无水砂卵石地层盾构施工技术
摘 要：北京地铁 4 号线国家图书馆站至动物园站盾构区间隧道总长 1 339.8 m，为全断面无水砂卵石地层，线路水平方向呈“C”形，设计最小曲线半径为 350 m。 施工中通过采取对土体塑流化改良，盾构掘进参数优化等措施，隧道全线贯通仅用了65 d，同时，各项指标均达到优良工程标准。
关键词：盾构施工；无水砂卵石地层；小半径曲线；土体塑流化改良
目前轨道交通建设飞速发展，在轨道交通线路的选择上，由于受规划及建筑物的制约，线形越来越复杂，这将使小半径曲线隧道线形的应用越来越多[1]。 无水砂卵石地层中的盾构施工远比在黏土、砂性土等地层困难，在此种地层中的小半径曲线施工与常规的盾构施工相比存在着较大的特殊性，同时受到施工工期的限制，要求快速、优质地完成。 因此对无水砂卵石地层小半径曲线隧道快速施工的研究有着重要意义，对今后砂卵石地层中曲线隧道快速施工有一定的借鉴作用。
1 工程背景
北京地铁4 号线是一条贯穿北京南北的轨道交通线路，其中国家图书馆站—动物园站区间总长 1339.8 m，该区间隧道水平方向大致呈“C”形，设计最小曲线半径350 m，曲线长度约占区间全长的 85 %左右，见图 1所示。 由于 4 号线与地铁 2 号线在西直门站相接，该区间段自国家图书馆站向动物园站一路下扎，落差近7.5 m，竖曲线最小半径 5 000 m，竖曲线同平曲线叠加构成了一条立体空间的长距离急曲线地铁隧道。
根据工程地质勘察报告，盾构主要穿越的地层为卵石圆砾层，杂色，密实，湿～饱和，重型动力触探N 63.5=33～90，剪切波速 Vs= 294.1～475.6 m/s，属低压缩性土，最大粒径 280 mm，一般粒径 10～30 mm，粒径大于20 mm 颗粒含量约为总质量的 14 ％（现场砂石筛分试验结果），中粗砂充填，母岩成份为辉绿岩，仅局部夹砂或黏性土透镜体，见图 2 所示。
无水砂卵石地层盾构施工是国内外罕见的施工难题：首先，刀盘（刀具）和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重；其次，盾构机密封舱内建立土压平衡状态比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；再次，大粒径砂卵石不但切削或破碎困难 ，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；最后，盾构掘进时的刀盘扭矩、推进阻力都远远大于其他地层，对设备能力要求较高。
无水砂卵石地层小半径曲线快速施工除需克服上述困难之外，还必须解决曲线施工的难点：
1）小半径曲线隧道轴线较难于控制，特别是在无水砂卵石地层中掘进时，盾构机的刀盘扭矩和推进阻力都很大，以前该种地层的地铁施工曾出现极限推力接近3 750 t、极限扭矩达到 5 100 kN·m 的先例。
2）在盾构如此大的推力下，难以控制已成形隧道管片的质量，衬砌管片在拼装时很可能因为推力过大造成应力集中而被破坏产生碎裂或移位等情况，同时扭矩过大很容易发生刀盘抱死的情况，造成刀盘启动困难，无法保持土压平衡，进而发生地层塌陷或地面沉降的危险。
3）在全断面砂卵石地层一次性掘进距离之长，在北京属第一次。
针对以上难点，通过分析以及总结已掘进区间隧道的经验，着重从两方面采取措施：一是土体的塑流化改良，二是盾构掘进参数的进一步优化。
2 土体塑流化改良
盾构掘进过程中，砂卵石地层中刀具磨损严重、刀盘推力、扭矩大，对地层扰动大，而通过对砂卵石的塑流化改造既能减少刀具磨损，降低扭矩、推力，同时可较好地控制地层沉降。
2. 1 选择塑流化改造材料
