土压平衡盾构过圆砾土层施工技术浅析
摘 要 通过研究西安地铁一号线 12 标采用土压平衡盾构机穿越 600 m 全断面圆砾土地层的施工风险，提出了在盾构机设计、渣土改良，控制沉降等方面的各项措施，为以后类似工程施工提供借鉴。
关键词 土压平衡盾构机 圆砾土 掘进
1 引言
纵观国内盾构施工现状，砂砾石地层因自稳性差、掘进困难等问题历来都是施工中的难点。在成都地铁修建过程中，盾构在穿越全断面砂砾层时多处发生了地面坍塌、房屋开裂、刀盘困死的事故。结合国内现有施工经验，分析西安砂砾石地质的特点及施工难点，总结研究土压平衡盾构机穿越砂砾石地层的施工技术是我们研究的重要课题。
2 工程概况
2． 1 工程周边环境
本工程万寿路 ～ 长乐坡区间沿长乐路东西走向，区间从长乐坡始发，区间全长 1 482． 65 m，其中始发后为600 m 全断面中、粗砂和圆砾土地层中，砾石的最大直径达到 22 cm。隧道上方为主干道，路面管线纵多，两侧多为建筑物，其中在 300 m 处，盾构下穿华山厂铁路桥，隧道拱顶埋深 10 ～15 m。
2． 2 工程地质
工程地质条件从上到下依次为 1 － 1 杂填土，1 － 2素填土，2 － 1 － 2 黄土状土，2 － 4 粉砂，2 － 8 圆砾土，2 － 2 粉质黏土。隧道范围主要为 2 － 8 圆砾土，中间局部夹 1 m 厚 2 － 2 粉质黏土，拱顶有 1 ～2 m厚 2 － 4 粉砂层 。
2 － 2 层粉质黏土: 黄色，含钙质及铁锰结核，软塑状态，属中压缩性土;
2 － 4 层粉细砂: 黄色，长石 － 石英质，级配不良，含少量粉土，湿，稍密;
2 － 8 层圆砾: 杂色，主要由石英岩及灰岩碎块组成，亚圆形，磨圆度好，一般粒径 30 ～70 mm，最大粒径 220 mm，砂砾含量 30% 左右，中粗砂充填35% ，含少量黏性土及粉土，湿 ～ 饱 和 中 密 ( 见图1) 。
2． 3 水文概况
万寿路 ～ 长乐坡区间稳定水位埋深 12． 80 ～26． 20 m，相应标高 389． 48 ～ 398． 43 m，隧道洞身基本位于地下水位以上，近低水位期( 7 ～ 9 月) ，高水位期为 12 月至翌年 3 月，水位年变幅 2 m左右。
3 盾构在圆砾土地层中掘进的风险分析
根据区间工程地质纵断面图，隧道位于中、粗砂和圆砾土地层中，砾石的最大直径达到 22 cm，拱顶有 1 ～2 m 粉细砂层，施工中有如下风险:
( 1) 圆砾土地层中石英含量较高，掘进时，对刀盘、刀具的磨损很大; 另外，圆砾土中密状态，根据西安地铁二号线施工经验，类似地层中最大扭矩可以达到 4 500 kN·m，推力最大可以达到3 000 t左右，在此地层盾构施工扭矩，推力很大，掘进很困难。
( 2) 砂层、圆砾土的不稳定性和密度的不均匀性，施工中极易发生盾构跑偏等现象，姿态很难控制。
( 3) 由于拱顶位于粉细砂层，施工中地面易隆起、坍塌，地面及建筑物沉降很难控制。
( 4) 由于圆砾土中含黏土成分，且隧道中部夹局部黏土层，渣土改良不好刀盘易结泥饼。
4 盾构在圆砾土地层中掘进风险应对措施
在本区间施工中，为确保盾构机顺利掘进，对盾构机的选型、设计及适应性、盾构施工中的渣土改良、掘进过程中参数的设定等方面着手，采用必要而合理的措施。
4． 1 盾构机在砂砾地层中掘进磨损大，推力、扭矩过大的应对措施
4． 1． 1 合理设备设计
根据本标段的地质状况，本项目采用土压平衡盾构机进行掘进。针对圆砾层对刀盘、刀具、螺旋机磨损很大和功率要求高的情况，进行了以下及方面的设计。
