摘要：通过成都地铁17号线黄石～市五医院区间砂卵石地层条件下大直径土压平衡盾构机掘进的施工控制技术研究，结合以往工程施工经验，从盾构机选型到掘进速度、推力、刀盘扭矩、出渣量、同步注浆及土仓压力控制等方面提出了相关建议，详细分析了盾构关键掘进参数协调控制技术和注意事项，以实现掌子面的稳定从而确保盾构安全、高效掘进。同时对施工过程中遇到的下穿高速公路、河道、厂房等重特大危险源所出现的问题及应对措施进行了认真分析，可为今后同类地层盾构掘进提供借鉴。
关键词：地铁隧道；成都砂卵石地层；大直径土压平衡盾构；参数协调控制；管片拼装缺陷；滞后不均匀沉降
Talking about the Construction Technology of Large Diameter Earth Pressure Balance Shield Machine in Sandy Cobble Ground
Li Shaocheng
（China Communications Third Navigation Administration Third Engineering Co.，Ltd.，Nanjing 210001，China）
Abstract：cording to the construction characteristics of large-diameter earth pressure balance shield machine under the conditions of yellow to urban sand-pebble stratum in the first phase of Chengdu Metro Line 17，according to the previous construction experience and shield material test ratio and related research materials，Shield machine selection to the excavation speed，thrust，cutter torque，slag volume，synchronous grouting and soil pressure control，etc.，detailed analysis of the shield key control parameters coordination control technology and related precautions to achieve the face The stability ensures a safe and efficient tunneling.From the aspects of construction difficulties，equipment failures and countermeasures，the construction of the heavy-duty risk source under construction and the assembly defects of tunnel inner segment，small radius curve section excavation，delayed settlement and other construction problems are analyzed.Solved to better control the quality of the entire project.
Key words：subway tunnel；Chengdu sand and gravel stratum；large diameter earth pressure balance shield；parameter coordinated control；small radius curve；segment assembly defect；hysteresis uneven settlement
引言
成都地铁盾构在砂卵石地层掘进时易出现刀盘刀具磨损、刀盘及螺机卡机等常见故障现象和滞后沉降等控制难点。针对盾构在砂卵石地层条件下掘进的特点，前期盾构相关人员已从刀盘、刀具选型及优化设计、刀具磨损规律、同步注浆技术和地层沉降控制等方面进行了相关研究。针对成都地铁富水砂卵石盾构区间地表坍塌原因进行初步分析，并结合工程实践提出相应的施工对策，砂卵石地层条件下土压盾构施工泡沫技术和渣土改良技术的分析，土压平衡盾构在富水砂卵石地层中的快速掘进技术进行了研究讨论，最后以成都地铁17号线典型砂卵石地层盾构工程为背景，研究了土压平衡盾构与砂卵石地层的适应性特征。本文基于成都地铁17号线1期工程黄石～市五医院区间砂卵石地层条件下盾构施工情况，着重对穿越特重大风险原、管片拼装质量、滞后沉降控制等工程难点进行分析，并提出相应应对措施。