普通泥浆主要由膨润土、润滑剂、流化剂以及水组成。 但是穿越无水砂卵石地层时，如果采用加入普通泥浆的措施，可能会因为泥浆黏度不够，造成土体颗粒之间离析，塑流化程度低造成土压不稳定、排渣困难，进而造成刀盘扭矩、推进阻力等参数的变大。 为适应这种地层，我们考虑改良泥浆，主要有以下几种方式：使用高分散度泥浆、增加泥浆中黏土含量、加入有机或无机增黏剂等。 而简单增加泥浆黏土含量和使用细分散泥浆对于改善渣土的塑流性虽然有一定效果，但是对于刀具的保护效果不理想，而且使用管路压送的难度很大，所以我们选用了加入有机或无机增黏剂的方式，此种泥浆黏度大、润滑效果好，操作方法简单、泥浆性能指标稳定且完全可以采用管路压送。
另外，考虑在全断面无水砂卵石地层中掘进施工必须辅以优质泡沫，才能更好的对盾构刀圈、刀具进行保护。 同泥浆相比，泡沫具有更轻、更易于扩散的特点，土仓内加入混合着泡沫的泥浆之后，通过刀盘的旋转搅拌，可以使泡沫、泥浆与土体颗粒进行充分的接触，有利于进一步改善土体之间的粒状构造，泡沫可以吸附在土体颗粒表面，可以降低土体颗粒之间以及土体颗粒与刀盘、刀具间的直接摩擦阻力，这种混合添加材料可以更好地改善土体的塑流性，提高土体颗粒之间的黏聚力，尤其是泡沫吸附在卵砾石表面后，可以使周围的小颗粒附着在石块表面，使得大块石块可以被众多小颗粒包裹，如此以来就减小了石块与石块之间的直接接触面，降低了石块之间的摩擦，很容易通过螺旋输送机排出，从而提高了渣土的塑流性[2-3]。所以盾构推进过程中必须时时根据实际排出渣土的塑流性状况、刀盘扭矩的高低以及推力的大小来调整加泥、加泡沫的量。同时又能降低土体的渗透性。另外，泡沫因其比重小、搅拌负荷轻 ，可以降低刀盘的旋转扭矩，且更容易将土体搅拌均匀，从而达到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土的目的。
2. 2 塑流化改造材料试验
施工前先进行材料选择，之后在现场取土样，对各种塑流化改造材料进行试配试验：首先，进行材料的性能试验，确认进场材料的可用性；其次，进行塑流化改造效果的判断，判断因素包括：
1）保持渣土和易性的能力；
2）增加切削土体的塑性流动性的能力；
3）使开挖面土体及切削下的土体具有良好的止水性能力；
4）防止切削土渣黏附在刀盘及螺旋输送机内，避免闭塞现象的能力；
5）减轻机械负荷，降低刀盘扭矩的能力；
6）对刀盘、螺旋输送机等部位减磨、冷却的能力。
2. 3 选择加泥加泡沫的注入点
根据以往施工经验，在砂卵石地层中施工时，盾构机上应适当增加泥浆、泡沫的注入口，一般设有不少于10 个的泥浆注入点（同时也可以为泡沫添加口）和3 个泡沫注入点。 加泥口主要在鱼尾形刀头上 1 个，土仓密封隔板上2～3 个 ，刀盘辐条上 2～3 个 ，螺旋输送机上2 个，盾壳上不少于 3 个 ；泡沫添加口在刀盘辐条上2 个、鱼尾刀上 1 个。 可根据实际塑流化改造的情况，相应增加密封舱隔板上的加泡沫口。
2. 4 合理控制注入量
控制加入泥浆、泡沫的比例在砂卵石地层盾构掘进施工中非常重要，合理的比例和注入量能改善土体塑流性到最佳状态，比例不当不仅解决不了土体塑流性改良作用，反而可能起负面作用。在实际推进中应根据地层砂卵石含量和卵石粒径来调整泥浆和泡沫的注入比值。 根据以往类似地层的施工经验，泥浆和泡沫加入量基本接近于1 ∶ 1～1 ∶ 1.3 之间，加入总量一般控制在土方开挖总量的35 %左右为宜。
3 盾构掘进技术参数优化
3. 1 土压力控制
