1.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室 北京 100068；
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摘要：北京砂卵石地层盾构施工过程中极易出现刀盘扭矩大、盾构推力大，土压平衡较难控制，刀盘、刀具及土仓隔板的不均匀磨损等等严重的问题出现，因此，通过合理调整掘进参数控制问题出现尤为重要。
关键词：地铁盾构；砂卵石；开挖面；稳定性
1砂卵石地层盾构开挖面的失稳状态
（1）无水砂卵石地层开挖的力学特性
砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状。这种地层一旦被开挖，就很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态，使开挖面和洞壁失去约束而产生不稳定。砂卵石地层颗粒之间的空隙大，颗粒之间的黏聚力c为零。刀盘旋转切削时，地层非常容易坍塌，围岩易发生扰动，当切削刀具的开挖力传递到开挖部位周围，扰动的围岩范围变大。围岩中的大块砾石、卵石越多，扰动的程度就越大，特别是隧道顶部的卵石剥落会引起上覆地层的突然沉陷。
（2）无水砂卵石地层盾构开挖面的失稳状态
盾构在整个掘进过程中，穿越地层分为两种。①全断面砂卵石地层；②部分断面砂卵石地层。在盾构掘进过程中，如果开挖面没有足够的支撑压力，开挖面上覆地层发生失稳的模式对应以下两种情况：
1）盾构在全断面砂卵石、圆砾石层，上覆地层为砂性土或黏性土，砂卵石地层颗粒之间的传力方式为点对点。若开挖面支撑压力不足，或大块卵石排出时，或螺旋输送机的排土量大于刀盘切削土量时，在刀盘上方会出现较大的空洞区域，砂卵石相聚松动，在开挖面上引起较大的塌落区，使得上覆砂性土和黏性土产生松动范围明显。若覆土较浅，将引起很大的局部地表沉降。如果上覆土体的抗剪强度很低，还会引起冒落的危险。
2）部分砂卵石地层
盾构穿越部分断面砂卵石地层时，卵砾石位于盾构开挖面的下半部，上部为细砂、中砂层，开挖面上方土体塌落和松动的程度都较全断面砂卵石地层轻。
2砂卵石地层盾构开挖面的稳定性控制原理
（1）砂卵石地层盾构开挖面的稳定机理
由前述开挖面上覆地层结构的稳定性分析可知，盾构在地层中握进时，需要在土仓内建立一定的土压力，并向开挖面注入添加剂.是基于以下机理。
1）盾构刀盘对开挖面的支撑以及土仓内泥土压力的作用有两点：一是为土体结构提供水平推力，以利于形成拱结构；二是提高开挖面土体的整向抗力，减少开挖面上方土体失稳的可能。
2）盾构在切削、排士的同时进行推进油缸的推进，实际是为及时有效地平衡开挖面土体的应力，控制并减少下沉速度。
3）在刀盘切削的同时，向开挖面注入泥浆、泡沫等添加剂的作用是使开挖面土体的强度和刚度得到加强对开挖面土体起到了支护作用，减少开挖面的无支护距离。
4）在无水砂卵石地层中，颗粒松散，无黏结力，颗粒之间的传力方式为点对点，向开挖面土体添加泥浆之后，泥浆包围在颗粒周围，形成了一层泥膜，增加了颗粒之间的黏聚力，使得颗粒之间的传力范围得到扩大，改善了土体的受力状况，增强开挖面士体的强度和刚度，利于开挖面的稳定，利用加入泡沫改善土体粒状构造，同时吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，降低土体的渗透性。
（2）无水砂卵石地层开挖对盾构的影响
盾构在这种地层中掘进所受到的影响主要表现在以下几个方面：
1）砂性士和砂砾土内摩擦比较大，土的摩擦阻力大，故难以获得好的流动性，当切前下来的土存满土仓和螺旋输送机内时，将使切加刀盘转矩螺旋输送机转矩，盾构推进油缸推力增大至使开挖使开挖排土无法进行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，盾构刀盘切削土时容易使刀盘过热，加剧刀盘刀具的磨损，影响盾构的机械性能。
2）刀盘切削进来的上体须经螺旋输送机运出至皮带输送机，当遇到土质含水量低、较硬的情况下。螺旋输送机也会因工作扭矩过大而发热，影响其性能，严重时甚至停转。
3）这种砂卵石地层的塑流性差，会导致大颗粒卵石滞留土仓内或向盾构四周移动，使得盾构位置和姿态控制变得困难，严重时则无法推进。
