摘  要：为降低刀具磨损、尽量减少开仓换刀，无水砂卵石地层盾构施工时，应优先选用不安装滚刀的大开口率刀盘和卵石输出能力强的无轴螺旋，大卵石含量高的地层还应考虑加装大稠度的膨润土液注入系统。 宜保持低土压掘进，控制土体改良材料添加量，使卵石能随砂子经螺旋输送机排出。 做好同步注浆、盾构配件等环节管理，以保持均衡连续施工。

关键词：地铁工程；砂卵石地层；盾构选型

 

      北京地铁大兴线清源路站至黄村西大街站盾构区间位于兴华大街主干道下方,左、右线长度均为1004.4m。 采用预制钢筋混凝土管片衬砌， 衬砌环外径6 000mm，内径5 400 mm，环宽1 200 mm，厚300 mm。兴华大街为城区南北向主干道，路面下设有热力、天然气、污水、雨水、上水、通信光缆等多种市政管线；街道两侧商场众多，人流密集，交通繁忙。

      隧道覆土厚9.3~10.9m，前530m为全断面砂卵石，粒径一般为5~120mm， 偶见粒径约230mm的卵石，卵石含量约40%； 后474m为砂层和粉质粘土交互层，局部为全断面砂层；地下水位在隧道开挖面最低点下5.5m。 隧道围岩较均匀，但稳定性较差，隧道修正后围岩级别为Ⅳ级。土体应力平衡破坏后，洞顶及边墙易发生失稳或坍塌。

 

      （1） 刀具、刀盘磨损：须选择适宜的盾构机及刀盘形式，做好土体改良，严格控制土压、刀盘扭矩、掘进速度等掘进参数，避免因刀盘、刀具磨损严重而中途进行开仓换刀、修补刀盘等作业。

      （2） 土体变形和地表沉降控制：盾构隧道穿越全断面无水砂卵石地层和粉细砂层，须控制土仓压力、出土量、同步注浆量等施工参数，避免发生超挖、开挖面土体失稳等情况， 保证土体变形和地表沉降控制在容许范围内，进而确保市政管线不受损坏，地面交通及商业不受影响。

 

      盾构选型是盾构法隧道能否安全、优质、环保、经济、快捷建成的关键工作之一，应非常慎重。 盾构选型须从安全适应性、 技术先进性、 经济性等方面综合考虑， 选择的盾构形式要尽量减少辅助施工措施并确保开挖面稳定和适应围岩条件。盾构机价格昂贵，设计使用年限长， 施工沿线及工程所在地区的地质条件可能变化较大，一般应选择适合施工区大多数围岩的机型。

      根据相关资料及对北京、广州、成都、沈阳等地已施工完成和在施盾构工程的调查和比较， 参照在施无水大卵石地层（卵石最大粒径不小于420 mm）盾构工程（北京地铁九号线丰台科技园站-科怡站-丰台南路站盾构区间）的地质资料，及后续工程（北京地铁六号线白石桥南站-花园桥站-慈寿寺站盾构区间）无水大卵石地层（卵石最大粒径不小于350 mm）中的使用情况，结合盾构机制造厂家的意见，选用2台德国海瑞克公司产土压平衡盾构机，刀盘开口率43%，不配备滚刀（图1），其主要参数见表1。

      除通常的盾构选型考虑因素外， 针对砂卵石地层的特性，还对以下几方面进行重点考虑。

      区间隧道所处地层为无水砂层及砂卵石地层，土体渗透系数较大，加压进仓换刀、检修刀盘时，空气漏失量很大， 不易形成气压平衡； 且易发生空气突然失压，引发灾难性后果。若在地面加固后进仓或做竖井换刀，检修代价极高。必须选择适宜于砂卵石地层掘进的刀盘形式，加强施工过程控制，减小刀具及刀盘磨损速度，避免中途进行刀具更换或刀盘修补。

      砂卵石地层使用的盾构机主要分为三大类：

      （1） 第一类为北京地区使用的日本IHI公司产仅装有贝壳刀的辐条式盾构，刀盘开口率约80%，切下的土体很容易进入土仓。使用效果较好，曾创造砂砾石地层连续掘进一千多米不换刀的记录。

