，在推进控制过程中，顶部土压力波动必须保持平衡稳定，其波动值不能超过0.2 bar，超过0.2 bar的波动，会对卵石层内的地下水形成较大冲击，同时会对上部黏土层形成冲刷，造成细颗粒流失增加，进而造成塌方。

5.5 上卵石下泥岩地层中盾构机快速连续掘进技术参数

上卵石下泥岩地层中盾构机掘进，泥膜是有时效性的，必须连续快速掘进。首先，要保证设备的完好率，减少故障发生；其次，减少工序衔接的时间，形成连续掘进；最后，在推进过程中，思想要高度集中，严格控制各项掘进参数，连续掘进[7]。一般情况下，这种地层的掘进主要参数如下:刀盘转速在1.0～1.5 r/min，推力在 1 100～1 500 t，扭矩在3 500～5 000 kN˙m，推进速度在30～50 mm/min，上土压在0.6～0.8 bar。

5.6 严格控制出渣量保压推进

为防止地面沉降或塌陷，试验在控制出渣量的前提下保压掘进的操作模式。操作过程中按如下要点进行控制:

(1)严格控制出渣量

出渣量控制以掘进进尺为准，按每进尺5 cm为一个控制段，严格核算出渣量与进尺的差值。当出渣量超出进尺5 cm的理论量时，调整螺旋机转速降低出渣速度，使得进尺与出渣量匹配[8]。在出渣量超出掘进进尺10 cm的理论量时，则停止掘进，视情况向舱内注入膨润土浆液或惰性砂浆进行补充，其后再恢复掘进。

(2)严格控制土仓压力

掘进时控制顶部压力波动不大于0.2 bar。掘进完成后，以向土仓内注入60 s黏稠的膨润土浆液且加气的方式，保证掌子面压力在停机转换工序期间保持稳定[9]。

该方法下可控制不超排，推进速度基本能控制在30～50 mm/min。推进过程中司机需同时观察土压、推力、扭矩、出渣量及渣土改良情况的实时变化，并综合上述变化决定参数调整项和调整幅度，以保证掘进顺利进行。按该方法操作时，要保证渣土改良的效果，确保螺旋机排出来的渣土保持液态的流塑状，否则刀盘中心区和面板上会在很短的时间内结满泥饼，且必须开仓作业才能处理。

6 初步结论及建议

经过多次试验后，最后决定在本区间复合地层范围内综合采取如下解决措施:

(1)对有条件能够提前加固的区域以及重点风险源点，使用WSS工法进行地面注浆加固。

(2)推进完成后，由盾构机司机根据上一环掘进过程中出现的卵石量判断向舱内注入60 s黏稠膨润土浆液的具体方量[10]。其判断标准为:当目测可见卵石集中出现抱团或成堆时，就必须在停机时注入膨润土浆液，一般为5～7 m3。

(3)工序转换过程中或停机过程中交替使用注入60 s黏稠膨润土浆液且加气的方式，持续保压。

(4)推进过程中采取保压并控制压力波动和出土量的推进手法控制推进[11]。

(5)在不超排的情况下，推进速度控制在30～50 mm/min之间，速度不宜太快。

(6)由于地层中含有部分砂卵石，刀盘转速不宜太快，防止扰动，刀盘转速一般控制在1.0～1.5 r/min。

(7)推进过程中动态调整中心和螺旋机两侧加水冲洗，确保渣土改良的效果，防止结泥饼。如出现渣土改良效果不佳的情况，则停止推进并通过注入膨润土的方式对舱内土体进行改良，直至改良情况达到要求再恢复掘进[12]。

经过不断试验有效地在上卵石下泥岩地层中进行推进，基本能够达到连续快速掘进，在具体操作时，对整个操作过程要求较高，建议如下:

本区间最后采取的综合控制方式，可达到控制超排和保证连续推进作业的目标，但对压力波动控制和渣土改良的要求极高，控制不好就有结泥饼和卡刀盘的施工风险，在控制过程中需由司机根据实时情况和盾构机上各个掘进参数的实时变化进行动态判断。

使用膨润土浆液建立泥膜保压时，膨润土配比和注入量需根据地层中水量变化和卵石量变化进行动态调整。

地面注浆加固可有效解决上卵石下泥岩复合地层中，卵石剥落与结泥饼之间的平衡问题，但受到地面环境及施工成本的限制，不能在全区间实施。

7 结束语

通过在本区间对盾构机在上卵石下泥岩的复合地层中不同推进控制方式下的推进试验总结，一方面给出了在该地层条件下一种可行的盾构掘进控制方法，另一方面也初步得出了如下结论:

在复合地层中掘进时，盾构机控制参数的设定应首先考虑不良地层，如本区间的卵石层，其后再考虑其他地层。且该综合参数的设定应按照复合地层中各个地层的比例不同，以近似差比法的方式设定和调整，并应较大幅度地偏向于不良地质层。

本区间的掘进实践也再次证明了，盾构机掘进参数的设定必须以盾构机的基本压力平衡原理为基础进行展开，凡是脱离了这个基本原理进行的参数设定，都不可避免地会出现这样或那样的问题，盾构机司机必须完全掌握这个原理。

因此，在上卵石下泥岩地层中采用这种方式掘进，可有效防止地面塌陷，能够快速连续地进行掘进。