1 工程概况
成都地铁17号线1期黄石～市五医院区间隧道起于黄石站南侧，至于市五医院站北侧。
图1 区间线路示意图
Figure 1 Schematic diagram of the interval line
该区间地层由上至下为人工填土<1-2>、粉质黏土<2-3>、稍密卵石土<3-8-1>、中密卵石土<3-8-2>、密室卵石土<3-8-3>。卵石土天然密度一般为2.7～3.1g/cm3，天然含水量为0.1～0.8％。该段漂石粒径多集中在20～40cm区间，大于40cm的漂石较少；埋深10～20m范围内较其他深度漂石含量稍高；漂石分布有较大的随机性，局部地段富集。该地层特点整体松散、自稳性较差，扰动后极易塌方，洞内和地表加固效果差且地下水丰富。
2 盾构机选型
成都地铁17号线1期工程黄石～市五医院区间砂卵石地层的地质特性和地下水丰富、水位高、渗透系数大以及受扰动易塌陷的情况，盾构机的选型重点从以下几个方面考虑。
砂卵石地层对刀盘的负载扭矩巨大导致出现卡刀盘现象盾构机在驱动部选用上考虑大扭矩的配置；
砂卵石地层掘进时刀盘和螺旋机等磨损严重。盾构机考虑在刀盘和螺旋机等部件强化耐磨层的设计；
富水砂卵石地层地下水含量丰富，地层渗透性强。盾构机考虑螺旋机考虑防喷涌设计和对土仓内的富水渣土的改良设计减缓喷涌压力；
盾构机需减小地层扰动、控制好地层的沉降。盾构机考虑配置微速推进系统配合螺旋机的PID控制设计在穿越重要风险源时能有效的控制盾构机掘进时对土壤的扰动及地层的沉降，盾构机考虑配置二次补浆系统控制管片拼装完后的地面二次沉降；
砂卵石地层摩擦系数较大对盾构机盾体摩擦阻力大。盾构机推进系统考虑大推力设计，并且考虑在盾构机壳体外周布置径向注入管，必要时可向盾体外周注入膨润土减小盾体外周摩擦阻力；
3 刀盘及刀具布置
盾构机的刀盘和刀具同样要根据所穿越的工程地质和水文地质情况进行合理的布置。其中刀盘的布置需要考虑以下几方面：
（1）刀盘结构型式：砂卵石地层在掘进时受刀盘的扰动和地下水的作用，砂层很容易塌陷，造成掌子面的自立性很差，不易采用开放型辐条式刀盘，而适合采用闭合型面板式刀盘，对开挖面土体进行有效地机械支撑，由于卵石粒径大，主要以排为主，因此黄～市区间采用6辐条+6面板的复合式刀盘。
（2）开口率：在满足开挖面稳定的条件下，开口率足够大，这样才能使刀盘切削下来的土体能够快速流畅的进入刀盘后部的搅拌舱，从而保证盾构机快速掘进。单个开口率的大小将限制进入搅拌舱的土体颗粒和漂石粒径大小，其原则是进入搅拌舱的颗粒能够通过螺旋输送机运送出去。
刀具的布置主要根据各种不同类型的刀具对地质的适应性、安全、环保、经济和其本身的耐磨性进行综合考虑。综合分析成都其它几条线普遍观念认为：滚刀对于砂卵石地层具有较高的切削效率，而在区间地层中单个卵石（漂石）的抗压强度很高（可达到200Mpa左右），所以滚刀在切削时并不是把卵石切碎，而是起一个挠动的作用，把卵石从开挖面上松动下来，再经过刀盘带动开口两边刮刀的旋转，使切削下来的渣土涌入土舱搅拌，再经过螺旋输送机输出。
滚刀自身的转动需要很大的摩擦力，当穿越卵石含量高的地层或者砂卵石分布不均匀松散地层时，滚刀的转动就很困难（刀体与地层之间的摩擦力不足或者过大都会对刀具产生破坏），从而产生扭矩时大时小，滚刀偏磨等现象。所以在刀盘上还须配备一定数量的撕裂刀，它不仅可以起到扰动卵石的作用，而且在切砂卵石效率比较高。在施工过程中，对所选刀具进行对比，发现加有高强合金材料的撕裂刀切削效率比较高、耐磨性能好。
基于上述原因和成都地铁其它盾构施工案例，盾构区间根据多次换刀情况的对比，优化好的刀具布置为：在中心布设双刃滚刀10把，沿面板半径方向侧周边布置单刃滚刀37把，撕裂刀21把相间布置和1把超挖刀；在刀盘开口的两边对称布置扇形刮刀和方刮刀；同时为了加强对刀盘、刀具的保护，在面板上采用二氧化碳气体保护焊焊接了34把刀箱保护刀，耐磨检测刀和耐磨检测条。
由于刀盘外围刀具的切削轨距长，磨损速率相对要比内圈刀快，如果刀盘最外围圆周的扇形刮刀磨损严重的话，会造成刀盘开挖直径减小，引起盾构掘进困难，同时会使刀盘的开口变大，增加施工风险。所以出于对刀具、面板的保护正面全部覆盖耐磨板（HARDOX600），刀盘外周采用耐磨合金块全覆盖，增加耐磨性。
4 掘进参数控制
4.1 掘进速度和推力