      （2） 第二类为成都地区使用的海瑞克公司产装有齿刀及少量滚刀的面板式盾构，刀盘开口率约23%。 使用未达到预期效果，平均180m左右进行1次刀具更换，施工成本很高。刀具磨损快的原因，一方面是由于隧道掌子面为砂卵石地层，卵石属于松散体，地层对卵石缺少约束力， 不能提供给滚刀足够的转动力矩和滚刀破岩的支撑力，导致滚刀破岩基本无效，绝大多数时间处于偏磨状态，滚刀磨损速度快；另一方面是因为刀盘开口率较小，切下的卵石及土体不易进入土仓，粒径较大的卵石夹在刀盘和掌子面间滚动， 对刀具造成冲击破坏，刀具耐磨层崩裂后，母材很快磨损。

      （3） 第三类为海瑞克公司产只装有齿刀的面板式盾构，刀盘开口率约23%，使用效果一般。 在北京地铁五号线东四站至灯市口站区间含水砂卵石地层施工时，掘进298 m后周边刀严重磨损，部分周边刀刀座严重磨损， 齿刀也有不同程度磨损， 刀盘扭矩及推力剧增，无法正常推进，须开仓换刀。 刀具磨损快的原因主要是刀盘开口率较小， 切下的卵石及土体不易进入土仓。

      鉴于以上实例并查阅相关资料， 认为砂卵石地层中刀盘开口率大，切下的土体易进入土仓，能降低刀具磨损；但开口率过大，刀盘的整体强度和抗冲击变形能力降低，易造成刀盘冲击变形，须经过校核计算。

      大粒径进入土仓后， 若螺旋输送机不能将其顺利排出，易在土仓底部大量堆积，造成刀盘扭矩增高甚至卡死， 故刀盘的开口率大小还应兼顾螺旋输送机能排出的最大卵石粒径。 能通过刀盘开口进入土仓的卵石粒径，应小于螺旋输送机能排除的最大卵石粒径。如果掘进过程中遇个别无法进入土仓的超大粒径卵石，造成盾构无法正常掘进， 则需进仓或采取其他措施将其清除。对超大粒径卵石含量高的区段，普通土压平衡盾构机施工难度大，代价极高，采用带颚式破碎机的盾构或其他工法施工更为经济合理。

      螺旋输送机主要分为有轴带式螺旋和无轴带式螺旋。 对富水砂卵石地层，有轴带式螺旋利于防止喷涌；但在同直径情况下，受中心轴限制，能输出的卵石粒径较小。 无轴带式螺旋能输出卵石粒径主要受螺旋输送机内径及螺距限制，内径越大螺距越大，能输出的卵石粒径越大，但不利于防止喷涌。螺旋输送机内径受盾构机直径及所选用的主轴承直径限制， 螺距主要受自身强度限制。 内径1000mm的无轴带式螺旋理论上能输出直径330 mm左右的球形卵石、330 mm×570 mm左右的长形卵石。因北京地区地下水位较低，除个别穿越湖泊、河流的区段，很少发生喷涌，故选用内径1 000 mm的无轴带式螺旋。

      此外，在砂卵石地层中进行盾构施工，对设计加工阶段螺旋输送机的磨损问题也应充分重视。 施工过程中， 盾构到达接收井后须及时检查更换螺旋前端和螺旋钢筒内侧的耐磨条或堆焊耐磨材料。 螺旋钢筒壁磨损严重者需及时补焊，甚至更换。

      盾构刀盘被卡死的情况在砂性土及粘土层中发生概率较低，但在砂卵石地层（尤其是含大粒径卵石时）的发生概率较高，主要是因砂卵石地层中的细颗粒、粘性颗粒含量较低。若加泥量及泥浆浓度不够，同时加入的膨润土浆液较稀时，卵石和砂子易发生离析，螺旋输送机只带出砂和一些小粒径卵石， 大的卵石则被留在土仓中，沉积在刀盘底部。 随掘进距离增加，沉积在刀盘底部的卵石达到一定数量后，刀盘摩擦阻力矩激增，无法正常转动，甚至卡死。

      上述问题在盾构机招标设计阶段应予以重视，除配备普通的膨润土注入系统外， 还应配备高稠度膨润土（膨润土∶水为18~25∶100甚至更高）注入系统。 增大膨润土注入量，提高掘削土体中的细颗粒含量，以改善土体的和易性， 使螺旋输送机能顺利地将砂和卵石一起排出，降低卵石被留在土仓中的几率。 但是，膨润土加入量过大，又易在刀盘中心形成泥饼。

