鄭州地鐵砂性地層盾構(gòu)長距離掘進(jìn)技術(shù)研究

張 昭

(鄭州市軌道交通有限公司， 河南 鄭州 450000)

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鄭州地鐵砂性地層盾構(gòu)長距離掘進(jìn)技術(shù)研究

張 昭

(鄭州市軌道交通有限公司， 河南 鄭州 450000)

為解決盾構(gòu)在砂性地層中長距離掘進(jìn)可能存在的風(fēng)險難題，以鄭州地鐵1號線2期工程為背景，分析盾構(gòu)在砂性地層長距離掘進(jìn)施工中可能存在的風(fēng)險，在盾構(gòu)掘進(jìn)前針對所穿越地層的物理力學(xué)參數(shù)從耐磨性、刀盤開口率等方面對盾構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通過現(xiàn)場試驗確定合理的土體改良措施和注漿參數(shù)，最終順利完成掘進(jìn)。結(jié)果表明： 采取上述技術(shù)措施能夠有效提高盾構(gòu)在砂性地層中的耐磨性和掘進(jìn)效率并且控制了地表沉降，從而克服了盾構(gòu)在砂性地層中長距離掘進(jìn)的施工風(fēng)險。

鄭州地鐵； 砂性地層； 長距離掘進(jìn)； 盾構(gòu)設(shè)計； 土體改良； 注漿參數(shù)

0 引言

在城市軌道交通工程建設(shè)中，盾構(gòu)法是一種被廣泛采用的施工工藝[1]。砂性土具有黏聚力小、內(nèi)摩擦角大、流塑性差、滲透系數(shù)大的特點。盾構(gòu)在砂性地層中掘進(jìn)時，易出現(xiàn)刀盤、刀具、螺旋輸送機磨損，刀盤扭矩和推力增大，掘進(jìn)參數(shù)異常，出土困難以及地面沉降難以控制等一系列風(fēng)險問題，嚴(yán)重時會造成重大安全事故[2]。近年來，在砂性地層盾構(gòu)掘進(jìn)中出現(xiàn)的問題越來越引起研究者的重視： 文獻(xiàn)[3-5]通過試驗方法分析了盾構(gòu)在全斷面砂性地層掘進(jìn)的渣土改良措施；文獻(xiàn)[6]結(jié)合南京地鐵砂性地層盾構(gòu)掘進(jìn)，通過現(xiàn)場試驗研究了不同漿液的配合比對砂性地層的注漿填充效果的影響；文獻(xiàn)[7]通過西安地鐵砂性地層盾構(gòu)刀盤、刀具的實際磨損情況，分析了導(dǎo)致刀盤、刀具磨損的因素，提出了改進(jìn)刀盤、刀具耐用性的相關(guān)措施；文獻(xiàn)[8]提出了一套適用于砂性地層中盾構(gòu)刀具磨損的計算方法，通過求解平衡方程計算出盾構(gòu)在砂性土中的理論扭矩；文獻(xiàn)[9]采用顆粒流數(shù)值計算方法研究盾構(gòu)施工對砂性地層的擾動情況，并分析了砂性地層中隧道管片的受力規(guī)律。盡管前人已經(jīng)做了部分相關(guān)研究，但僅是針對盾構(gòu)在砂性地層中掘進(jìn)的某一方面，而盾構(gòu)在砂性地層中掘進(jìn)的適應(yīng)性問題是一個比較復(fù)雜的綜合性技術(shù)問題，需要從盾構(gòu)選型配置、掘進(jìn)參數(shù)、土體改良、同步注漿等方面綜合考慮，特別是盾構(gòu)在砂性地層中長距離掘進(jìn)還存在停機進(jìn)艙更換刀具的風(fēng)險[10-11]。因此，如何規(guī)避諸多潛在風(fēng)險，使盾構(gòu)在砂性地層中長距離掘進(jìn)更加安全高效是值得研究的問題。

