关键词：砂卵石地层；盾构隧道施工
1 工程介绍
北京地铁16号线苏州街站后停车线～苏州桥站区间为叠落区间，盾构机从苏州桥站北端始发，至苏州街站后施工横通道接收。区间右线841.35米，左线长度841.484米。右线埋深范围为13.6m~28.4m，左线埋深范围为21.6m~38m。
盾构穿越地层由上而下揭示的地层分别为：杂填土层、砂质粉土层、粉质粘土层、粉细砂层、卵石层、粉质粘土层。盾构区间主要穿越卵石圆砾⑤层、粉质粘土⑥层、卵石圆砾⑦层。卵石⑤层一般粒径10-30mm，最大粒径不小于300mm，粒径大于20mm的含量大于55%；卵石⑦层最大粒径不小于350mm，一般粒径15～25mm。
砂卵石在该区间的盾构掘进整个长度及断面范围内中占了约1/2，由于地层物理力学性质的特殊性，并且存在承压含水层，导致盾构在掘进过程中容易产生以下问题。
1) 砂卵石地层具有相对较高的压缩模量及较大的内摩擦角，盾构在掘进过程中容易出现推力大、推进速度缓慢，进而引起盾壳及刀盘、刀具磨损，影响盾构施工的安全。
2)承压含水层中的盾构施工，由于地层含水量高，容易出现螺旋机喷涌，危及地面及周边环境安全。
2 盾构设计上的调整
2．1盾构壳体采用阶梯型
原盾构壳体采用直筒型设计，即盾构的刀盘、切口环、支承环及盾尾的外直径相同。此时盾壳及刀盘与周边的土体全面接触。根据砂卵石层特点，盾构掘进的摩擦阻力明显增大。为了减少盾壳与周边砂土的摩 擦力，特将盾壳由原直筒型改造成前大后小的阶梯型，从而可将盾构穿越砂卵石的总推力控制在22000～35000kN,比原直筒型盾壳减少约30%。
2．2加大刀盘开口率
针对砂卵石内摩擦角大的特点，将刀盘的开口率从基本型的35%加大至52%，刀盘结构为辐条式，采用中间支承式结构，从而减小盾构掘进时的阻力。
2．3提高刀具和刀盘的耐磨性
刀头材质采用耐磨性高的合金材料，并焊接牢固。刀盘面板与砂土直接接触的部位堆焊耐磨材料，以提高掘进砂层过程中刀盘、刀具的耐磨性;增加刀盘上周边刀的数量，刀具采用高低位布置，刀盘及刀梁上配耐磨钢板且堆焊耐磨材料。从而有效减少盾壳的磨损，并将贝壳刀高于切削刀不小于5cm。
3 盾构施工技术
3.1盾构机推力及扭矩计算
3．1．1土压计算
作用在壳体上的土压分为上部土压P1、侧压P2及下部土压 P3 ，平均土压: P =(P1+2×P2+P3)/4，根据设计提供地质资料，查找盾构主要通过的地层指标，根据覆土厚度、水头压力以及地面荷载等参数，计算出P=39．058t/m2
3．1．2推力计算
盾构机推力由壳体外周摩擦阻力、、胸板所受的 土压与水压、后续设备的牵引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。
壳体外周摩擦阻力的推力: F1 = π × d × L×P×f=1907．095t
胸板所受的土压与水压的推力: F2 = A×( P2 + Pw) = 903t
后续设备的牵引力的推力: F3 = GB × μ=45t
管片与盾尾密封摩擦阻力的推力: F4 = π ×Ds×μs×n(PT+α×Pw×lT)=2．662t
计算出推进 时 所 需 推 力: F = F1 + F2 + F3 + F4 = 2 857．757t
由此盾构机装备推力=1.2× F =3 428t
3．1．3盾构机刀盘扭矩计算
盾构刀盘扭矩由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、滚刀的运转阻力矩等组成。
刀具的切削阻力矩:T1=n×Hα×Rk=7．133kg·m
刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩: T2 = 2 /3 × π×P2×f×(1－ξ)×rc3=310．236t·m
所需扭矩:T=T1+T2=317．4t·m=3174kN·m
根据以上计算，选用主推力及刀盘扭矩合适的盾构机，满足施工要求。
3.2掘进参数的控制
1)土压力控制。土压力设定时，侧压力系数采用0。6～0。7，在掘进过程中，应注意盾构土 舱内各个区域的土压力数值，并根据其他掘进参数来控制螺旋机的开启度。
2) 掘进速度。在满足同步注浆要求的前提下， 一般控制在 3 ～ 5 cm /min。
3)出土量控制。盾构机在穿越富水砂卵石层时，控制每环的出土量与理论出土量之间相匹配。如果出现较大的超挖现象，就可能导致正面土体失稳、坍塌。
3.3土体改良措施
为了提高砂卵石在盾构掘进时的流动性，本工程用泡沫剂和膨润土进行渣土改良
