张仕海
中铁二十局集团第五工程有限公司 云南 昆明 650200
摘要：本文简述了西安地铁四号线大明宫~大明宫北区间，在盾构掘进范围内遇到中粗砂层时，针对渣土改良方面提出了相应的合理性改进措施，并为后续类似地质条件情况下的盾构施工起到了一定的指导作用。
关键词：土压平衡盾构；中粗砂；渣土改良；掘进；盾构参数
绪言
西安地铁四号线大明宫~大明宫北盾构区间，在掘进过程中遇到中粗砂层，渣土改良十分困难，在经过一系列探索和试验的基础上，摸索出一套有效的砂层掘进渣土改良经验和数据，起到了较好的改良效果，保证了盾构区间顺利贯通。
1、西安地区砂层简述
西安地铁四号线大明宫北站~余家寨站区间所在区域位于渭河一级阶地， 砂层埋深在10m左右，其厚度在勘探深度内全为砂层。砂层分层较为明显，隧道顶部分布有不连续的粉细砂、隧道洞身为主要为中砂，隧道底部及下部为粗砂和砾砂。盾构穿越的地层基本为全断面砂层，其成份有粉细砂、中砂和粗砂，中砂占有比例最大，超过44%。地下水位埋深11.03～12.60m，基本与盾构隧道顶部平行或略高于隧道顶部，隧道在线路上基本处于地下水位以下。
盾构隧道穿越地层为细砂、中砂、粗砂及砾砂，其中细砂、粗砂的平均标贯击数在54击以上，最大标贯击数在88击以上；中砂、砾砂的平均标贯击数在75击以上，最大标贯击数为150击。特别是盾构隧道穿越的主要地层——中砂层的平均标贯击数在101击（大于30击为密实砂层）。由此可见该区间标贯击数远异于一般砂层，其地层比较特殊。该区间含水量丰富和砂层标贯击数高是一个较为显著的特征，尤其是标贯击数高，这给掘进带来了极大的难度。
2、盾构选型及适应性改良
2.1 盾构选型
（1）根据地层的渗透系数进行选型
地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常，当地层的渗透系数小于10 m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10 ～10 m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10 m/s时，宜选用泥水盾构。根据地层渗透系数与盾构类型的关系，若地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构。
（2）根据地层的颗粒级配进行选型
土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工，在黏性土层中掘进时，由刀盘切削下来的工体进入土舱后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土舱压力稳定，使开挖面土层处于稳定。一般来说，细颗粒含量多，渣土易形成不透水的流塑体，容易充满土舱的每个部位，在土舱中可以建立压力来平衡开挖面的土体。黏土、淤泥质土区为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围；砾石粗砂区为泥水盾构适用的颗粒级配范围；粗砂、细砂区可使用泥水盾构，也可经渣土改良后使用土压平衡盾构。
一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40％以上时，通常宜选用土压平衡盾构，相反的情况选择泥水盾构比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。
（3）根据地下水压进行选型