确保盾构渣土改良能满足盾构正常掘进的前提下，只要有足够的推力就能获得足够的推进速度，在刀盘转速一定的情况下，掘进速度越大，刀盘贯入度也越大。盾构在中密砂卵石地层和密实砂卵石地层掘进时，大粒径卵石（漂石）、长时间停机、细颗粒少、漂卵石多（漂卵石沉积，刀盘大臂搅拌力矩大）、盾构掘进超方，地层变得松散（刀盘面板上摩擦力矩大）极易出现卡刀盘等不良现象。
盾构施工中应严格执行“控制欠压、充分注浆、深层量测、主动防护”十六字方针，盾构掘进速度与推力分别控制在45—70mm/min、18000～28000 kN范围内为宜。
4.2 土仓压力
盾构区间隧道为中密砂卵石和密实砂卵石地层，采用土压掘进模式掘进，“刀盘”极易卡死造成推力、扭矩过大，不能正常掘进，因而采用适量欠压模式掘进。确保刀盘切削下来的土体量跟螺旋输送机排出的土体量相吻合，从而维持土仓压力相对平衡，严禁多挖少排，少挖多排现象发生。
4.3 刀盘转速及扭矩
盾构区间地质为富水砂卵石地层，土体自稳性差，如刀盘转速过高，对土体扰动加大，不利于土体自稳，从而产生超方现象，增大刀盘、刀具的磨损，因此适当降低刀盘转速（减小贯入度）。刀盘转速控制在1.0～1.5r/min较为合适，刀盘扭矩控制在15000～20000KN·m为宜。
4.4 渣土量控制
盾构在砂卵石地层掘进时，掘进参数、渣土改良材料配比采取不合理，从而导致渣土超量造成地面沉降超限。因此，渣土量必须严格控制，出渣量采用体积与质量双重控制机制，刀盘切削土体量和螺旋输送机输出的土体量吻合，保证土压值稳定。
施工过程中对每一节渣斗进行人工改装分格量化，渣斗从下往上每10cm所对应的渣土量进行精确标识，快速确定每环渣土量。渣土改良采用2.5～3%泡沫原液，发泡倍数10～13倍。膨润土（钠基）：水=1：6，膨化24h后，稠度为38s，比重为1.09Kg/m3，注入率10%，每环注入量为10.5m3。改良好的渣土具有流动性和止水性，并具有一定的支撑作用。开挖土流塑性好，对盾构掘进具有良好的效果，具体表现为刀盘扭矩、总推力、渣温不会偏高。螺旋输送机转速一般控制在7～14r/min为宜。
4.5 同步注浆控制
盾构的推进，在管片和土体之间会出现建筑间隙。为了填充这些间隙，就要在盾构机推进过程中，保持一定压力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆。这种方法是在环形建筑空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。
同步注浆量跟注浆压力。同步注浆最大压力根据底层的水土压力大小来确定。从盾尾圆周上的6个点同时注浆，左上部2个，中部2个、下部2个，上部注浆孔的压力控制在0．15—0．2 MPa，下部2个注浆孔的压力在0．2—0．3 MPa；浆液注浆率按1.5～2计算，每环同步注浆量按10～13m3 进行控制。注浆速度和推进速度保持同步。
4.6 二次注浆
盾构在砂卵石地层欠压掘进，极易造成超方、地表沉降，因此，二次注浆需根据地表监测数据、建（构）筑物监测数据、分层沉降监测孔、隧道内管片实测姿态（错台、渗漏等）综合分析，管片背后二次注浆必须按每5～10环截堵封闭式注浆一圈。二次注浆必须遵循少量、均匀、多次对称注入。
5 工程重难点及措施
5.1 管片整环旋转、错台、渗漏现象
隧道内拼装完成的成型管片与设计要求拼装完成的管片位置相比较，整环管片旋转了一定的角度。盾构姿态不易调整，左右、上下油缸行程差偏大，盾尾间隙偏小等现象，管片环向、纵向间有错台，环间有破损及渗漏现象，同时也增加了封顶块的拼装难度。
5.1.1 原因分析
1）管片旋转时盾构掘进位于圆曲线段上，为保持沿设计线路掘进，推进过程中左右油缸行程差相对较大，造成受力分布不均。
2）管片注浆效果壁后浆液填充不饱满，凝固时间较长，提供的管片外壁与土体之间的摩擦力较小，不足以克服刀盘转动产生的扭力。
3）掘进过程中，滚动角、刀盘转速、推进油缸的左右和上下油压差等变化较大，同时过大的油压差使管片受力不均，从而减弱管片的自稳性。
4）盾构处于砂卵石地层中掘进，由于岩层自立性较差，刀盘开挖后盾壳周边摩阻力大。
5）千斤顶的受力方向与环面不垂直，盾构推进时产生导致管片转动的力矩；管片螺栓孔和螺栓之间一般留有2cm的间隙，给环与环管片之间相互错动提供了条件。
6）盾构机停机时间过长，致凝固的同步浆液包裹盾尾，盾构机脱离管片后，由于外部浆液的约束，在小曲线段上盾尾无法进行纠偏，导致管片被盾尾拉出错台。
5.1.2 处理措施
1）提前按设计模拟并控制好盾构实际推进的姿态，确保每组千斤顶的油压差不予过大；计算调整好管片环面的角度，减少推进过程中产生的转动力矩；管片拼装时管片点位要选择合理，每个油缸的撑靴在顶到管片上时要全部扶正，使管片面受力均匀。
