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摘要：本文结合地铁10号线某区间砂卵石地层盾构施工遇到的问题，对盾构施工中的砂卵石地层进行改良技术、土压平衡特性等关键技术进行了系统试验研究。研制了新型泡沫改良剂和环保型泥浆改良剂，并进行了砂卵石改良室内和现场测试试验，总结了室内与现场土体改良经验，取得了很好的土体改良效果，并能减少刀具磨损和节约掘进成本，既经济、又保证了良好的效果，解决了北京在建地铁施工的一些技术难题，对指导类似地层盾构施工具有重要现实意义和应用价值。
关键词：砂卵石地层 土压平衡式盾构 泥浆 泡沫 土体改良试验
北京城市轨道交通建设已经迎来了史无前例的建设高潮，在隧道施工中，常常遇到砂卵石地层与土压平衡盾构施工的适应性问题，给工程参建者们带来了新的技术难题和挑战。土压平衡盾构施工能否顺利进行的关键技术之一就是土体改良技术，土体改良技术是在土体中加入土体改良剂使得土体达到理想的“塑性流动状态”，从而满足施工要求。本文结合地铁10号线二期某盾构区间土体改良应用实例，对EPBSM施工中的砂卵石地层进行改良技术、土压平衡特性等关键技术进行了系统研究，对指导类似地层盾构施工具有重要现实意义和应用价值。
1 工程概况
10号线二期工程全线高峰期将有26台盾构机（均为土压平衡盾构机）同时作业，全线盾构下穿大量平房约10万 m2，施工风险大，尤其是西部卵石层区域，盾构施工是１０号线二期工程的管理重点和控制全线洞通的节点。其中的西局站～六里桥站区间左线总长1298.291m，区间结构顶覆土14.7m～18.7m，采用盾构法施工，隧道采用C50 S10钢筋混凝土管片错缝拼装，弯螺栓连接，管片外径6.0m，内径5.4m，每环管片宽度1.2m。盾构从六里桥南端盾构井始发，到达西局站后盾构机解体吊运。
1.1 地层概况
地层岩性及分布特征自上而下依次为：杂填土、粉土、粉质粘土、粉细砂、卵石圆砾。盾构区间隧道主要穿越第四系沉积土中的卵石层，一般粒径为200-300mm，大于20mm颗粒物含量约占80%，充填物为中粗砂，在盾构井、暗挖段及盾构掘进施工中，超过500mm的大粒径漂石频繁出现，目前已发现的漂石最大粒径为1100mm，见下图1和2。
图2开舱取出的漂石670mm
区间地质断面如图3所示，盾构下穿地层为全断面卵石层，地下水位位于隧道底板以下100～200mm。
图3西局站～六里桥站区间地质断面
1.2 盾构选型
本区间采用德国海瑞克公司生产制造的EPB土压平衡盾构机，盾构机刀盘采用面板式，开口率为30%，盾构机主驱动采用液压驱动，如图4所示。
图4 EPB土压平衡盾构机和刀盘形式
２ 施工中遇到的问题
因本工程地质条件复杂，盾构隧道所处地层中卵石含量高、粒径大，且卵石层在扰动下极不稳定，给本工程施工造成以下施工难题：
（1）刀盘及螺旋机易卡死、土舱内易结泥饼：在掘进-8~10环过程中因刀盘卡死开舱五次，开舱时发现在土舱内及刀盘进土口出均形成泥饼（如图5），泥饼非常坚硬密实，有时需用风镐才能破除（如图6）。
（2）土压平衡难以建立：在始发掘进过程中上土压力曾试验过0.08~1.6bar之间的每个数值，但因土体不能调成流塑状态（如图7），而无法建立真正的土压平衡，推进速度慢，推力大，超挖现象很难控制。
（3）盾构机推力及刀盘扭矩过大：盾构始发掘进时推力一般为13000～17000KN，刀盘扭矩一般在180～250bar之间，盾构机长期处于超负荷工作状态。
（4）掘进速度无法保证：盾构始发掘进阶段掘进速度只有1～10mm/min，而且经常出现无掘进速度的现象，掘进一环耗时达6～10小时。
（5）地表沉降难以控制：由于土压平衡无法建立、超挖现象难以控制，造成无法保证地表沉降处于可控范围。
3 试验段施工情况
为解决以上问题和探索大粒径高含量砂卵石地层盾构施工土体改良参数，并为地铁10号线二期六里桥～莲花桥站区间穿越京西机务段铁路提供参考掘进参数，特在西六区间设置245环的试验段。试验段盾构掘进以通过土体改良技术来优化土压、刀盘扭矩、转速、推力、出土量、掘进速度等参数，控制地层损失率为主，以其他手段为辅。试验段于2010年6月18日开始掘进：1~46环：平均掘进指标：1环/日，47~144环：均掘进指标：9.8环/日，此阶段部分仍处于始发阶段，受列车编组影响，掘进速度相对较慢。145环~245环：平均掘进指标：10环/日。盾构掘进过程中地面沉降曲线图如图8。
图8 盾构掘进过程中地面沉降曲线图
4 采取的技术措施
土压平衡盾构工作机理是将开挖下来的土料充满开挖面和隔板之间的空间，通过施加适当的推力确保开挖面稳定，同时通过贯穿隔板设置的螺旋式排土器进行排土。要保证开挖面的稳定必须保证：（1）土压平衡盾构施工过程中必须在开挖面和隔板之间充满可塑性土料。（2）在盾构推进和管片拼装过程中，盾构密封舱内压力 始终略大于正面主动侧压力和水压力之和。（3）土压平衡盾构螺旋排土器出土量与刀盘前方进土量一致，以保持土压力的动态平衡。