当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。如果采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生渣土喷涌现象，引起土舱中土压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵。
从盾构的适应性条件可以得出，地层正好处于土压平衡盾构和泥水盾构都适应的过渡段。根据地层分析，选择土压平衡盾构机是合理的。但为了使土压平衡盾构机的性能更好的发挥和增加施工的安全性，可以针对砂层的特点，做一些适应性的改良。
表1-2 盾构选型比对表
2.2 盾构机的适应性改良
2.2.1 刀盘改造建议
（1）在刀盘周圈加焊一层耐磨钢板
在施工过程中发现刀盘周圈磨损严重，必须重新加焊耐摩层。原来所加焊的耐磨钢板为单块间隔焊接，耐磨板搬运及焊接简单。但是由于每块钢板间存在间隙，无法全部包裹刀盘周圈，单块耐磨板还有脱落的可能，当焊接效果不好时更易发生，使部分区域不能很好保护，故将不再采用类似方式。
（2）在面板上加网格耐磨层
根据以往的经验及刀盘磨损情况分析，刀盘所承受的摩擦主要在刀具和刀盘周边，面板所承受的摩擦相对不大，网格耐磨层足以对刀盘面板有很好的保护作用。在受摩擦严重的外圈，网格耐磨层焊接应该更加密实。
（3）刀盘边缘焊接耐磨层
除刀具外，磨损最严重区域就是刀盘边缘。刀盘边缘磨损严重，会使边缘所焊周边刮刀和先行刀的刀架受直接摩擦，从而导致周边先行刀脱落或失效。因此，在边缘加焊耐磨层非常必要，既可以保护刀盘，也可以保护刀具。
（4）把周边的四把边刀加为8把
边刀起到小范围超挖的作用，保护刀盘边缘。为更好的保护刀盘边缘和边刀，在原设计边刀所在中心位置对称安装两把相邻边刀。甚至可以考虑在除安装超挖刀的所有辐条都焊接边刀。
2.2.2盾尾注浆壳的保护
（1）盾尾注浆壳结构介绍
盾尾注浆壳是指在盾尾外部的45°、135°、210°、330°位置突出的4个壳体。壳体和盾尾长度相当，约为3.6m，突出高度为12cm。壳体用于内置同步注浆管、清洗用管路及盾尾油脂管。因为盾尾壳内要拼装管片，必须保持内部圆整，方便盾尾密封，故采用外壳突出一部分的方式。
（2）注浆壳对盾构掘进的影响
注浆壳对盾构机推进的影响注浆壳的外凸，在软土地层中对掘进的影响不大。但是用在砂层地段，对盾构掘进的影响不容忽视。砂层地层结实，松散系数小，特别是砂层中卵石比重较大时，盾体外部土层的间隙很小甚至没有。在这样的情况下，突出的注浆壳容易被土层卡住，对盾构机推进产生很大阻力。
（3）保护建议
为防止注浆壳局部受力过大，过度磨损，在每个注浆壳前端盾体上，焊接8～9把刀具，起到超挖作用，形成一条空隙带，避免注浆壳通过时因地层太硬卡住。焊接分两排，前排低后排高，每排中间高两边低，顺应壳体的趋势。由于每把刀具前端受摩擦严重，在安装新刀具时，选择前高后低的刀具焊接。这种方法也存在一定弊端：一是由于砂层地层坚硬，刀具长期单向受力，可能脱落；二是刀具可能因磨损严重而失效。
在注浆壳上，焊接网格耐磨层，减小土层对注浆壳的磨损。在注浆壳前端等受摩擦严重的部位，网格耐磨层密度应相对提高。
2.2.3 螺旋机的保护建议
（1）在螺旋叶片及筒体内壁加焊网格耐磨层
螺旋叶片边缘焊有硬质合金块，叶片受渣土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹，从而保证螺旋机具有较好的耐磨性能。取土端的外壳所焊接网格耐磨层要求更加密实，因为该部位受到的摩擦磨损更大。如果取土端磨损严重，取土困难，将直接影响掘进速度。