      北京地铁大兴线清-黄盾构区间施工中，因为大粒径卵石（粒径大于100mm）的含量较低，大部分区段不需注入高稠度膨润土 （膨润土∶水为18kg~25kg∶100kg以上）； 但在九号线丰台科技园站-科怡站-丰台南路站盾构区间大粒径卵石含量较高， 高稠度膨润土注入量很大； 个别区段在掘进三四十环后即需停机用柱塞式注浆泵注入3~4m³膨润土∶水为40kg∶100kg左右的糊状膨润土与土仓内的土体搅拌， 将沉积在土仓底部的卵石带出土仓，再恢复掘进。

      大兴线清-黄盾构区间于2010年1月1日贯通，掘进期间更换刀具，正常掘进段平均14.7m/d。隧道贯通后，除周边刀有少量磨损需修补外，其他刀具磨损量很小。

 

      无水砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、 无胶结， 呈大小不等的颗粒状。 若土仓内土压过低，开挖面撑压力不足，会在刀盘前上方产生较大的空洞区域，卵石或砾石将相继松动，在开挖面上方引起较大的塌落区， 继而使上覆砂性土和粘性土层产生的松动范围也比较明显， 如图2所示。但若土仓内土压高，会造成刀盘扭矩大，推力大，不利于掘进控制；切下的土体不能顺畅进入土仓，又会大幅增加刀具及刀盘磨损。

      在砂卵石地层中进行盾构施工时， 土压控制值须综合考虑刀具磨损和点沉降， 通过掘进过程中的监控量测，不断修正土仓内的土压控制值，找出经济合理的控制土压值，而不应一味追求高土压。若累计沉降在允许范围内，保持低土压掘进能降低刀盘扭矩，减缓刀盘及刀具磨损速度。 刀盘前方20m范围内的沉降观测点无明显变化，说明土仓内的压力趋于合理。此时若累计沉降大，则很可能由同步注浆或地层自身原因造成。砂卵石地层粘结力较小，对沉降反应敏感，盾构掘进对地层的影响很快反应至地表，但又很快稳定，只要累计沉降在允许范围内即可， 不应单纯以单个时间点的沉降速率进行判断。

      北京地铁大兴线清-黄区间盾构隧道施工时，隧道覆土厚度9.3~10.9m，超过1.5倍洞径。 考虑拱效应，土仓顶部计算松弛土压力为0.037~0.061MPa， 实际掘进过程中， 土仓顶部土压计显示值在0.02MPa左右掘进时， 刀盘前方20m范围内的沉降观测点并无异常变换， 绝大部分地表沉降观测点累计沉降值在30 mm左右，个别点达到35mm。 图3为沉降较大区段5个隧道正上方监测点在盾构穿越前后30d的沉降曲线分析图。

      盾构穿越无水砂卵石地层， 一般采取同时向刀盘切削面加注膨润土液和泡沫的措施来改善土体的流动性。 大粒径卵石含量高的地层还需向土仓内加注膨润土液，进一步增加土体中粘性颗粒及细颗粒的含量，改善土质以起减磨作用，满足螺旋输送机排土要求。膨润土液和泡沫的加注量并非越大越好，也非越少越好，而应以刀盘扭矩不高， 螺旋输送机能将卵石和砂子一起排出土仓为宜。 若加入量过大，易产生离析，且由于土体中的粘性颗粒含量增高，易在刀盘中心形成泥饼。

      大兴线清源路站-黄村西大街站盾构隧道左线第110-434环泡沫原液累计使用量为27 690 L，掘进1 m平均消耗泡沫原液71.21L； 发泡后的泡沫体积为切削土体体积的37.3%。 掘进1m加入膨润土∶水为12∶100 的膨润土液为4.2~6.3m³， 为切削土体体积的14％~21%，期间曾发生大的卵石被留在土仓中，沉积在刀盘底部，刀盘无法正常转动的现象2次，经向土仓内加入高稠度膨润土液，通过螺旋输送机将卵石带出。 掘进过程中，盾构机操作手须经常观察土仓上、中、底部的土压差值，若中、底部的土压差值逐渐变小，则很可能是卵石在土仓底部沉积过多，须及时处理。