1、工程概况
周王城广场站-应天门站盾构区间沿中州中路敷设，左右线长度均为1219m，隧道埋深9.96-24.2m，隧道设计V型坡，最深处为联络通道，盾构主要下穿③2层粉质黏土、③4-3层细砂、③9-3层卵石、③9-4层卵石等地层，区间管片外径6200mm，采用开挖直径6470mm的中铁装备盾构施工。
1.1水文地质情况
结合地质详勘图，在施工过程中分析车站开挖样品，以及掘进取样筛分渣样，确认实际掘进的地层与地质图描述基本一致。隧道断面内前200米主要为③4-3层细砂、③9-3层地层；中间200-1000米为③9-3层卵石、③9-4层卵石全断面卵石层，其中区间400?800米位置为③9-4全断面卵石层；1000米以后地层也主要为③4-3层细砂、③9-3层地层。岩土特性密实，饱和。漂石含量约为30%。粒径2～8cm，最大粒径超过30cm。卵石含量约为80%，充填物无黏性土和粉土。区间地下水类型为孔隙潜水，含水层为卵石层及砂层，卵石③9-3、③9-4渗透系数为80m/d，③9-4内摩擦角、承载力特征值均大。
1.2卵石层施工面对难题
砂卵石地层施工主要有以下几个困难。（1）掘进时主驱动扭矩储备要大，对盾构机性能要求高。（2）掘进时渣土塑流性、止水性差，土压平衡不易建立。会造成卵石层固结或产生排土不畅，掘进困难。（3）卵石不能破碎，刀盘刀具甚至本体产生磨损快磨损严重，换刀方案难于实施。（4）全断面卵石掘进时，刀盘掘进扰动地层容易超挖，判断不准处理不及时，地面会发生沉降或坍塌。
2、盾构机选型的应对措施
本标段盾构机选型经过多次评估，合理的配置为掘进提供了基本保障。主驱动系统采用直径3060mm主轴承，8组电机驱动功率1056kw，额定扭矩7757kNm，脱困扭矩9309kNm。主轴承外密封4道，内密封3道，设计压力5bar。刀盘为复合式6主梁+6面板结构，开挖直径Φ6470mm，开口率35%，主要以滚刀刀具为主，刀盘中心配备高压水冲刷装置。螺旋机采用双闸门，盾构设计10°的小倾角皮带机，能够将稀碴送出，保证发生喷涌时掘进施工的正常进行。设置单管单泵系统，可根据需要改善渣土的流动性、止水性、渗透性及和易性。特别是实践证明在6主梁结构比4主梁结构适应性更好。
3、盾构掘进遇到困难及处理方法
周-应区间在施工过程中，422环以前，以泡沫和膨润土进行改良，参数稳定，掘进比较顺利。但右线掘进第422环推进到1.2米时（左线晚始发，此时掘进310环），出现密集的大卵石卡塞螺机现象，导致螺机正反转不能正常工作，经过4个多小时的紧急处理，螺机成功转动，排出大量漂石，有大量粒径在35cm左右（螺机设计最大通过粒径为350mm*560mm）的漂石存在。410环开始对刀盘的数据进行分析发现，因保不住压，采用欠压掘进，推力从900T增加到1200T左右，推进速度从60mm/min降至30mm/min左右，且刀盘扭矩从3000KN.m增大到4500KN.m。425环出现刀盘扭矩增大，并且不稳定，增大至6000KN.m，其他参数基本稳定不变，同时发生严重喷涌现象，出渣有个别环多出一斗甚至二斗（约17-34方）。之后推进过程中，推进速度降低，均有多出土，扭矩跳动忽大忽小。判断边缘刀磨损严重，不能正常开挖掌子面，造成多出土。经研究，在多出土位置洞内加强二次注浆，即使地面无沉降，仍采用后退式钻注一体机从地面对隧道拱顶进行注浆填充加固。同时启动刀具检查方案，并通过调整参数和采用聚合物进行渣土改良的措施，持续向前试掘进。
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3.1采用聚合物进行渣土改良
始发前期因地层粉细颗粒多，稳定性较好，和易性好，这阶段采用泡沫和膨润土进行渣土改良，效果较好，在全断面③9-4层效果不好，出现的喷涌现象，并且出土量不易控制，采用高分子聚合物改良，后续推进中，每环平均注入6方拌好的聚合物混合液，聚合物掺加量控制在0.3%，由膨润土系统注入，对③9-3、③9-4富水地层的喷涌起到了非常好的效果。