（2）筒体加固
螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式。在停机时，浮动端与筒体内壁接触，启动时，必然和筒体内壁发生摩擦，长期作用,会将筒壁磨薄甚至磨穿。因此，考虑在筒体内壁可能受摩擦处加焊厚的耐磨材料，外壁加焊耐磨钢板。
（3）更改螺旋出土位置
设计的垂直出土螺旋，完全解决了驱动系统易受污染的问题。它将出土口设在驱动系统下方，也就是渣土不经过驱动系统直接从螺旋头下方排出，驱动系统密封不受渣土影响，能够很好的保护驱动系统。
2.2.4 加泥设备的改造
在砂层地层中，为了出土流畅，减小对刀盘和螺旋的磨损，添加材料选择泡沫和膨润土。根据统计的掘进数据显示，不采用添加剂和发泡剂时螺旋压力为9～10Mpa，采用添加剂和发泡剂后，压力降至2～3Mpa。可见，采用足够量的添加剂和发泡剂后，对渣土改良、减小对地层扰动、流畅出土及减小对设备磨损起到很大作用。
3、渣土改良技术
3.1 渣土改良的必要性
由于砂层具有内黏聚力小、外摩擦角大、渗透系数高等特点，在土压平衡盾构机掘进时，不能满足其土舱建压和出土的要求，更不能满足沉降控制和快速掘进的要求，必须对渣土进行流塑性、渗透性及和易性的改良，才能较好的实现土舱建压合出土，从而实现安全和高效的掘进。
3.2 砂层盾构掘进的认识过程
3.2.1区间1泡沫剂的使用
在区间1，盾构隧道上方主要为黄土状土，隧道断面范围内为黄土状土及中砂，且中砂由南向北含量逐渐增加，但其最大含量没有超过80%，采用泡沫+水的方式进行改良，其效果能够满足土体改良顺利出渣目的。区间贯通后，刀盘在一定程度上出现磨损但不严重。
结论：在区间隧道断面含有20%及以上粘性土颗粒的复合地层中，可单独使用泡沫剂改良土体。
3.2.2区间2渣土改良使用情况
区间2隧道上方地层主要为粉质粘土、黄土状土及人工填土，局部地段为粉细砂；隧道断面范围内95%以上为中砂和粗砂，且连续分布，其中中砂层在上，粗砂层在下地下水位位于隧道洞身1/2位置。
在该区间前800m，左右线盾构掘进主要采用泡沫对土体进行改良，并尝试了在加泥箱中加入膨润土和聚合物等方式对渣土进行改良，泡沫在全断面砂层的渣土改良过程中，其用量有明显增加，且效果相对于第一个区间无明显改善。为此又向土体中加入了一种改良聚合物，又称为HHZ-A型砂土添加剂（sand addition）简称SA，是明洁隧道建设材料有限公司针对砂性土地层的土体改良，根据土体物理化学性质而专门研发生产的一种高效的土体改良剂。
在掘进过程中，出现了螺旋齿轮箱进砂等情况，造成螺旋机故障等诸多问题，造成盾构机停机长达1—2个星期，增加了工期压力和盾构施工成本。且在实际的盾构掘进施工中，盾构机土舱上部土压仅为0.01MP，属于敞开式掘进模式，在穿越草滩路时造成地面一系列的地面沉降问题，经过现场抢险，方消除了对社会的不利影响。
效果比对：
相对于黄土隧道掘进，在区间1，部分地段砂层仅占到隧道断面的80%左右，且隧道断面内含有黄土等因素，使用泡沫已经能够达到渣土改良的目的。
当砂层的含量增加后，仅依靠泡沫单一的改良剂已经不能够满足盾构掘进要求，很难建立起理想的土舱压力，只能达到能够掘进的目标，但是其掘进过程不受控，难以保证地面建筑物及地下管线的安全。使用高分子聚合物不仅成本高，而且施工效果同样不理想，达不到预期的目的。更为严重的情况是，渣土与螺旋叶片之间没有良好的缓冲剂，致使螺旋叶片磨损严重，已经影响到了正常的盾构掘进，这种情况一旦发生在富水砂层中，所蕴含的风险极为可怕。