正常掘进土压应预先根据隧道埋深、地质情况以及地层的含水状况进行计算，一般控制在 0.04～0.12 MPa之间。 但是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、减小盾构的推进阻力，提高掘进速度，应在满足地面沉降要求的前提下适当控制土仓压力维持在稍低的数值。
3. 2 盾构推力控制
为在无水砂卵石地层中实现稳定快速的掘进，盾构推进时应保证速度的均匀性，这就要保证盾构机的推力要大于阻力，无水砂卵石地层中掘进理想推力应该控制在23 000 kN 以下，当推进阻力超过该数值采取向盾构侧壁外注入泥浆以降低盾构壳体与土体之间磨阻力。
3. 3 刀盘参数控制
为保证快速掘进，必须保证刀盘扭矩在合理的范围内，同时尽量降低刀盘的旋转速度，初步控制在0.67 和 0.78 r/min，如此可以获得较大的旋转扭矩。 当刀盘的扭矩超过75 %时，首先应该检查泥浆和泡沫的质量与注入率，在以上因素正常的前提下再适当地调整刀盘的旋转速度。 每次盾构掘进前，在满足刀盘正常施工的前提下，尽量减少刀盘空转的时间以减少刀盘的磨损。
3. 4 螺旋输送机控制
要实现快速推进，必须保证螺旋输送机正常的工作状况，一方面控制好螺旋输送机排土闸门的开度，应根据渣土塑流性情况进行确定；另一方面螺旋输送机的转速必须与土仓内的土压力及推进速度相匹配，太快则无法保证土压，太慢则无法满足排土要求，造成土压过高。 操作时尽可能选用手动控制，随时调整螺旋输送机的转速。同时应采取单独向螺旋输送机内注入泥浆和泡沫混合液的方式，尽可能的降低螺旋输送机的扭矩，以减少螺旋输送机的磨损。
3. 5 注浆控制
盾构施工中，同步注浆和二次补注浆对控制盾构姿态和成形隧道的轴线位置有着不可忽视的作用，在曲线段施工过程中，要根据盾构机本身相对于设计轴线的姿态选择用不同位置的注浆孔和浆液配合比，即采用与盾构偏离轴线的方向同侧的注浆孔，并稍稍提高浆液混合后的凝固时间，比正常掘进时提高 5～8 s，目的是为了通过浆液的快速凝固迅速填充管片与外周土体的间隙，并适当调整注入压力（控制在管片间不产生大的错台为宜），利用浆液注入的作用力强行将管片向轴线方向靠近，从而减少管片成形的偏差量。
4 施工效果
通过增加向盾构壁外加泥的措施，即在盾构壳体预留泥浆注入口，将泥浆注入到盾构壳体与土层的间隙中，在盾构壳体与土体之间形成一层黏稠、润滑效果良好的泥膜，使盾构推进阻力由 3 700 t 降至 1 600～2 000 t 之间，一方面增加了推进千斤顶编组选择的空间，另一方面使推进速度大大提高，可达到 70 mm/min。国家图书馆站—动物园站区间隧道贯通仅用了 65 d，并创造单月掘进653 环的地铁盾构施工记录，轴线偏差均控制在±50 mm 以内，地表沉降最大值仅为 8 mm，管片错台最大值为7.5 mm，其他各项指标均达到优良工程的标准。
5 结语
1）无水砂卵石地层盾构推进阻力大，不利于轴线的控制，通过对土体的塑流化改良，不仅可以显著降低推进阻力、降低刀具磨损，还有利于砂卵石的顺利输送，满足了快速施工的要求。
2）普通泥浆对无水砂卵石地层的改良效果并不明显，该工程采用的新型添加材料及泡沫 ，土体改良效果明显提高，可在今后类似工程中采用。
参考文献：
[1] 王梦恕. 我国地下铁道施工方法综述与展望[J]. 地下空间 ，1998，18（2）：98-103.
[2] 胡显鹏 ，袁大军 ，等. 无水砂卵石地层土压平衡盾构添加剂研究[J]. 都市快轨交通，2006（S）：58-60.
[3] 杨乃刚. 泡沫在土压平衡式盾构施工中的应用[J]. 建筑机械，2005（8）：83-86.
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