2）同步浆液注入量必须均匀合理的注入，减少单侧过多注入砂浆量。对管片环、纵向螺栓进行3次复拧，确保环与环间受力均匀。
3）管片拼装手在操作管片拼装机时，管片拼装机旋转安装管片时动作要平稳。
4）盾构司机在掘进过程中，必须按照推进指令、设计要求和盾构掘进过程中的参数变化等，有效的进行推进工作任务。
5.2 地表沉降控制
5.2.1 地表沉降过程分析
在盾构掘进过程中，刀盘切削土体时，对掌子面四周土体产生扰动，刀盘的正前方、上方极易形成松散带，出现塌陷，导致超方严重，土体损失过大，直至地表出现不均匀沉降。盾构施工控制沉降分三个阶段：第一阶段为掘进过程中沉降控制，第二阶段为掘进完成后沉降控制，第三阶段为贯通后期沉降控制。
5.2.2 预防控制措施
针对成都砂卵石地层滞后沉降周期长、突发性强、在施工过程中和后期很难监控和发现。
（1）盾构掘进过程中控制
①盾构掘进过程中，确保切削面土体稳定，出渣均匀连续。②渣土改良流塑性好，渣温正常，不出现喷涌，土仓里切削下来的渣土量跟螺旋机输出的渣土量基本吻合，确保仓内土压平衡正常掘进。③严禁快速强行纠偏，防止超挖或者欠挖而使地层损失增大、设备负荷增大。④ 严格控制出渣量，分析掘进参数，地表监测数据从而调整同步注浆量，并根据洞内实测管片姿态，再确定洞内二次补强注浆。⑤做好各项监测、测量工作，实时把控盾构掘进工作和地表情况。
（2）盾构掘进后预防控制。
①对盾构下穿地段掘进参数进行及时、深入全面分析，包括实测管片姿态、地面监测资料等。②根据地质图、前期补堪资料分析渣土松散系数和渣土的性状，判断理论出渣量跟实际出渣情况，再进行合理有效的跟踪注浆。③盾构掘进速度、同步注浆量。根据实际注入的同步浆液和洞内二次浆液注入量判断地层松散情况，同时结合洞内拼装好的管片前后姿态差值，推算出同步注浆、二次注浆补损情况，评估地层损失量。④施工监测、监控量测的数值分析研究，绘制出有效的沉降速率图，根据速率图判断盾构穿越后地层损失情况。
6 结论与讨论
（1）成都地铁17号线1期黄石～市五医院区间，盾构设备选型合理，通过渣土改良和膨润土配比调试满足该地层施工。
（2）有效克服了管片错台、破损、渗漏现象，成功下穿全兴酒厂、成温邛高速路风险源地段，根据现场掘进参数、监控数值全面深入分析并制定预防处理措施，在滞后沉降控制等方面也取得了良好的效果，最终实现盾构安全、高效掘进。
（3）该工程的实施经验对地下水丰富、大粒径砂卵石地层的盾构施工具有较好的借鉴意义，进一步拓展了大直径土压平衡盾构的适用范围。
（4）但在浅埋、地下水位高、大粒径砂卵石滞后沉降控制方面仍需要深入研究，如何有效预防控制大直径盾构掘进形成的地层损失是今后在成都地区研究的重点。
参考文献：（References）：
［1］陈馈，洪开荣，焦胜军等。盾构施工技术（第二版）[M]。北京：人民教育出版社，2016。[1] Chen kui，Hong Kairong，Jiao Shengjun and so on.Shield Construction Technology（Second Edition）[M].Beijing：People's Education Press，2016.
［2］马欢欢，杨书江。成都地铁4号线砂卵石地层土压平衡盾构施工技术[J]，隧道建设，2014（3）：34。[3] Ma Huanhuan，Yang Shujiang.Construction Technology of Earth Pressure Balance Shield in Sandy Cobble Ground of Chengdu Metro Line 4 [J]，Tunnel Construction，2014（3）：34.
［3］张明富，袁大军，黄清飞，等。砂卵石地层盾构刀具动态磨损分析[J]。岩石力学与工程学报，2010（2）：397—402。[4] Zhang Mingfu，Yuan Dajun，Huang Qingfei，et al.Dynamic wear analysis of shield cutters in sand and gravel strata [J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010（2）：397-402.
论文作者:李绍成
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：盾构论文; 卵石论文; 管片论文; 地层论文; 渣土论文; 注浆论文; 刀具论文; 《基层建设》2019年第2期论文;