3.3渣土改良技术的完善
3.3.1膨润土泥浆+泡沫改良方案的应用
改良参数：
经过试验室数据采集及对比分析及现场实践结果，通过对右线运动公园站～北苑站土体改良试验，对于全断面砂层（地下水位未超过螺旋后闸门高度）渣土改良参数为：
膨润土：纳基膨润土
泡沫剂：砂性土专用气泡剂
注入参数：膨润土泥浆：膨润土：水 1：10（质量比）浆液比重1.07，粘度35s，注入率10%～20%（与渣土体积比）
泡沫剂：发泡倍率12倍，原液注入量30～50L，注入率为3～5%（与渣土体积比）
在具体的施工中，要充分结合推进参数进行调整，保证掘进顺利。
3.3.2 膨润土+黄土混合泥浆改良方案
在区间3掘进进行中，发现刀盘扭矩波动越来越大，刀盘扭矩与总推力、螺旋转速很难达到协调，通过对螺旋出土口处渣样的分析，发现出土的粒径明显增加，由原来的最大2-3cm增加至最大5-10cm。
根据现象分析，造成这种刀盘扭矩与其他参数不协调的原因是地层变化为砾砂层，地层中砾石的含量明显增多。当盾构机切削含有大直径砾石时，由于砂层可挖性比较好，在此时砾石直径的大小对刀盘扭矩无明显影响。但是随着掘进时间的增加，由于普通膨润土泥浆比重较低（仅能达到1.07），在出渣时，由于砾石直径较大在盾构机土舱下部堆积，在刀盘旋转时产生较大的扭矩。
针对这种情况，有必要提高膨润土泥浆的比重，使其能够将含有大直径的砾石的渣土携带出来。考虑在膨润土泥浆中加入部分黄土，黄土颗粒在西安地区便于收集，属于廉价的改良剂。
在原膨润土泥浆中加入黄土后，经过试验对比，确定膨润土:黄土为3:2。泥浆比重由1.07增加至1.17,盾构机出土时能将直径较大的砾石携带上来，根据现场出渣情况，加入黄土后明显改善渣土改良效果，也是刀盘扭矩趋于平稳。
3.4 渣土改良的效果评价
（1）降低刀盘内外周温度
由于砂层的内摩擦角大、流塑性差的特点，刀盘在切削全断面砂层时会造成刀盘内外周温度上升很快，并超出刀盘的正常工作温度。盾构机刀盘密封温度正常的工作温度是30～40℃，可以掘进但需注意的温度是40～50℃，当温度超过60℃就需要进行停机，使刀盘温度降低至50℃以内，在70℃以上刀盘密封会发生物理变形，当温度超过规定值时就报警甚至停机。
（2）增加砂性土的流塑性，改善其和易性
增加砂性土的流塑性和改善其和易性是为了满足螺旋机和皮带机排土的目的。渣土过干会使螺旋机油压增加，使渣土不能顺利排出，严重时会造成螺旋被卡死的情况，需要人工打开螺旋机的盖板，将过干的砂土用铁锹掏出后，方可恢复工作；渣土过稀时，会造成渣土从皮带与皮带架之间的间隙处流出，污染双轨梁下的管片和成型隧道，造成人工不必要的学浪费。在试验室内，对砂土的流塑性一般用做塌落度的方法来对渣土改良效果进行侧面的反映。
在盾构施工现场，不能取到掌子面的原状土，只能依靠用观察的方式对渣土改良效果进行判断。观察主要是看螺旋机回转压力和出土口的出渣情况，以及用手直接在皮带上取土。
图3-8 渣土改良较理想
当渣土改良效果较差时，螺旋出土困难且螺旋机回转压力显著增加；当渣土改良效果较好时，螺旋出土顺畅且螺旋机回转压力稳定且处于较低的水平下。
4、砂层的掘进技术研究
4.1影响盾构穿越砂层的盾构参数
影响土压平衡盾构掘进主要有这几个因素:刀盘扭矩和掘进速度、土舱压力、出土量和渣土改良。
（1）刀盘扭矩和掘进速度
