西安地铁全断面无水砂层盾构施工技术
摘 要 针对无水砂层的特点，从土压平衡盾构机选型、渣土改良、刀盘开口率大小及能否顺利建立土压平衡几个方面进行了试验、分析和研究，确定了渣土改良的配比和合理掺量，并结合工程实际进行了验证和完善，使盾构机安全顺利地通过该地层并且取得了一定的经济效益，从而解决了盾构机穿越无水砂层的难题，可为今后施工类似地层提供经验。
关键词 地铁工程 土压平衡盾构机 无水砂层 泡沫剂 膨润土 渣土改良
1 引言
在西安地铁施工中，土压平衡盾构机得到了广泛的应用，但盾构穿越无水砂层一直是施工的重难点。这是一种典型的力学不稳定地层，盾构机在该地层中掘进时砂层颗粒间摩擦阻力大，土体流塑性差，当砂卵石充满土仓和螺旋输送机时，会使刀盘扭矩、螺旋输送机转矩及千斤顶推力增大，加大螺旋机液压马达负荷，使其工作油油压升高、发热，影响其性能甚至不能开挖排土。还会导致大颗粒卵石滞留土仓或向盾构机四周移动，使盾构机位置和姿态控制变得困难，严重时无法推进。由于砂层流塑性差，设定的工作压力不能顺利地传递到开挖面，不易实现连续的动态平衡，难以保持开挖面稳定，导致地表隆沉幅度增大，顶部大块卵石剥落还会引起地面突陷。盾构机如何安全、快速地穿越全断面砂层成为施工的重难点。
2 工程概况
西安地铁一号线 2 标包含后围寨 ～ 三桥、三桥～ 皂河两个盾构区间，长度分别为 1 798． 624 m 和1 810． 313 m; 线路下穿后围寨立交、三桥机械市场、阿房宫信用社，到三桥过站后，再下穿 4 层三桥供销社砖混楼房和三环三桥立交，到达皂河站。曲线最小半径 450 m，线路最大坡度 25‰。地下水位均在隧道底板以下。盾构区间穿过地层以中砂为主，局部为粗砂、粉质黏土。
3 盾构机针对性设计
根据无水砂层特点，盾体采用舞阳钢铁 Q345B钢板加工，刀圈、前盾壳体、中盾和盾尾钢板厚度分别为 100 mm、50 mm、40 mm，刀盘结构为辐条式，采用中间支承式结构，开口率 52%，设 4 个转动的搅拌臂和 4 个固定搅拌翼对土仓中的渣土强制搅拌，外圈后部设 6 个进碴口，可减缓刀盘磨损。刀具采用高低位布置，刀盘及刀梁上配耐磨钢板且堆焊耐磨材料。在刀盘、土仓及螺旋输送机上设膨润土、泡沫及水注入系统，并配置了 9 m3膨润土罐和两台流量可调膨润土泵确保注入量和改良效果，必要时由泡沫管路注入聚氨酯改良剂。主驱动电机为 3 ×250 kW，刀盘可正反转，转速 0 ～ 2． 75 r / min，可无级调速。螺旋输送机采用伸缩式结构，特殊情况下可进行维修，堆焊耐磨材料提高耐磨性。主轴承密封可承受 3 bar 泥土压力，主密封有 HBW 保护，保证密封系统的可靠。盾壳铰接密封可调及应急气囊式密封。
4 全断面干砂层中盾构掘进主推力、刀盘扭矩的确定
盾构主推力、刀盘扭矩是最主要的 2 个参数，决定着能否顺利施工，不同地质对该参数要求不同，带来的经济效益也不同。由于盾构机购买费用高，本着能够满足目前地层施工，同时考虑后续项目稍加改进同样适用的原则合理选择主要参数，是项目盾构选型的关键。
4． 1 确定通过地层的主要物理指标
根据设计提供地质资料和补勘资料，查找盾构主要通过的地层指标，计算推力、扭矩。本标段盾构通过地层的主要物理指标如下: 中砂的天然含水量 15%，重度 20．9 kN/m3，干重度 18．1 kN/m3; 粗砂的天然含水量 15．7%，重度 20．2 kN/m3，干重度17． 9 kN / m3; 粉质黏土的天然含水量 25%，重度20． 2 kN / m3，干重度 16． 3 kN/m3。地质标贯击数最高达 76，容重高达 20． 9 kN/m3。
