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摘要：通过对盾构机刀盘、刀具，注浆配比，推进方法，水平运输设备等一系列改进，使得盾构机工作状态平稳、顺利。土质改良效果较好，降低了盾构机总推力、刀盘扭矩及磨损程度。使得盾构机掘进速度能够保障。
关键词：盾构施工；砂卵石层；工期紧张；快速掘进。
Exploration of shield construction Method for Increasing Construction Speed in Sandy Cobble Ground
Zhang JinSheng
Building Engineering Branch of CCCC Third Highway Engineering Co.，Ltd.
Abstract：Making a series of improvements of cutter head，cutter，grouting ratio，advancing method，horizontal transport equipment，etc.so that shield machine has a smooth and stable working performance.Good soil improvement effect reduces the total thrust，cutter torque and wear degree of the shield machine and guarantees the advancing speed.
Key words：shield construction，sandy cobble ground，limited construction period，speedy drivage.
现如今，北京地铁工程的施工特点普遍具有工期短、风险源多、要求对地面影响小等现实性的施工需要。所以，怎样处理好盾构机在这种土质中能够顺利、平稳、快速的完成隧道贯通任务，保证地铁施工工期的要求，是值得不断的总结与思考的。本人在北京地铁14号线从事盾构施工工作，第一次遇到全断面砂卵石层，且工期时限要求非常短。我想在这里介绍一下我们在盾构施工中遇到的一些实际情况，且应用到的具体处理方法。并且为符合北京地铁施工工期的要求，保证区间按时贯通，采取的一些措施。
1.工程特点及环境
1.1工程特点：
菜户营站～西铁营站区间位于北京市丰台区。区间采用盾构法施工，自西铁营站始发，首先向西转弯穿越凉水河后，穿越一片地面平房区，再斜向西北穿越菜户营南路，然后沿丽泽路向西，下穿京九铁路后到达菜户营车站。区间右线起点里程右K15+010，终点里程右K16+285，总长1274m，区间左线起点里程左K15+010，终点里程左K16+282，总长1271m。线路平面存在400m、360m半径曲线各一处，线间距13m～18m，区间结构覆土厚度14.0m～16.6m。区间中部设两处联络通道。
计划工期为2014年7月25日——2014年12月31日。以此计算，每天需要掘进15.59环才能按计划完成施工任务。
1.2、水文地质情况
1.2.1根据详勘阶段的岩土工程勘查报告资料显示，本工程区间范围内的土层主要包括：杂填土，粉土填土，粉土，圆砾卵石层及卵石⑤层、卵石⑦层、卵石⑨层以及砾岩⑾层，隧道位置标高在21.96m～30.98m，盾构主要穿越卵石⑤层、卵石⑦层。根据区间两端车站开挖揭露的地层情况为：卵石最大粒径达500mm，粒径300mm 以上的卵石每20米约有2～3块，一般粒径100～200mm，亚圆形，级配好，充填物为中粗砂，含砂量约40%。如图1-1所示，本标段区间盾构地质剖面图及施工现场大粒径卵石。
1.2.2拟建场地地面下主要分布一层地下层间水，地下水类型为潜水。潜水水位于隧道底外径下约1～2m。
图1-1 本区间西端车站开挖揭露大粒径卵石
2．本工程的技术难点
2．1计划工期过短，对推进速度的要求高。
左线区间计划工期为156天，但由于相邻标段给我们提供始发场地的时间滞后，留给我们实际施工天数已经缩短至138天。始发处吊运、拼装、调试盾构机至少需要约40天时间，贯通后盾构机拆卸、吊出时间至少需要约30天。那么给正式掘进留下的时间还有68天，掘进里程为1272米，即1060环。68天里要完成1060环的话，每24小时需完成15.59环。这中间还没有计算因各方任何因素对盾构施工的影响，甚至是因社会性停电、政治活动等造成的停工时间。这些影响施工进度的因素都未算在内，可以说，工期压力非常大。