土压平衡盾构的刀盘扭矩是保证盾构正常推进的关键参数之一。如果盾构出土不畅会造成推力急剧增长,进而导致刀盘扭矩急剧增大,这种现象在模拟试验及现场施工中时有发生。从砂层掘进的实际过程中看，刀盘扭矩始终对掘进速度有着重要的影响，因为一旦扭矩增大，就不得不降低速度。如果刀盘扭矩增大至最大设计扭矩,盾构就不能正常推进。因此,盾构设计时应根据土层情况及刀盘型式设置装备扭矩,施工时应根据实际工况预测刀盘扭矩,这些对保证土压盾构平衡盾构正常推进有重要意义。
（2）土舱压力
土舱压力达到多少才算渣土改良取得了良好效果，既能稳定开挖面，又能顺利出土，这个问题是困扰砂层掘进的一个难点。在确定土舱压力时，可以通过库伦土压力理论，对开挖面的三大土压力进行计算，得出一个计算值，然后根据掘进过程中掘进较为稳定的施工值给出一个经验值，这个施工值的选取应该是在地面沉降控制较为良好的地段，尤其是安全穿越地面有建筑物的地段。
（3）出土量
盾构隧道一环的外轮廓体积为45m3，实际出土应控制在51m3-55m3。但在砂层中由于含水量丰富和需要进行渣土改良，出土量往往大于55m3。那么在这种情况下，出土量大于多少才算是掘进地层有损失。关于出土量的总结我们将通过掘进不同的断面做比较。
（4）渣土改良
盾构选型的三个关键指标是渗透系数、颗粒粒径和地下水压，在这三个关键指标背后隐藏着一个对三大指标有直接影响的参数—地层的粘粒含量。地层中的粘粒含量是左右这三大指标的重要因素，而所谓的渣土改良，其实本质也是增加渣土单位体积内的粘粒含量，改变其c、φ值，达到良好建压和出土的效果。
通过区间3掘进段的实际工程，选取典型的特征断面，考虑刀盘扭矩和渣土是否改良的因素，针对掘进过程中遇到的问题和现象，提出解决办法。
4.2 粉细砂与中砂组成的全断面砂层
粉细砂和中砂组成的盾构掘进断面主要在沿线的开始段和结束段，因为这两段较中间段的埋深更浅。
该段地层主要分布在前200环，掘进难度小，推力在小于2000t情况下仍满足掘进，但建压不理想。在该地层值得注意的现象是粉细砂受扰动后极易液化失稳，从而造成刀盘前方地层损失，地面出现较大沉降。面对这种地层，应提前做好应急准备，仔细观察盾构出土，一旦超量出土，立即启动应急预案。
施工参数：上土压0.1MPa，总推力1800t，加泥量6m3，出土量应小于54m3。
面对这种地层，在尽量建压的前提下，对同步注浆和二次注浆的要求较严。提前做好应急准备，仔细观察盾构出土，一旦超量出土，有必要启动应急预案。
4.3 中粗砂和砾砂组成的全断面地层
（1）地层特点及施工现象
对于地层中不断出现颗粒较大的砾石、卵石，也带来了不少的工程难题。北～北区间左线256-406环掘进情况，2009年11月5日，当盾构机掘进256环（刀盘里程ZDK1+423）时，地层中砾石含量由10%增加到15%，盾构机刀盘扭矩70%，掘进基本正常。
区间3左线407～583环掘进情况，2009年12月1日，当盾构机掘进407环（刀盘里程ZDK1+209）时，地层中砾石含量增加至30%以上，盾构机刀盘扭矩明显增加。
区间3左线584～620环掘进情况，2009年12月21日，当盾构机掘进584环（刀盘里程ZDK0+943）时，地层中砾石含量保持在30%以上，但其粒径明显增加，由原来的1～2cm增加至20cm左右。刀盘启动时，刀盘扭矩在40%～50%，正常掘进时盾构机刀盘扭矩基本保持在88%以上，且经常出现超扭矩现像。
（2）现象分析
超扭矩现象是砾砂地层出现的最为显著的特征，这也是砂层盾构施工一个明显的矛盾点。掘进密实地层，刀盘的摩擦力增大，刀具贯入土体后旋转扭矩也将增大，再加上砾石不容易出土，堆积在螺旋出土口下方，更加大扭矩。
（3）应对方法
在刀盘扭矩出现警戒值时，可以通过停止伸顶空转刀盘的方法将刀盘扭矩降低至75%左右，然后伸顶再次掘进。在这种情况下，导致盾构机挖掘时间比原来增加1h左右，掘进工效降低。
