［摘 要］沈阳地铁二号线会展中心站—世纪广场站隧道盾构区间穿越中粗砂、砾砂层，砂性土层内摩擦角大，碴土流动性差，排土困难，地下水量丰富、水压高，因此盾构掘进控制困难，容易造成地表沉降。从土压平衡盾构的适应性、刀盘和螺旋输送机的结构、刀具的配置和加固、碴土改良措施、沉降控制方法等方面介绍土压平衡盾构穿越砂层的施工技术。在施工过程中，通过采取同步注浆、二次注浆、加强施工监测等措施保证了既有线行车安全。

［关键词］土压平衡盾构; 富水砂层; 碴土改良; 沉降控制

 

      沈阳地铁二号线会展中心站—世纪广场站区间线路全长1 204. 232m。线路竖曲线半径为 3km 和5km，最 大 纵 坡 为 18‰。 隧 道 埋 深 在 12. 53 ～21. 47m，线路间距 13m。 在盾构推进中，影响较大的建(构)筑物有浑河大街和苏抚铁路。

      该场地地基主要由第四系全新统和更新统黏性土、砂类土、碎石类土组成。隧道通过地层主要为砾砂(④_-4):黄褐色，中密 ～ 密实，局部为稍密状态，湿～ 饱和，混粒结构，矿物成分以石英、长石为主，黏粒含量 9% ，粒 径 > 2mm 颗 粒 占 总 质 量 的 35% ～45% ，最大粒径 80mm。

      地下水为第四系松散岩类孔隙潜水，稳定水位埋深一般在 7. 90 ～ 13. 00m，主要赋存在中粗砂、砾砂及圆砾层中，主要含水层厚度 18. 1 ～ 25. 2m。单井单位涌水量1 816. 67 ～ 3 665. 02m³/ ( d·m)，渗透系数为(5. 79 ～ 12. 73) × 10^{－ 4}m / s，开挖面水压力为0. 1 ～ 0. 15MPa，属水量丰富区。

 

      该区间盾构穿越地层全线为砾砂层，土体颗粒较粗。砂类土不均匀系数 C_u= 120，C_c= 0. 73，不能同时满足 C_u≥5 和 C_c= 1 ～ 3 要求，级配不良。泥水式盾构和土压平衡盾构均可满足上述地质条 件。

      砂砾地层中孔隙较大，盾构穿越地层黏粒含量不足 10% ，且施工中存在动水压力，部分泥水可经过地层的孔隙流走，无法形成连续的泥膜，易出现逸泥现象，泥水压力不稳定、管理较困难，易造成掌子面坍塌或地面沉降。施工中需要向泥水中添加膨润土、增黏剂等促进泥膜的形成，保证施工安全。该工程采用泥水平衡盾构施工具有一定风险。同时，考虑碴土处理、施工场地、设备费用和工程成本等方面因素，加泥式土压平衡盾构优于泥水式盾构。

 

      本工程主要是中粗砂、砾砂地层，使用的刀具形式以软土刀具为主，面刮刀(含中心刮刀)82 把、先行撕裂刀 45 把、周边刮刀 12 把、周边保护刀 12 把、超挖刀 2 把(其中 1 把备用)。面刮刀与刀盘表面距离为 70mm，先行撕 裂 刀 与 刀 盘 表 面 的 距 离 为80mm，超挖刀的超挖量为 65mm。

       施工前对盾构施工刀盘扭矩进行理论计算分析，获得该区间刀盘扭矩计算值如表 1 所示。考虑最不利因 素下，确 定 刀 盘 配 备 标 准 扭 矩 为 5 733kN·m，脱困扭矩为 6 880kN·m，经工程检验，满足施工要求(见图 2)。

 

      土压平衡盾构螺旋机的作用是出碴和调节土仓土压力，考虑到在砂、砾砂层，施工地层为水量丰富区，采用对止水性更为有利的轴式螺旋输送机。根据地下水埋深的不同，盾构刀盘中心水压力为0. 1～ 0. 2MPa。按以往施工实例，当地下水压力达到2MPa，施工中不能仅采用闸门止水方式，而必须与其他装置结合起来共同采取措施^［4］。因此本工程采用多段螺旋式输送机，主要参数如下:①最大扭矩85. 7kN·m; ② 叶片螺距 700mm; ② 最大转速 13r /min;④叶片直径 756mm;⑤出土能力 222m³/ h;⑥可通过的最大颗粒 600mm × 256mm。

      螺旋输送机的外壳采用分段设计，最前端焊接在盾 构 机 前 体 下 部，后 面 的 筒 体 由 2 个 外 径812. 8mm 的筒体套接而成，两筒体之间用液压油缸相连，可以相互伸缩，最大行程为1 000mm。