2.2砂卵石对盾构机掘进造成不利影响，施工进度缓慢。
虽然我们在制定本区间施工方案时，已经阅读、学习了不少关于盾构机在砂卵石层中的施工技术，也根据其他单位和自有经验制定了各项具体措施，但实际施工开始后，仍然遇到了不少问题，主要表现在：
2.2.1盾构机土仓压力的稳定性很难控制
由于砂卵石地层的特殊性质，其切削后的砂和卵石在土仓内分离，部分大粒径砂卵石易堆积在土仓下部，造成整个土仓内土体分布及其不均[1]。加人普通的泥浆，密封仓内不能在全断面上完全形成良好的塑流体，设定的工作压力也不能完全顺利地传递到开挖面，实现不了连续的动态平衡，很难维持土压稳定。左线区间在初始掘进过程中土压力在0.08~1.6bar之间变化，基本无法建立真正的土压平衡，推进速度很慢，推力很大，盾构机姿态也很难控制。当上土压力为1bar左右时，下部土压达3～4bar，受力及其不均匀。
2.2.2盾构机推力及刀盘扭矩过大，但推进速度缓慢。
盾构始发掘进时推力一般为19000～26000kN，刀盘扭矩一般在2600～3000KN.m之间。耗能量很高，且经常出现刀盘扭矩急剧上升，泡沫和膨润土用量增大的现象，有时甚至排出的渣土热度也较高。盾构机长期处于超负荷工作状态，我们有时不得不停止掘进，降低盾构机负荷。这样就导致施工作业不连续，推进时间延长，每天只能推进2—3环，工作效率非常低下。
2.2.3刀盘磨损严重，中途需进行换刀作业。
无水砂卵石颗粒之间摩擦阻力大，土体难以获得良好的流动性。当切削下来的土充满土仓和螺旋输送机内时，使刀盘扭矩、螺旋输送机转矩及千斤顶推力增大，刀盘切削土体时加剧了盾构机切削刀头及面板的磨损。同时，砂石对刀具产生的磨耗磨损，也加快了盾构机刀盘、刀具的损害。按照常规判断，1272米的隧道至少需要换刀一次，而一次换刀的时间一般为7—12天，使得原本就紧张的工期进一步缩短。
3.解决方法
3.1对刀盘、道具进行了调整
众所周知，砂卵石地层对盾构刀具的磨损程度非常高，主要是砂子对刀具的磨损和卵石对刀具的碰撞。我们参考了其它单位在这一土质下，对刀盘刀具的改造方法及实际取得的效果，也对刀具进行了一些调整，力求获得良好的切削效果和掘进速度。
3.1.1适当增加先行刀数量：
由于先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，能为切刀创造出良好的切削条件。采用先行刀，可显著增加土体流动性，降低切刀扭矩，提高整体切削效率，减少切刀磨耗。所以我们适当增加了先行刀的数量，这样就提高了切削效果和降低了刀盘、刀具的整体磨耗程度。
3.1.2改进刀具材料
在盾构机下井前，将刀具中的大部分更换为碳化钨合金刀，碳化钨合金刀具与原钛合金刀具相比更具有硬度高、抗热效果好、高耐磨性的特点[2]。并且，与刀具的供应商签订了保证协议，保证一盘刀具在砂卵石地层中，掘进3公里不换刀。这样，就避免了采用原钛合金刀具中途需要换刀而带来的工期损失。
改造后刀盘情况如表3-1所示。
3.2找到最佳注浆配比，增加流塑性，改良土体。
土体的流塑性是盾构机能否顺利出土、掘进顺畅的决定性因素。尤其是在这种砂卵石地层中，土体的流塑性改良成功与否，直接影响着是否能够降低盾构机刀盘扭矩，降低推力，减少土体对刀盘、刀具磨损的关键性问题。
因此，在施工过程中我们着重分析砂卵石地层的力学特点及工程性质，根据砂卵石地层盾构开挖面的稳定性控制原理及本工程地质条件，调整好膨润土粘度和泡沫剂的使用。具体如下：
3.2.1优化膨润土注入参数，选用钠基优质膨润土，并调整了膨润土的膨化时间及粘稠度，一般在每环掘进过程中，向土仓内注入5～7m3膨化至少24h以上粘稠度为 60 s 的膨润土。
3.2.2合理控制好添加泥浆、泡沫的比例。根据刀盘注浆孔位置分配泥浆、泡沫用量。经过反复多次试验，本工程土质下泥浆和泡沫的加入量控制在1：1—1：1.3之间。加泥量占土方量的10—15%，流量控制在80L/min左右。加泡沫量约占土方量的15—22%，加入的总量一般不用大于土方开挖总量的35%。
3.3努力找到各项推进的最佳参数，提高施工速度。
3.3.1盾构推力控制
为了盾构机能在砂卵石地层中实现稳定、快速的掘进，我们将其推力保持在13000-17000KN之间。每当推进阻力超出上限数值时，我们采取向盾构侧壁外注入膨润土泥浆的办法来降低盾构外壳与土体之间摩阻力，相当于起到润滑作用。这一办法，使得盾构机推力较初始掘进阶段降低了，且能够保持正常状态，保证了机件不长久的在高负荷下运行，推进速度比以前有了很大程度的提高。
3.3.2盾构机土压力的控制