渣土改良泥浆的使用，根据试验中得出的渣土改良试验成果，可以使用黄土和膨润土的混合泥浆作为改良剂。
施工参数参考中粗砂地层的掘进参数，泥浆选用黄土与膨润土的混合泥浆，黄土与膨润土比例为2:3，此泥浆是在原膨润土泥浆上的基础上进行改进。
4.5 粉质粘土和中砂组成的复合地层
区间3地层基本上为全断面砂层，但在少量地段有粉质粘土和中砂组成的复合地层，主要集中在700环以后，在前两个区间以这种复合地层为主。这种地层与全断面砂层的掘进略有不同。
在这种复合地层中掘进，由于刀盘的切屑和土舱的旋转，砂粒和粘土块粘结在一起，形成了一种砂裹泥的状态，这就很利于出土和掘进。但这种状态和膨润土泥浆改良砂土不同，膨润土泥浆改良砂土是形成一种泥裹砂的情况，或者说使砂粒悬浮在泥浆中。这两种状态的不同，必然对螺旋机造成不同的影响，砂粒裹在外面，就使砂粒和螺旋机之间的摩擦加剧，
这也是螺旋损坏严重的主要因素。
在掘进这种地层时，不应该只是看到掘进的顺利与否，还要注意对盾构机构件的保护，所以在掘进粘土地层和砂层的复合地层时，加水或者加入膨润土泥浆是必要的。
区间3地层基本上为全断面砂层，但在少量地段有粉质粘土和中砂组成的复合地层，主要集中在700环以后，在前两个区间以这种复合地层为主。这种地层与全断面砂层的掘进略有不同。
复合地层中粘性土的颗粒比重明显增多，从出土看，还能看见块状的粘土，出土也较为容易，总推力比在全断面砂层中掘进降低，刀盘扭矩也能满足掘进的要求。单纯从掘进来看，使用泡沫和水就能实现较快的掘进效率。
4.6 极为密实地层的掘进
（1）掘进困难
在盾构机进入绕城高速地层后，盾构机的速度下降，推力增大，经常出现推力达到30000KN以上，速度仍然在5mm/min以下，甚至速度为0，盾构机无法前行的情况。在整个穿越绕城高速的过程中，千斤顶总推力基本保持在30000KN以上，致使液压千斤顶满载或超载运转。
（2）油温升高过快
油温升高的原因是因为溢流阀的压力升高，在掘进绕城高速时，溢流阀的压力从28MPa调节至33MPa，流速加大，致使油温升高。而调节溢流阀的根本原因在于满足推力油缸的要求，增加推力。在掘进绕城高速的过程中，由于溢流阀的压力增大，流速快，在出现了油管爆裂的现象。在掘进126环的时候，就出现了油管突然爆裂的情况。
油温升高过快，曾5次出现因为油温达到80°C的情况而不得不暂停掘进。在掘进绕城高速时，平均油温达到66°C，油温的升高，将降低液压油的物理性能，从而影响整个千斤顶的正常使用。
为了能顺利的完成在绕城高速区段的掘进，在掘进过程中采用以下方法：1、开启超挖刀；2、使用铰接；3、使用膨润土减摩；4、注入空气建压；6、增加油冷却器。
5、总结
地铁盾构施工中常会遇到砂层，本标段在盾构施工过程中，通过盾构机选型及适应性改良、渣土改良及砂层掘进参数的研究与分析等手段及措施，总结了一套适应西安的土压平衡盾构穿越砂层施工技术，为以后同地质条件下的土压平衡盾构施工提供了参考。
参考文献
[1]李薇.特殊砂层条件下土压平衡盾构掘进施工技术的研究[J].上海建设科技,2016(06):26-28.
[2]龚英杰.砂层盾构掘进下穿南直路立交桥施工技术[J].技术与市场,2011,18(05):118.
论文作者:张仕海
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/27
标签：盾构论文; 渣土论文; 地层论文; 扭矩论文; 螺旋论文; 断面论文; 泥浆论文; 《防护工程》2018年第10期论文;