( 1) 刀盘配置: 盾构机刀盘采用三轴滚柱轴承中间支撑方式，刀盘由 10 个 75 kW 变频电机驱动，刀盘总功率 750 kW，工作扭矩为 5 128 kN·m。刀盘采用辐条式刀盘，刀盘开口率为 65%，可使圆砾方便进行土仓中，减少对刀盘的磨损。刀盘的辐条和刀盘与前体间均焊接有格栅状的耐磨板，周边焊耐磨条。
( 2) 刀具布置: 本刀盘配有 37 把贝壳刀、62 把刮刀、12 把边缘保护刀、4 把先行刀、1 把仿形刀、1把鱼尾刀和 1 把磨损检测刀，贝壳刀高 150 mm，宽300 mm，刮刀高 100 mm，贝壳刀和刮刀采用重型高耐磨碳钨合金刀。
( 3) 螺旋输送机: 螺旋叶片和外护筒的内表面也进行了耐磨处理，焊有耐磨层，特别是对前三片螺旋叶片耐磨层进行了加厚处理。另外螺旋输送机的直径为 900 mm，能满足本标段内最大直径22 cm砾石的输出，螺旋机功率为 3 个 75 kW 电机驱动，具有大功率、高扭矩的特点。
( 4) 外加剂添加系统: 根据二号线施工经验，此种地层中掘进膨润土的添加非常重要，本盾构机在刀盘面板上共有 6 个泡沫注入口，泡沫注入口也可以用来加注膨润土和泥浆，后配套二号台车内设置有容量 6 m3的膨润土罐，施工时可通过螺杆泵向掌子面注入膨润土改良渣土，提高渣土的流动性，能有效地减少刀盘、刀具及螺旋机的磨损。在 3 号台车上配置了 3 台泡沫泵，可以向刀盘注入泡沫剂进行改良。
4． 1． 2 合理进行渣土改良
根据西安地区已有施工经验和本单位在长乐坡车站始发试掘进过程中的试验效果，得出单独泡沫剂在圆砾土地层中改良效果不明显，而采用膨润土和老黄土浆液加泡沫剂的混合液进行渣土改良则有良好的效果。膨润土和老黄土浆液必需单独配置，在注入土仓和刀盘面前 5 min 加入泡沫剂原液。
( 1) 膨润土浆液的配制
以膨润土∶ 工业碱∶ 水 =1∶ 0． 001∶ ( 10 ～11) ( 重量比) 配制浆液，浸泡至膨化反应，膨化时间最少保持在12 h 以上，最佳为20 h 使其充分溶解。为了减少膨润土的用量，可采用一部分老黄土代替，其配制比例为: 用比重 1． 06 g/cm3的膨润土浆液与比重1． 3 g / cm3老黄土浆液搅拌，用浆液粘度测定仪测定粘度为 20″左右，老黄土与膨润土浆液比例用 1∶ 4拌制成比重为 1． 15 ～ 1． 25 g/cm3的混合浆液( 注:下料前 4 min 时注入老黄土浆液) 。
配置注意事项:
①浆液配置时必需使用钠基膨润土，钠离字含量越高越好;
②浆液的粘度 20″左右，比重 1． 15 ～1． 25 左右，施工中要不断的检测上述指标。
( 2) 混合浆液的使用
在盾构掘进过程前 5 min 向膨润土浆液加入1% ～ 3% 泡沫原液向刀盘和土仓内进行渣土改良。
4． 1． 3 施工过程控制应对措施
( 1) 盾构掘进参数计算
根据地层特点，始发后每 5 环进行地层参数计算，计算理论土仓压力 P。
P = ( r土h + σ外) ζ + r水h
式中: r土—土浮容重;
r水—水容重;
h—埋深;
σ外—外荷载;
ζ—土的静止侧压力系数。
实际土仓压力略大于理论土压力 0． 2 bar。
( 2) 盾构掘进参数控制
刀盘转速: 刀盘转速以 0． 8 ～ 1． 1 rpm 为宜，保持低刀盘转速。
推进速度及推力: 为了减少刀具的磨损，推进速度控制在 20 ～ 40 mm/min，推力控制在 1 500 ～2 500 t左右，扭矩 1 500 ～ 3 500 kN·m，在圆砾地层中保持连续通过的原则。
土仓压力: 土仓压力控制( 上/左) 在 0． 6 ～0． 9/0． 8 ～ 1． 1 bar，土压不宜过高。
渣土改良: 采用膨润土混合液 +1% ～ 3% 分散型泡沫原液。