4． 2 盾构机所需推力计算
按水、土分离，全覆土计算。计算参数见表 1。
4． 2． 1 盾构机推力计算
4． 2． 1． 1 土压计算
作用在壳体上的土压为上部土压 P1、侧压 P2及下部土压 P3的平均值。
上部土压: P1= ( H － Hw) × W0+ Hw × W1+ S =43 t / m2
侧压: P2= K1× ( P1+ r × W1) =30．1 t/m2
下部土压: P3= P1+ G / ( d × L) = 53．032 t / m2
平均土压: P =( P1+2 × P2+ P3) /4 =39．058 t/m2
4． 2． 1． 2 推力计算
盾构机推力由壳体外周摩擦阻力、胸板所受的土压与水压、后续设备的牵引力、管片与盾尾密封的摩擦阻力等组成。
克服壳体外周摩擦阻力的推力: F1= π × d × L ×P × f = 1 907． 095 t
克服胸板所受的土压与水压的推力: F2= A ×( P2+ Pw) = 903 t
克服后续设备的牵引力的推力: F3= GB × μ =45 t
克服管片与盾尾密封摩擦阻力的推力: F4= π ×Ds × μs × n( PT + α × Pw × lT) = 2．662 t
推进时所需推力: F = F1+ F2+ F3+ F4=2 857．757 t
4． 2． 1． 3 装备推力
盾构机装备推力不得小于 3 428 t。
4． 3 盾构机刀盘扭矩计算
盾构刀盘扭矩由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、滚刀的运转阻力矩等组成。一个切削刀刃所需的阻力矩 Hα根据村山·田经验公式计算:
Hα= 9． 81 × 1． 8 × es× B0× t2× 10( 0． 56 × θ) =0． 1 kg，式中 es根据表 2 取值。
刀具的切削阻力矩:T1=n ×Hα×Rk=7．133 kg·m
刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩: T2= 2 /3 × π ×P2× f × ( 1 － ξ) × rc3=310． 236 t·m
所需扭矩:T =T1+ T2=317． 4 t·m =3 174 kN·m
由计算知，选用主推力 47 610( 脱困 57 180)kN，刀盘扭矩 4 500( 脱困 5 400) kN·m 的盾构机完全满足施工要求。
5 渣土改良外加剂配比优化
本工程用泡沫剂和膨润土进行渣土改良，在试验段第 42 ～50 环进行了优化试验。
5． 1 泡沫剂添加量的确定
泡沫剂成本高，合理的添加量范围决定着改良效果和经济效益。泡沫组成中 90% ～ 95% 为压缩
空气，5% ～ 10% 为泡沫溶液，泡沫溶液的组成为泡沫剂 3% ～5%，水 95% ～97%。图 1 为泡沫剂︰水为3%，发泡倍率为 10 ～12 的试验结果，试验结果显示，泡沫剂注入量为 2 500 ～2 700 L 时，盾构机刀盘油压和螺旋机油压基本达到最佳状态。
5． 2 膨润土添加量的确定
根据地质条件及西安地铁施工经验，膨润土浓度一般在 20%以上，膨化 24 h 左右添加 0． 2 kg/m3羧甲基纤维素( CMC) 。为此在室内将充分膨化后的膨润土泥浆和中细砂按不同比例进行拌和试验，得出最佳理论数据，再通过实际施工得出最佳膨润土添加配比。