北京地铁在建的9号线和10号线二期西段盾构开挖隧道断面穿越的地层主要是砂卵石地层，此类地层一般粒径20～80mm，粒径>20mm的颗粒含量约为总质量的50％～80％，局部达到90％，中粗砂充填，含量不足30％，根据国内外施工经验，盾构在此条件下掘进，土体塑流性极差，刀盘及螺旋输送机磨损严重，开挖面土压平衡不易保持，容易崩塌；隧道穿越富水粉砂、砂质粉土层具有渗流液化的特性，在动水压力作用下易造成开挖面失稳、压力舱闭塞、压力舱结饼、喷涌等问题。如何实现砂卵石地层中土体充满土舱，使其被动土压与掘削面上的土、水压基本平衡，是砂卵石地层盾构施工的成败关键，对于土压平衡盾构施工的关键就是改善土体塑流性。
（1）土体改良及泥饼防治
在盾构始发掘进阶段，单纯使用泡沫剂或膨润土改良土体，均无法将土体调成理想的流塑状态，无法建立真正的土压平衡，从而造成刀盘扭矩过大、掘进速度缓慢、土压不稳定及易结泥饼的情况。在后续的施工过程中采取了以下措施进行土体改良：
① 加入钠基优质膨润土：经过多种尝试，改用钠基优质膨润土，并调整了膨润土的发酵时间及粘稠度，一般在每环掘进过程中，向土舱内注入5～7m3发酵至少24h以上粘稠度为50s的膨润土。
② 加入聚合物泡沫剂：经过大量的试验，优化了泡沫剂的类型，增加了注入泡沫剂的种类，将以前单纯的泡沫剂更换为SLF30+10%SLFP1型泡沫剂，同时加入了Rheosoil143发泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫剂，按照一定比例调配，采取了多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良的措施，在这几种措施的综合作用下，掌子面土体的流塑性得到了有效改善，土压平衡得以真正建立，刀盘的扭矩也由以前的250bar降至140bar，并且排土顺畅，效果明显，如图9。
③ 加入高分子、分散剂和聚合物：在掌子面加入的同时向土舱内分别注入TAP聚合物、HHZ-Z高分子、HHZ-A分散剂溶液及Rheosoil143发泡聚合物，使所注入的溶液充分混合，这样能有效控制土舱内泥饼的形成，而且有效控制刀盘进土口处泥饼的形成，将泥饼对正常掘进的影响降至最低。在后续的盾构施工中我们尝试了这种方法后可以有效的防治泥饼的形成，改善土体的流塑性。
图9 改良后土体达到流塑状态
（2）试验段技术参数
① 土体改良参数
对1环~245环地表沉降值及掘进速度进行分析对比，最优参数如下：
泡沫剂：172kg/环，膨润土：7m3/环，高分子：7.2Kg/环。
② 盾构掘进参数
对1环~245环地表沉降值及掘进速度进行分析对比，最优参数如下：
上土压力：0.03~0.05Mpa，推进速度：20~45mm/min，刀盘转速：1.8~2.0rpm，刀盘扭矩：120~160bar，推力：7000~10000KN，出土量：40.4~44m3。
③ 注浆及注脂参数
对1环~219环地表沉降值及掘进速度分析对比，采用径向补偿注浆配合同步注浆效果最佳，参数如下：
同步注浆：配比：超细水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水=700：200：60：500：300；注浆压力：0.3~0.5Mpa；注浆量：5m3
径向补偿注浆：配比：超细水泥：水=735：735；水玻璃：30Be；A液：B液=10：1；注浆压力：1~3Mpa；注浆量：3.2m3；油脂：5环/桶。
④ 出土量控制
出土量控制分为重量控制和体积控制两种，以重量控制为主。根据区间已揭露的地质情况和试验段获得的相关参数，计算每环理论出土的重量和体积，保证出土重量和体积与理论值基本吻合；严禁多出，保持土仓压力，避免超方、塌方，导致沉降过大。理论控制出土量：40.4~44m3；控制出土重量：31~32t。
总之，为了提高推进速度，降低扭矩，减少刀具磨损，降低沉降，通过土体改良，现阶段盾构掘进平均速度35mm/min、盾构机推力、刀盘扭矩及地表沉降量均在可控范围，日平均掘进10环，且现已连续掘进114环，土体改良措施优化初见成效。
５ 结束语
盾构法施工有其自身的技术特点，必须与工程地质条件紧密结合，才能充分发挥其优势，保证盾构法施工的工程质量和安全。北京地区地层为交互地层，砂砾石和砂卵石含量相对较高，土体的塑流性较差，土压平衡盾构施工难度较大。为了保证盾构施工的正常进行，土体必须具有良好的塑流性，同时具有低的透水性以阻止地下水。为此必须采用土体改良技术，即向开挖面、土压舱（必要时向螺旋输送机）注入改性材料（泥浆、泡沫、聚合物等），以保证开挖面稳定，实现土压平衡掘进，同时有利于降低机械负荷，减小地面沉降，提高掘进速度。随着盾构技术在北京地铁施工中的不断应用，虽然积累了丰富经验并在某些技术层面取得重大突破，但要成功、经济地使用土压平衡盾构仍离不开土体改良技术的创新和合理应用。
参考文献
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论文作者:刘镇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/5
标签：盾构论文; 体改论文; 地层论文; 卵石论文; 粒径论文; 速度论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;