本文以鄭州地鐵1號線2期工程為背景，分析盾構(gòu)在砂性地層長距離掘進(jìn)可能存在的風(fēng)險，通過盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計以及掘進(jìn)過程中土體改良和同步注漿現(xiàn)場試驗研究，探討盾構(gòu)在砂性地層中長距離掘進(jìn)采取的技術(shù)措施，以期為類似條件的盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供技術(shù)參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

鄭州地鐵1號線2期工程龍子湖中心站—市體育中心站區(qū)間右線長1 886.796 m、左線長1 885.295 m，采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)。隧道襯砌采用外徑6 000 mm、厚度300 mm、環(huán)寬1 500 mm的預(yù)制鋼筋混凝土管片錯縫拼裝。管片強度為C50，抗?jié)B等級為P12。區(qū)間隧道主要穿越地層為〈16〉細(xì)砂、〈17〉中砂、〈17〉-2細(xì)砂。盾構(gòu)穿越砂層地質(zhì)剖面和土層物理力學(xué)參數(shù)見圖1和表1。本區(qū)間淺層含水層巖性以粉細(xì)砂、中砂為主，屬中等-強透水層，富水性好。地下水位埋深為4.20～7.13 m，地下水補給來源主要為大氣降水。

圖1 區(qū)間地質(zhì)剖面圖

1.2 砂性地層長距離掘進(jìn)潛在風(fēng)險分析

本工程盾構(gòu)長距離穿越富水砂性地層，單線掘進(jìn)距離長且不設(shè)中間風(fēng)井，施工時易出現(xiàn)以下問題：

1)刀盤、刀具等設(shè)備磨損嚴(yán)重。盾構(gòu)長距離掘進(jìn)施工時，砂層與盾構(gòu)之間會產(chǎn)生較大的摩擦，且砂土顆粒強度高，易造成盾構(gòu)的刀盤、刀具、螺旋輸送機、盾尾刷等部位磨損，嚴(yán)重時存在中途更換刀具的風(fēng)險。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)效率低。本工程穿越地層屬于密實砂層(標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到30以上)，盾構(gòu)在掘進(jìn)時容易出現(xiàn)推力、刀盤扭矩增大以及推進(jìn)速度緩慢的現(xiàn)象；同時，由于砂性土流塑性差，會造成渣土難以進(jìn)入土艙，降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

3)地表變形控制困難。根據(jù)勘察報告，本工程穿越地層存在局部液化土層，由于砂性土自穩(wěn)性差，盾構(gòu)施工可能會造成砂土液化以及地層破壞，導(dǎo)致盾構(gòu)在砂性地層中推進(jìn)時地表變形不易控制。

4)螺旋輸送機發(fā)生涌水涌砂。本工程區(qū)間位于地下水位線以下，隧道部分區(qū)段需下穿鄭東新區(qū)龍子湖，若施工不當(dāng)易造成螺旋輸送機出土口處涌水、涌砂，危及施工和周邊環(huán)境安全。

2 盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計

2.1 加強刀盤、刀具耐磨性

為避免刀盤、刀具發(fā)生嚴(yán)重磨損的風(fēng)險，需要提高其在砂性地層中的耐磨性[12]。本工程盾構(gòu)刀盤刀具布置如圖2所示。刀盤整體采取耐磨設(shè)計，刀盤的正面、側(cè)面及圈梁上沿側(cè)結(jié)構(gòu)輪廓有網(wǎng)格狀堆焊(厚度5 mm)，刀盤外圈有條狀耐磨堆焊(厚度5 mm)，如圖3所示。堆焊合金焊條采用德國CARBODUR63型耐磨焊條，硬度為HRC60～HRC64。刀具采用鎢鋼硬質(zhì)合金，具有硬度高、耐磨、耐熱等性能，其硬度和耐磨性在500 ℃高溫下也能保持不變。