经试验最佳比例为: 膨润土︰中细砂 = 1∶ 5，拌出的土样呈可塑状，既不可流动又无干土样。为了了解添加泡沫剂后土体改良的实际效果，在上述土样中掺入泡沫剂后，土体改良效果见图 2。根据配比估算每环掘进需加入 1∶ 5膨润土浆液约 9 m3，加入泡沫剂 0． 08 m3。
实际施工中，泡沫剂原液经过掺入大量的水( 97%) 以及通过高压空气充分发泡，加上膨润土泥浆的综合作用，实际掘进时浓度 20% 的膨润土泥浆用量每环 5 ～7 m3，泡沫剂用量每环 0． 04 ～0． 05 m3可达到渣土最佳改良的要求。
通过在推进过程中逐渐减少添加剂用量观察盾构机掘进参数的变化和分析改良后的土体样本发现，当泡沫剂︰水≥2%，膨润土泥浆浓度≥20%时，泡沫剂每环用量 0． 03 m3，膨润土泥浆每环用量4 ～ 5 m3可满足渣土改良最低要求。
5． 3 实施效果
本标段右线盾构由后卫寨始发后掘进无水砂层 800 环( 1 200 m) 到达三桥站，土体改良效果显著，平均日掘进 10 环，最高日掘进 12 环，盾构机主要参数均在合理范围内; 地表沉降可控，第三方监测显示，盾构沿线道路地表沉降均小于 20 mm，近盾构西宝立交桥无明显沉降及倾斜; 在三桥站出洞后观察，刀盘刀具轻微磨损，仅更换高刮刀 6 把，贝壳刀 2 把。
6 刀盘开口率的大小与建立土压平衡的关系
国内已有试验研究表明: 开口率达到 40% ～60% 即能满足盾构机在砂层中穿越的条件。但由于干砂地层的不稳定性，刀盘开口率大必然造成土仓建压困难，掌子面易坍塌。为了保证土仓压力满足要求，我们采取了以下措施:
( 1) 做好渣土改良，使土体具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的土体摩阻力，使切削下的土能顺利进入土仓，并尽量使土体充满土仓，建立刀盘前后的土压平衡。
( 2) 砂层颗粒间孔隙大，没有黏聚力，不会形成泥饼，可以通过控制螺旋机转速适当减小出土量和出土速度，以保证土仓内渣土饱满，达到建压的目的。
( 3) 由于砂层不稳定，尽量避免非正常停机，保持盾构机的稳定性。如必须停机，可向刀盘前注入膨润土泥浆，以维持掌子面稳定。
实际施工中，在对本标段右线前 800 m 盾构掘进参数分析可知，在做好渣土改良的前提下，盾构机总推力基本控制在 10 000 ～13 000 kN，刀盘油压17 ～ 19 MPa，螺 旋 机 出 土率 达 到 98% ，土 仓 压 力0． 11 ～ 0． 13 MPa，而且土仓建压并不困难。可见盾构机穿越无水砂层开口率设计为 52% 是合理的，也是成功的。
7 结束语
( 1) 通过对本盾构机合理选型，渣土改良的研究和精确的土仓平衡建压，解决了盾构穿越全断面无水砂层的难题，为今后类似施工提供了资料和经验。
( 2) 最佳渣土改良配比和最经济的渣土改良方法是渣土改良的关键技术，同时掺入泡沫剂和膨润土浆液才能达到理想的改良效果，在满足安全快速掘进的同时又节约了成本。
( 3) 盾构机 52%的刀盘开口率设计非常适应类似地层的盾构施工，可以作为国内同类地质条件下盾构机选型的参考。
参考文献
1 姜晨光． 地铁工程建造技术［M］． 北京: 化学工业出版社，2010
2 施仲衡． 地下铁道设计与施工［M］． 西安: 陕西科学技术出版社，1997
3 王洪新． 土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究［J］． 土木工程学报，2010( 3)
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