3.2合理调整掘进参数
采用聚合物改良后，明显有效改善土体塑流性。扭矩大时采用及时调整刀盘左右转，使土仓内能充分搅拌混合，增加塑流性，更利于出土。刀盘转速控制1.0-1.2，减少刀盘转动对地层扰动，并加大推力，以控制不多出土为原则，提高速度，速度控制在30mm/min以上，此时推力达到1800T,1号土压力在1.1bar，扭矩达到3800-4500KN.m，加入聚合物进行改良，未再发生喷涌现象，出土量虽较平时多出半斗，由于卵石粒径增大，属于正常情况，沉降均在10mm左右，在可控范围内。
3.3刀具检查策划与实施
根据地质资料及掘进施工出现问题，为保险起见，在425环地点，采用衡盾泥新型材料做泥膜护壁，进行带压进仓检查刀具。
3.3.1带压进仓检查刀具情况
项目编制了专项方案并经过专家评审，确定了进舱压力1.5bar，现场并进行人仓气密性试验，利用双液浆对脱出盾尾3-7环管片做封水环封堵，确定了进仓队伍和操仓人员，以及衡盾泥现场试验等准备工作。
在423、424环掘进时，加入泥浆对开挖渣土进行改良，泥浆采用膨润土:制浆剂1:制浆剂3=60:5:10（质量比）进行配对浆液，使泥浆不断渗入地层，以便在掌子面四周能渗透一定厚度的泥浆，同时保压至2.5bar并持续3小时内土压稳定不变。再打入已配置好的衡盾泥置换渣土，置换渣土前，通过前体径向孔向盾体及盾尾外侧注入衡盾泥7m3，对盾体进行包裹，衡盾泥 AB组份按照使用说明书要求拌制泵入。
盾构机采用衡盾泥形成泥模后，在置换过程中，气压很容易实现平衡，但地层渗透性太大，补气量超过规范要求10%，为确保万无一失，遵守规范规定，放弃带压方案。继续向前试掘进，采取地面预处理方案进行检查。
3.3.2素桩加固加地面降水实施情况
按照计划安排，盾构机推进同时地面降水、加固同步进行，经计算，加固方案为在刀盘前施做7根600mm一排素砼桩，在盾体周围做6口外径为600mm、内径400mm、深度41m的降水井，将掌子面范围内地下水位到3、9点以下1m，常压开仓作业。换刀点位置选525环，地面降水及素桩施工具备条件，但协调难度较大，盾构机经过聚合物改良后，虽然判断边缘刀具有磨损，但推进过程中参数无异常，并且保持每天10环左右进度向前推进，并很快到达525环位置，经过评估研究，决定将加固位置调整到665环，若征地仍不能得到解决，那时地质条件逐渐变好，断面内含有③2层粉质黏土、③4-3层细砂、③9-3层卵石，建压效果会很好，根据前一次衡盾泥做泥膜经验，把带压方案作为应急预案。
4、顺利贯通
经过精心组织实施，顺利完成区间1219m掘进。成功避免了在砂卵石地层换刀作业这一难题，并刷新了公司在砂卵石地层下的掘进延米数记录，安全顺利出洞，受到各方的高度评价。
5、结束语
通过洛阳周王城广场站-应天门站盾构区间顺利施工，卵石层掘进控制注意以下要点。盾构选型要与地层匹配，技术参数合理是顺利掘进的根本保障，掘进参数控制方面速度不能低于30mm/min，采取欠压掘进时，控制好出土量。和渣土改良是解决卵石层掘进的关键，优先采用聚合物进行渣土改良。同时要创造条件采取地面预加固方案设置刀具检查点，必须经过科学评估决策，不能冒险盲目推进。同时做好应急管理，确保万无一失。希望对大家有所借鉴。
参考文献：《富水砂卵石地层盾构施工技术》是人民交通出版社 2011年4月1日出版的图书，作者杨书江
论文作者:王永喜, 王恒,,杨贵栋
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第24期
论文发表时间:2020/1/16
标签：卵石论文; 盾构论文; 地层论文; 渣土论文; 聚合物论文; 断面论文; 刀具论文; 《工程管理前沿》2019年第24期论文;