混合液的注入率为 20% ～30%，即每一环需注入 10 ～15 m3，若按掘进速度 20 mm/min，则泥浆的流量为 0． 1 ～0． 2 m3/ min。
4． 2 盾构机在砂砾地层中掘进地面沉降较大的应对措施
( 1) 严格进行渣土控制: 理论出土量为 45 m3/环，实际出碴量 50 ～ 55 m3/ 环控制，具体操作采取每出 1 斗( 18 m3) 渣土推进行程不小于 50 cm。
( 2) 土压控制: 向刀盘面加入大量的泥浆混合液，保持土压平衡，控制地面沉降。
( 3) 加强盾尾同步注浆和洞内二次注浆。
理论注浆量 2． 9 m3/ 环，实际同步注浆量在 5 ～7 m3/ 环。
上部注浆压力为 1． 8 ～ 3． 0 bar，以便及时充分地填充衬砌与地层之间的空隙。
为了保证二次补浆的及时性，在盾构完成拼装约 5 环处进行二次补强注浆，以弥补同步压浆的不足，必要时重复二次注浆。二次注浆利用同步注浆管安装在管片吊装孔中，对隧顶 120°范围内土体注浆加固，注浆材料采用同步注浆砂浆。此种方法对无水隧道二次补浆可以在管片拼装时进行，不影响掘进且很方便和及时。
( 4) 加强地面监测
对地面及时监测，发现异常及时处理。
4． 3 盾构机刀盘结泥饼的应对措施
( 1) 本工程由于圆砾土中含有黏土成分，施工不当易结泥饼，主要方法就是渣土改良混合液中掺入分散型泡沫剂。
( 2) 避免长时间停机，停机时要向掌子面单独打入泡沫剂进行分散黏土成分，并每 6 h 左右转动刀 盘。
( 3) 土仓压力不宜过高，随时观察渣土温度和刀盘扭矩，发现渣土温度过高或扭矩很小时，要及时采取措施进行处理。
5 应用情况
从本项目600 m 砂砾地层的掘进其情况可以看出，本项目对盾构在沙砾石地层中的施工控制，取得了良好的效果，主要表现如下。
( 1) 在初始 100 m 掘进时，改良剂配方不佳，渣土改良不好，出现结泥饼现象。掘进时最大推力为2 800 t，最大扭矩 4 600 kN·m，推进速度每分钟仅5 ～ 15 mm，盾构机的性能经受很大考验。合理的渣土改良和调整掘进参数后，推力范围 1 800 ～2 200 t，扭矩 1 800 ～ 3 500 kN·m，推进速度最大可达每分钟 70 mm。单天 24 h 平均推进 10 环，最大推进 22 环，单月一台盾构机推进 450 m，再未发生类似结泥饼情况。
( 2) 本区间地面监测结果显示，沉降量均在设计容许范围 30 mm 以内( 见图 2) 。
( 3) 盾构机出洞后对刀具进行了检查，周边保护刀磨损较大，约 1． 5 cm，正面贝壳刀磨损较小，个别刮刀合金磨损严重，螺旋机磨损较小。
6 结论
结合本工程盾构在通过全断面圆砾土地层的成果及所出现的问题，总结以下几点:
( 1) 盾构机的设计要充分考虑刀盘、刀具、螺旋机的强度、刚度和耐磨性能，特别要考虑周边刀具的耐磨性和数量，本工程周边保护刀的数量欠少，在以后工程中要加强配置。
( 2) 盾构机的刀盘和螺旋机驱动功率配置要高，本工程刀盘驱动功率 750 kW、螺旋机功率225 kW能满足地层掘进需要。
( 3) 膨润土混合液进行渣土改良时，要选进行试配并找出合理的配合比，重点要保证混合液的比重和粘度及和泡沫剂混合的时间控制，本工程始发100 m 厚渣土改良较成功。
( 4) 圆砾地层始发反力架的设计反力要控制在2 000 t 以上，保证工程安全。
( 5) 此地层同步注浆要饱满，二次补浆要及时( 24 h 左右要进行二次补浆) 。
( 6) 土仓压力不宜过大，一般略大理论计算，土压过大时盾构推力很大，为了防止土仓太密实需辅助向掌子面加大量泥浆的方式保证掌子面稳定。
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