圖2 盾構(gòu)刀盤刀具布置

2.2 加強螺旋輸送機耐磨性及設(shè)置防噴涌應(yīng)急閘門

為防止螺旋輸送機葉片嚴(yán)重磨損導(dǎo)致葉片斷裂以及螺旋輸送機驅(qū)動系統(tǒng)密封損壞，本工程盾構(gòu)在螺旋輸送機前槽體、螺桿采用耐磨設(shè)計，葉片前端設(shè)置加厚層并增加網(wǎng)格狀耐磨堆焊，如圖4所示。為防止在富水砂性地層掘進(jìn)時發(fā)生噴涌，將螺旋輸送機增加1套手動應(yīng)急閘門，以滿足在應(yīng)急情況下的密封需求，如圖5所示。

圖3 刀盤及刀具堆焊耐磨加強

Fig. 3 Wear resistance enhancement by bead welding on cutterhead and cutters

圖4 螺旋輸送機葉片補強

(a) 示意圖

(b) 實物圖

2.3 加強盾尾刷耐磨性

盾尾刷是保證盾構(gòu)與管片之間密封的重要部分，其作用是防止泥砂以及注漿漿液從盾構(gòu)盾尾縫隙處滲漏[13]。當(dāng)盾構(gòu)在砂性地層中長距離掘進(jìn)時，盾尾刷內(nèi)外兩側(cè)不斷與管片棱角、砂性土發(fā)生卡碰、摩擦，易造成盾尾刷鋼板、鋼絲磨損和異常損壞、掉落，從而導(dǎo)致盾尾漏漿、漏水，因此，加強盾尾刷耐磨性是保證盾尾密封的有效手段。本工程盾構(gòu)配備了多道可更換的盾尾刷，并在盾尾刷材料中加入錳等金屬元素，以提高盾尾刷的耐磨性。

2.4 加大刀盤開口率

刀盤開口率是盾構(gòu)選型重要指標(biāo)之一，合理的開口率能夠使砂土順利地進(jìn)入土艙。在砂性地層中，增大刀盤開口率可以使開挖面切削的土體順利進(jìn)入土艙[14]。本工程盾構(gòu)刀盤的開口率選用45%，大開口率可以使砂土進(jìn)入土艙阻力減小，盾構(gòu)掘進(jìn)效率提高。

2.5 減小盾構(gòu)殼體摩阻力

由于本工程所穿越砂層的密實度較大，為了減小盾構(gòu)掘進(jìn)施工中殼體與周邊砂土的摩阻力，本工程盾構(gòu)盾殼采用倒錐形設(shè)計；同時，在盾構(gòu)殼體上增設(shè)注漿孔(如圖6所示)，通過盾構(gòu)殼體上的注漿孔向周邊土體注入減摩漿液來減少盾構(gòu)殼體所受摩阻力。

(a) 剖面圖

(b) 縱斷面圖

3 掘進(jìn)技術(shù)研究

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

1)正面土壓控制。根據(jù)土壓平衡式盾構(gòu)的工作原理，為維持開挖面土體的穩(wěn)定，土艙內(nèi)的壓力應(yīng)與刀盤前方水土壓力保持平衡。本工程區(qū)間隧道斷面位于地下水位以下，為準(zhǔn)確反應(yīng)盾構(gòu)正面平衡壓力，采用水土分算的方法對正面土壓進(jìn)行計算[1]。

正面平衡壓力

p=k0×(γ土-γ水)×h土+γ水×h水。

式中：p為平衡壓力(包括地下水)；h土為隧道中心埋深；h水為地表水位至隧道中心深度；k0為土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)。

盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中壓力的設(shè)定值應(yīng)結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷地微調(diào)，k0值也應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況以及100環(huán)試掘進(jìn)的反饋參數(shù)來確定。

2)掘進(jìn)速度控制。正常施工段的盾構(gòu)掘進(jìn)速度一般控制在3～4.5 cm/min。

3)出土量控制。嚴(yán)格控制每環(huán)的出土量為理論值的98%～100%，嚴(yán)禁出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。若出現(xiàn)超挖問題，需及時調(diào)整土壓力等掘進(jìn)參數(shù)，并適當(dāng)增加同步注漿量和二次注漿量。