我们在盾构机工作比较顺畅的情况下，总结出盾构机的土压力一般是在0.05—0.15MPa之间。这一范围中，盾构机工作稳定，姿态容易控制。但另一方面考虑到土压的数值和刀盘扭矩以及盾构推力成正比的关系，为了尽量降低刀盘的磨损、减小盾构推进阻力，提高掘进速度，在满足地面沉降要求的前提下，控制了土压保持在合理的低数值范围内。
4．对盾构机配套设施的改进
推进速度提升了，每24小时能达到了14环左右。接下来暴露出了另外一个问题：盾构机外运渣土的速度有些跟不上盾构的推进速度。经过实际调查和记时分析，主要制约因素在于水平运输设备效率低下，每次只能运出0.7环的出土量，这就造成了盾构管片也不能及时运至盾构机盾尾处，出现了拼装管片人员等待出土完毕和管片到达的现象。这里要详细说明一下，我单位以往直径6米盾构工程水平运输设备的配套体系的构成。
电瓶车具体运输工作流程是：
采用两组电瓶车，利用轨道道岔技术使得两组电瓶车交替进入隧道运送进空土槽、泥浆和一环管片。在一组电瓶车进入隧道后，另一组电瓶车在始发井处由垂直运输设备吊运出已装载的渣土，再将2斗土槽放回至电瓶车，并装好下一环的管片及所用浆液后，等待着前一组电瓶车驶出隧道后，这一组电瓶车再开进隧道。以此交替往复。
这样做，预想是两组电瓶车，一组在洞内承运渣土，运进管片。另一组在始发井处，外弃渣土，装运管片。互不干扰，各干个的。但实际效果往往和计划中是有些差别的。两组电瓶车，由于牵引力不足每次只能运出多半环的渣土，而且由于设备陈旧，工作速度缓慢，对于承运渣土、卸掉管片、起步至始发处、再扳动道岔和另外一组车错车等一系列动作下来，往往造成相互配合中的互相等待，相互制约等现象。
这个问题在始发后300多环已经出现，随着水平运输距离越来越远，这个问题也将越来越严重。所以我们下决心做出了改进。
经过土方重量计算：
每环理论出土量=π/4×D2×L=π/4×6.182×1.2=35.98m3/环。
按照1.19～1.21的松散系数计算每环的出土量=42.8～43.53 m3/环
改良后的土方按照约2吨/ m3计算，每环土方重量约为90吨左右。
经过向领导请示，我们决定新购置两组大马力的电瓶车机组，改装土槽高度，由原来的2个土槽变成现在3个4.6m×2.2m×1.5m的大槽。一次运出整环的土方量。这样，便解决了盾构出土每环分两次进行，出土步骤多，时间长的问题。
渣土车自重12t×3+管片车约3.6t×2+泥浆车约1t+土方约90t =134t
在考虑隧道纵坡系数后，最终确定电瓶车的牵引力需达到150t才能满足使用要求。
图4-1 电瓶车运输示意图。
图4-1电瓶车运输示意图
此外，由于每组电瓶车只有一台牵引车，牵引车只能设置在车组的一端，这样只能是倒着开进隧道，正着开出来。当倒车时，因为司机不能完全看清车尾部的情况，出于安全考虑都会小心翼翼，车速变得很慢。我们受家用轿车倒车雷达的启发，在每组电瓶车的车尾部，加装了摄像头。影像可在牵引车驾驶室内显示。这样，司机操作起电瓶车来，既提高了运输速度，又提高了操作安全性。
以盾构距离始发井800m时为例，改装之前每环管片从出土到拼装完毕，大约用82—94分钟完成。经过改组电瓶车后，每环管片的完成时间约为57—65分钟。这样每24小时，除去两次交接班的时间后，我们可以拼装管片22—24环。
5.结论
盾构在全断面砂卵石层地层中掘进，相对于在亚粘土、黄土、砂性土等细粒图层中施工，确实是对盾构机刀盘、刀具、螺旋输送机等各部件磨损会大幅度增大，也就增加了这种大型设备本身的机械风险。在施工难度上：掘进速度、添加的各项浆液材料、盾构机的姿态控制、地面变形的控制等都有自身的特点。我们经过仔细对地质情况的前期调查分析，经过对现有设备的正确改造，再通过实际施工时摸索出掘进、注浆的各项参数的综合调整后，还是可以顺利、快速的完成施工任务的。
总结出提高盾构施工速度的关键点在于：盾构机及其附属设备的改进；找到正确的在砂卵石土层中的推进方法；配制出真正适宜砂卵石土质改良的浆液；合理、高效的人员组织。
参考文献
[1]张国京.北京地区土压式后构刀具的适应性分析[J].市政技术，2005，23（1）：9一13.
[2]丛恩伟.北京地铁10号线砂卵石地层盾构法隧道施工关键技术[J].铁道标准设计，2008（12），168一170.
论文作者:张金生
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/29
标签：盾构论文; 卵石论文; 电瓶车论文; 管片论文; 刀具论文; 区间论文; 推力论文; 《建筑学研究前沿》2017年第36期论文;