      螺旋机在土仓进土口设有 2 个可开闭闸门，当螺旋输送机需要排堵时，伸长螺旋机连接油缸，回缩螺旋输送叶片，然后关闭土仓中 2 个可开闭闸门，液压进土闸门把螺旋机进土口关闭，确保土仓中的土压不会失稳。然后通过设在螺旋输送机上的排堵口进行排堵。在涌水较多的场合，可以先将第 1 道闸门关闭，第 2 道闸门开启将碴土存放在出口处，然后将第 2 道闸门关闭，开启第 1 道闸门，排出碴土。

      根据本标段的地质情况，砂卵石对刀盘、刀具和螺旋输送机的耐磨性提出了更高要求，取土端的外壳焊接有耐磨合金条，螺旋叶片边缘焊有硬质合金块，叶片受碴土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹，这些设计使螺旋机有较好的耐磨性能。

      采用加泡沫剂的方法对土壤改良，通过试验，每前进 1. 2m(一环)，加入泡沫剂 40 ～ 50kg。

      盾构机设有自动控制添加剂注入设备和管路，刀盘上设置 5 个添加剂注入口，能对开挖面的土体进行充分改善，并且在土仓胸板处、人行闸处及螺旋输送机上也设置若干个添加剂的注入口。其中，螺旋输送机的筒体上开有 3 个添加剂注入孔，必要时可以往里注水和添加剂，降低碴土黏性，减少出土阻力，提高出土效率。

       经计算分析和实测，土体改良前后刀盘扭矩降低约为 20% ，同时降低了因盾构掘进对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。

      苏 抚 铁 路 处 于 该 标 段 的 里 程 为 K18 +123. 395—K18 + 135. 395，该处隧道埋深 16. 3m。苏抚铁路分为上、下行两条铁道，车流非常密集。为保证行车安全，施工中将铁路处的沉降量控制在设计要求的 10mm 范围之内，采用的施工措施如下。

       1)同步注浆 采用数值分析获得盾尾空隙填充率与地表沉降的相互关系，如图 3 所示。结合上述结果和以往施工经验，将注浆压力达到规范规定的底线 0. 2MPa，每环的注浆量由原来的 4. 8m³增加到 5. 1 ～ 5. 2m³，达到设计的 162% 。并在浆液中适度增加微膨胀剂，减少同步注浆浆液凝固后的收缩。注浆浆液中各种材料含量(kg/m³):水泥∶ 砂∶ 水∶ 粉煤灰∶ 膨润土∶ 膨胀剂 = 130∶ 800∶ 436∶ 500∶ 60∶ 54。

      2) 二次注浆 同步注浆 24h 后立即进行二次注浆。二次注浆采用水泥浆和水玻璃按 1∶ 1组成的双液浆，注浆参量分别为:①水泥浆 水∶ 水泥 = 1∶1;②水玻璃 水∶ 水玻璃 = 1∶ 2。很好地固结同步注浆浆液，减少浆液的流失。

      3) 根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数和施工方法，发现情况及时解决。

      4) 该段隧道处于曲线段，掘进通过该段时停止使用超挖刀，采用小推力大扭矩推进，加强施工监测。

      隧道通过苏抚铁路过程中，在该里程范围内共设了 3 个监测断面，每个断面设 7 个监测点，布置如图 4 所示。监测频率为 1 次 /2h，直到稳定。

      通过以上措施，监测结果显示，隧道轴线无大的漂移现象，隧道沉降或漂浮在 7d 后趋于稳定;成型隧道管片无漏点、无湿迹;盾构穿越苏抚铁路时的累计沉降量最大值为 4. 13mm，满足要求。沉降曲线如图 5 所示。

      刀具磨损量预测按下式计算:

δ = k·π·D·n·L / v      (1)

      式中:δ 为刀具最外周磨损量 ( mm ); k 为磨损系数(mm/km);D 为盾构外径 (m);n 为刀盘转数 ( r/min);L 为掘进距离( km);v 为掘进速度( m / min) 。

      根据刀具种类、刀片材料、地质条件、刀具布置情况等因素，按照以往的经验预测刀具最外周的最大磨损量为 24 ～ 47mm，相应的掘进长度如图 6 所示。预测结果:主切削刀最大掘进长度为 1 020 ～2 041m。该标段盾构隧道段距离为1 197. 4m，基本满足不换刀具进行隧道掘进施工的条件，但需要对刀具进行局部加固处理。在刀盘外周磨损程度较大的部位堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金。