3.2 正面土體改良

盾構(gòu)在砂性地層中進(jìn)行長距離、全斷面掘進(jìn)時，采用泡沫劑對正面土體進(jìn)行改良，可以有效地提高砂性土的黏聚力、減小砂性土的摩阻力和滲透性，使其達(dá)到流塑狀態(tài)。為進(jìn)一步確定和優(yōu)化泡沫改良參數(shù)，以本工程左線前120環(huán)試掘進(jìn)段為研究對象，研究不同的泡沫體積分?jǐn)?shù)、發(fā)泡率以及注入率對盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度等掘進(jìn)施工參數(shù)的影響。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，泡沫體積分?jǐn)?shù)試驗選取4%、5%、6%；發(fā)泡率試驗選取12倍、16倍、20倍；注入率試驗選取45%、55%、65%。

1)圖7(a)示出不同體積分?jǐn)?shù)泡沫溶液的各項盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化曲線。由圖可知： 隨著泡沫體積分?jǐn)?shù)的提高，推力和扭矩減小，推進(jìn)速度加快。泡沫體積分?jǐn)?shù)由4%增加到5%時各項參數(shù)變化明顯，由5%增加到6%時各項參數(shù)變化較小。泡沫體積分?jǐn)?shù)為5%時，盾構(gòu)推力控制在20 900 kN左右，刀盤扭矩控制在2 750 kN·m左右，推進(jìn)速度保持在2.6 cm/min左右。

2)圖7(b)示出不同發(fā)泡率的各項盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化曲線。由圖可知： 隨著發(fā)泡率的提高，推力和扭矩減小、推進(jìn)速度加快。發(fā)泡率由12倍增加到16倍時各項參數(shù)變化明顯，由16倍增加到20倍時各項參數(shù)變化較小。發(fā)泡率為16倍時，盾構(gòu)推力控制在18 300 kN左右，刀盤扭矩控制在2 560 kN·m左右，推進(jìn)速度保持在3.6 cm/min左右。

3)圖7(c)示出不同注入率的各項盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化曲線。由圖可知： 隨著注入率的提高，推力和扭矩減小，推進(jìn)速度加快。注入率由45%增加到55%時各項參數(shù)變化明顯，由55%增加到65%時各項參數(shù)變化較小。注入率為55%時，盾構(gòu)推力控制在16 800 kN左右，刀盤扭矩控制在2 440 kN·m左右，推進(jìn)速度保持在4.2 cm/min左右。

圖7 不同泡沫改良參數(shù)的各項盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化曲線

Fig. 7 Curves of shield tunneling parameter variation under different foams

通過以上試驗研究，綜合考慮各種因素，最終確定本工程泡沫劑改良參數(shù)為： 溶液體積分?jǐn)?shù)5%、發(fā)泡率16倍、注入率55%。

3.3 地表沉降控制

由于砂性地層自穩(wěn)性差，必須采用同步注漿控制盾尾處地表沉降[15]。本工程同步注漿采用大比重惰性漿液，主要由砂、粉煤灰、水、膨潤土、石灰和外摻劑組成。該漿液具有高稠度、高強度的特點，同時其壓縮性和泌水性小，能夠有效控制隧道上浮和地表沉降。本工程所用漿液配合比見表2。為研究不同注漿參數(shù)對地表沉降的影響，以本工程左線前100環(huán)試掘進(jìn)段為研究對象，分別從注漿壓力、填充率、注漿時間3個方面進(jìn)行試驗研究。

表2 同步注漿漿液配比表

Table 2 Mixing proportions of materials of synchronous grouting slurry kg/m3

1)本試驗分別選取0.1～0.6 MPa的注漿壓力進(jìn)行試驗，圖8(a)示出不同注漿壓力地表沉降變化曲線。由圖可知，隨著注漿壓力的增大，地表沉降量逐漸減小。當(dāng)注漿壓力增大到0.5 MPa時，地表沉降量趨于穩(wěn)定；繼續(xù)增大注漿壓力，對地表沉降影響不大。