1) 压注膨润土浆进行土体改良。膨润土浆可以从刀盘正面注入，也可以在土舱内进行压注，通过搅拌棒的搅拌改善土舱内砂土的流动性; 当螺旋机扭距过大时，也可以向螺旋机中注入适量的膨润 土浆。压注膨润土浆时，应观察螺旋机的排土状态
及正面土体的沉降状况，确保正面土体稳定。
2) 压注泡沫剂进行土体改良。该注入工艺的 流程是: 启动空压机→启动注水泵→空气、注水压力达到要求→开启泡沫装置→压注泡沫。泡沫剂的压注量应按实际施工时的需要进行调整，通过向 刀盘前方压注泡沫，来增加砂性土的流动性、和易性。
在本工程中中，泡沫剂原液经过掺入大量的水 (97%)以及通过高压空气充分发泡用量每环5～7m3，泡沫剂用量每环0．04～0．05m3可达到渣土最佳改良的要求。通过在推进过程中逐渐减少添加剂用量观察 盾构机掘进参数的变化和分析改良后的土体样本 发现，当泡沫剂︰水≥2%，膨润土泥浆浓度≥20%时，泡沫剂每环用量0．03 m3，膨润土泥浆每环用量4 ～ 5 m3 可满足渣土改良最低要求。
3.4沉降控制
由于苏苏区间穿越北京海淀区，两侧既有建构筑物较多，在盾构施工过程中，对地表沉降作了严密监测。施工完成后，实测沉降量如图所示。
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实测地表沉降量比预测地表沉降量小。主要采取以下沉降控制措施。
1）在盾构机掘进过程中加强排土量的控制，通 过调节盾构机的掘进参数，做到既不超挖，也不欠挖。 超挖必然导致较大的土体损失，也会增大对土体的扰动，最后导致产生较大的土体沉降；欠挖导致掘进前方 的土体堆积，产生向上的推力，引起土体隆起。通过调查工程地质条件，利用经验公式和岩土工程数值模拟 软件事先对盾构隧道的土体沉降进行预测分析，并把 模拟结果反馈给盾构机控制室，调整相应参数，即可预 先选择合适的掘进参数，减小掘进过程中土体的损失量，以保证土体的稳定。
2）各工序衔接紧凑，避免土体受扰动时间过长。 首先是加强盾构机始发到达和掘进的管理工作，注意机电设备的调试以及刀具的检查与更新，减少发生停机检修的工况。及时更换刀具，按工程单元进度划分更换刀具的时间，能减少停机 更换刀具的时间，从而减少土体受扰动的时间。其次， 在掘进过程中及时协调出土、盾构机推进、管片安装等 各工序，能最大限度保证上覆土体得到及时支撑，减小 土体的沉降量。
3）及时同步注浆以及二次补浆。 同步注浆是盾 构隧道施工加固土体、减少土体沉降的重要辅助工法， 根据地层特点，选择合适的注浆材料、浆液配合比和恰 当的注浆方法、工艺是保证注浆效果的关键。
3.5特殊情况下的处理措施
1) 对盾构长时间停机的处理。由于盾构施工中有各种不确定的因素，导致盾构长时间停止施工。在盾构停止施工前，需让刀盘按正反方向旋转一段时间，使刀盘正面的土层松动，降低正面土层的强度;同时应对刀盘正面和土舱压注一定量的膨润土浆液，让刀盘正面和土仓的土体具有一定的流动性和保水性。在盾构机停止施工期间，还应定时启动刀盘，并转动一段时间，使刀盘正面土体不结块或结硬。
2) 刀盘轴承降温措施。盾构长距离施工过程中，可能出现盾构总推力和刀盘负荷增大、掘进速度减慢而导致盾构机推进液压系统及刀盘驱动系统，特别是刀盘回转轴处的温度持续上升的情况。为了防止刀盘密封圈因高温而加速老化 甚至损坏，必要时，在回转轴周围放置冰块进行降温，以确保施工的顺利进行。
4 结束语
( 1)通过对本盾构机合理选型，渣土改良的研究和精确的土仓平衡建压，解决了盾构穿越砂卵石地层的难题，为今后类似施工提供了资料和经验。
( 2) 最佳渣土改良配比和最经济的渣土改良方法是渣土改良的关键技术，同时掺入泡沫剂和膨润土浆液才能达到理想的改良效果，在满足安全快速掘进的同时又节约了成本。
( 3) 盾构机 52% 的刀盘开口率设计非常适应类似地层的盾构施工，可以作为国内同类地质条件下盾构机选型的参考。
（4）控制好各项掘进参数，针对不同地层采用不同的注浆材料及工艺，及时做好背后注浆工作，同时根据现场实测沉降值来指导施工，确保周边建筑结构安全。
参考文献：
[1]姜晨光．地铁工程建造技术［M］．北京:化学工业出版社
[2]施仲衡．地下铁道设计与施工［M］．西安:陕西科学技术出版社
[3]王洪新．土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究［J］．土木工程学报，2010(3)
论文作者:兰大玮
论文发表刊物:《建筑实践》2020年01期
论文发表时间:2020/4/27
标签：盾构论文; 卵石论文; 地层论文; 推力论文; 刀具论文; 阻力论文; 渣土论文; 《建筑实践》2020年01期论文;