（3）无水砂卵石地层稳定性控制措施
由前述可知盾构在掘进过程中.如果控制不当或未采取有效措施.将引起较大的塌落和松动，以至于引起显著的地表沉降。因此必须对开挖面稳定加以控制。常采取以下措施：
1）调节推进油缸的推力，使得在盾构土仓内建立起的泥土压力足以与地层士压力相抗衡。
2）保持开挖面切削土量和螺旋输送机排土量的平衡，以使泥土压力与地层上压力保持动态平衡。
3）向开挖面添加泥浆或泡沫，改善开挖面砂卵石地层的力学性质。同时有利于改善盾构刀盘和螺旋输送机的工作环境。
基于盾构开挖面的稳定性分析，为保证无水砂卵石地层开挖面稳定，必须确保以下两个当面控制技术的实现；①合理确定开挖面的泥土压力并保持泥土压力与地层土体的平衡：②实施加泥或加泡沫技术，改善开挖面土体的受力状况，实现切削土体塑流性。
3砂卵石地层开挖面加泥加泡沫改良土体
土压平衡盾构掘进时，向开挖面添加塑流化材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形发具有一定塑流性和透水性低的塑流体。同时通过伺服机构控制盾构推进油缸与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经密封仓内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现结构始终在保持姿态平衡的条件下连续向前推进。
盾构穿越无水砂卵石地层，盾构在这种地层环境中掘进时，仅采用加泥措施，改善切削土体的流动性能力有限，土体离析严重，盾构经常堵塞不能正常掘进，而且加泥量过大，费用增加。为适应这种地层的施工，需考虑在加泥的基础上增加泡沫系统，利用加入泡沭改善土体粒状构造吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦。增加切削土体的黏聚力同时降低土体的渗透性。又因其相对密度小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而达到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土的目的。
另外在盾构掘进过程中，由于大部分地层为砂卵石，土层含水量低，土质较硬，一方面，当盾构刀盘切削土体时容易使刀盘过热，影响盾构的机械性能；另外一方面，刀盘切削的土体需要经过螺旋输送机运出至皮带输送机，当遇到地层含水量低、较硬的情况下，螺旋输送机也会因工作扭矩过大而发热，影响性能，甚至停转。
因此，加泥、加泡沫的功效表现在以下方面：
（1）保持开挖面的稳定；
（2）增加切削土体的塑性流动性；
（3）使开挖面土体及切削下来的土体具有良好的止水性；
（4）防止切削土砂黏附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象，减少机械负荷，降低刀盘扭矩，提高掘进速度；
（5）对刀盘、螺旋输送机起减摩冷却作用；
（6）泡沫的可压缩性或称之为弹性，对土压的稳定也有积极作用。
4结束语
砂卵石地层地铁隧道施工中，通过分析地质特征、调研掘进参数、优化施工方案，成功地采用盾构法施工，充分了解盾构在砂卵石地层掘进的原理，制定针对性的保证措施保证盾构机安全、连续、快速的推进，顺利通过了各个风险点，解决了工程项目中的难题，提高了工程质量，有效地降低了工程造价，并为砂卵石地层地质条件下盾构法地铁隧道施工提供一定的参考价值。
参考文献：
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[2]周帅，龙杰.砂卵石地层盾构隧道施工地表沉降槽宽度系数分析[J].铁道建筑，2017（06）：73-76.
[3]李林.砂卵石地层地铁盾构法施工风险评价研究[D].西华大学，2017.
论文作者:刘志伟1,刘振新2,耿晓亮3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/1
标签：盾构论文; 地层论文; 卵石论文; 颗粒论文; 螺旋输送机论文; 压力论文; 泡沫论文; 《基层建设》2018年第27期论文;