2)本試驗根據(jù)盾構(gòu)參數(shù)計算出理論填充量，以此為基礎(chǔ)依次增加10%進(jìn)行試驗研究。圖8(b)示出不同填充率下的地表沉降變化曲線。由圖可知，隨著填充率的增大，地表沉降量逐漸減小，當(dāng)填充率達(dá)到170%～180%時，地表沉降量趨于穩(wěn)定；再加大填充率，地表開始隆起。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需在盾尾進(jìn)行同步注漿，為了研究施工中盾構(gòu)掘進(jìn)注漿的同步性對地表沉降的影響，本試驗比較同步注漿和滯后注漿(在推進(jìn)過程中不注漿，推進(jìn)完成后集中補壓漿)2種情況下盾尾處地表的沉降變形。圖8(c)示出不同注漿時間地表沉降變化曲線。由圖可知，在不及時注漿的情況下地表沉降量較大。因此，一定要做到同步注漿，才能更好地控制地表沉降變形。

通過以上試驗研究，得出本工程區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的注漿參數(shù)為： 注漿壓力保持在0.5 MPa左右，填充率保持在170%～180%，并做好同步注漿。

4 實施效果

本工程在采取以上措施后，區(qū)間盾構(gòu)順利掘進(jìn)，地表沉降始終控制在-5～-17 mm(區(qū)間內(nèi)每100環(huán)最大沉降值曲線如圖9所示)，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。在盾構(gòu)順利接收后對刀盤、刀具等磨損情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磨損程度輕微。

(a) 不同注漿壓力

(b) 不同填充率

(c) 不同注漿時間

Fig. 8 Curves of ground surface settlement variation under different grouting parameters

圖9 每100環(huán)地表最大沉降值曲線

Fig. 9 Curve of maximum settlement of ground surface of every 100 rings

5 結(jié)論與建議

1)盾構(gòu)掘進(jìn)前應(yīng)針對盾構(gòu)所穿越地層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，特別是在砂性地層中長距離掘進(jìn)時應(yīng)著重考慮刀盤、刀具、螺旋輸送機、盾尾刷的耐磨性，刀盤的開口率以及減小盾殼摩阻力的措施。

2)合理選擇有效的土體改良措施可以提高盾構(gòu)在砂性地層中的掘進(jìn)效率。通過試驗研究確定本工程的泡沫劑改良參數(shù)為： 溶液體積分?jǐn)?shù)5%、發(fā)泡率16倍、注入率55%。

3)針對砂性地層盾構(gòu)掘進(jìn)合理的注漿參數(shù)可有效控制地表沉降。通過試驗研究總結(jié)出本工程區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的注漿參數(shù)為： 注漿壓力保持在0.5 MPa左右，填充率保持在170%～180%，并做好同步注漿。

4)本工程盾構(gòu)刀盤采用45%的開口率，但盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中有時仍會出現(xiàn)渣土無法順暢進(jìn)入土艙從而造成掘進(jìn)施工效率低的現(xiàn)象，建議在類似工程地質(zhì)條件下刀盤開口率增大至50%。

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Technology for Long-distance Boring of Shield in Sandy Strata: A Case Study of Zhengzhou Metro

ZHANG Zhao
(ZhengzhouMetroCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

The potential risks of long-distance boring of shield in sandy strata of Phase 2 of Zhengzhou Metro Line No. 2 are analyzed. The adaptability design of the shield machine is carried out in terms of wear resistance and cutterhead opening rate according to the mechanical parameters of sandy strata before shield boring. The rational ground conditioning methods and grouting parameters are decided by field test during shield tunneling. The results show that the wear resistance and the shield boring efficiency in sandy strata have been improved and the ground surface settlement has been controlled by adopting above-mentioned technologies.

Zhengzhou Metro; sandy strata; long-distance boring of shield; shield design; ground conditioning; grouting parameters

2017-03-20;

2017-06-04

張昭(1979—)，男，河南信陽人，2007年畢業(yè)于同濟大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，高級工程師，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作。E-mail: cezhangzhao@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.011

U 455.43

B

1672-741X(2017)07-0851-06