盾構(gòu)法施工在砂卵石地層中掘進(jìn)的質(zhì)量通病研究

劉祎

一、工程概況

（一）工程設(shè)計概況

成都地鐵3號線工程內(nèi)容只包括一個盾構(gòu)區(qū)間，雙流西站～三里壩站區(qū)間，該區(qū)間線路全長左線1458.6米，右線1436.3米，區(qū)間共設(shè)兩處聯(lián)絡(luò)通道兼泵房，左、右線分別采用中鐵裝備52#、中鐵裝備97#盾構(gòu)機(jī)由三里壩站南端頭始發(fā)，掘進(jìn)至雙流西站盾構(gòu)接收井接收吊出。

（二）水文情況

1、地表水及地下水

區(qū)間范圍內(nèi)地表沒有河流或溝渠。

地下水類型主要有：上層滯水、孔隙水、基巖裂隙水。

上層滯水：主要存于人工填土中，透水性微，水量微薄，富水性枯窘。

孔隙水：該層地下水主要存于卵、砂石土之中，水量比較豐富，為孔隙潛水，沒有統(tǒng)一地下水位，根據(jù)成都地區(qū)水文地質(zhì)和相關(guān)工程資料，該層卵、砂石土綜合含水層滲透系數(shù)K約為3.5～30.0m/d，為強(qiáng)透水層，水量豐富。

基巖裂隙水：保存于泥巖裂隙中，水量微弱，含水量較小，分布受裂隙發(fā)育程度控制，總體具弱透水性。

2、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄及動態(tài)特征

在中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的成都，氣候終年比較溫濕，四季分明，多年平均降雨量947.0 mm。全年降雨日140天以上。主要的地下水補(bǔ)給來源是大氣降水，另外地表的河流以及溝渠也是局部地下水補(bǔ)給的來源。

地形、水系等因素控制淺層地下水的徑流、排泄，區(qū)間范圍內(nèi)地勢平坦，總體是南東高、北西低，根據(jù)地形淺層地下水自南東向北西徑流。深層地下水主要以徑流為主，排泄主要靠城市人工開采及周邊工程降水，另外大氣蒸發(fā)同是重要的排泄方式之一。

（三）地質(zhì)情況

1、區(qū)間地質(zhì)

成都地鐵的地質(zhì)情況是極為復(fù)雜的，包括粉質(zhì)粘土、粉土、泥巖地層、人工填土、卵石土層及細(xì)砂土層等。但是本區(qū)間主要穿越砂卵石、泥巖和二者混合的地層，砂卵石地層中卵石含量達(dá)到50%～85%，粒徑以20～80mm為主，部分粒徑大于200mm，最大粒徑達(dá)到300mm，砂卵石地層有松散體、稍密、中密和密實(shí)之分；卵石、礫石以巖漿巖、變質(zhì)巖組成，填充物為中細(xì)砂、隨機(jī)分布在透明體砂層，均勻性差、自穩(wěn)能力差；砂卵石地層中局部還散布著粒徑超過500mm的高強(qiáng)度漂石，卵石和漂石單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)55～165MPa。

二、砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)預(yù)控措施及效果分析

（一）砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)高扭矩問題

由于成都地鐵中密、密實(shí)卵石層中〈3-8〉細(xì)顆粒成分含量少，碴土摩擦阻力比較大，刀盤需要較大攪拌力矩，一般約為4000～5000kNm，在盾構(gòu)掘進(jìn)時，土倉如果建立壓力，則刀盤扭矩急劇增大，根據(jù)左線中鐵97#盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)階段的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)來看，刀盤扭矩持續(xù)達(dá)到4500kNm以上時就容易產(chǎn)生“卡刀盤”的現(xiàn)象，因此盾構(gòu)機(jī)所需額定扭矩最好一般在6000kNm以上，脫困扭矩在 7500kNm 以上。

預(yù)控措施及效果分析：一是在掘進(jìn)過程中不應(yīng)建立“實(shí)土壓”，采取“欠壓”推進(jìn)模式，根據(jù)地層密實(shí)情況，能采取用氣壓保壓的方法是最優(yōu)選擇；二是盾構(gòu)機(jī)選型方面，本工程左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)選取的均是中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)，經(jīng)過實(shí)際掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)來看盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動扭矩可以滿足成都地區(qū)砂卵石地層掘進(jìn)高扭矩問題，根據(jù)相鄰標(biāo)段選取的海瑞克盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)情況判斷，同樣適用于成都地區(qū)砂卵石地層推進(jìn)。

（二）砂卵石地層欠壓掘進(jìn)地面易沉降問題

成都地鐵砂卵石地層中細(xì)顆粒含量比較少，有較好的透氣效果，盾構(gòu)機(jī)土倉壓力建立相對比較難，并且欠壓掘進(jìn)的情況經(jīng)常出現(xiàn)，地面就容易產(chǎn)生較大沉降。嚴(yán)重還會使掌子面特別是拱頂將發(fā)生坍塌；而且，由于刀盤掘進(jìn)時常常擾動地層發(fā)生超挖現(xiàn)象，此時同步注漿又不能補(bǔ)充，所以空洞極易形成，即便當(dāng)時不會發(fā)生沉降，但盾構(gòu)過后地面會陸續(xù)發(fā)生沉降，因此成都地區(qū)砂卵石地層掘進(jìn)“滯后沉降”現(xiàn)象比較普遍。

預(yù)控措施及效果分析：該難題主要是解決“欠壓推進(jìn)”易超方問題，分析盾構(gòu)掘進(jìn)易超方原因，結(jié)合本工程的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，可以采取的預(yù)控措施有：

一是對刀盤前方的地層進(jìn)行預(yù)注漿加固，注漿采取“單液”與“雙液”注漿相結(jié)合的方式進(jìn)行，主要根據(jù)地層以及地表周邊的環(huán)境狀況來決定采取以哪種方式為主。在地面情況良好，表層土比較密實(shí)，例如城市道路上，主要采取“單液注漿”的方式對地層進(jìn)行預(yù)注漿加固；在綠化帶以及表層雜填土較松散的地段主要采取“雙液注漿”的方式進(jìn)行預(yù)注漿加固。通過實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，該預(yù)控措施效果比較顯著，可以很好的起到控制地面沉降的作用。

三、本工程出現(xiàn)的技術(shù)難題

（一）砂卵石地層掘進(jìn)遇大粒徑礫石、漂石的難題

根據(jù)對本工程在砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)出渣情況進(jìn)行調(diào)查分析和工程詳細(xì)勘察報告，盾構(gòu)機(jī)通過地層中最大漂石粒徑達(dá)到750mm， 局部地段大粒徑漂石含量較高且富集成群，盾構(gòu)機(jī)在此類地層中掘進(jìn)主要面對破碎大粒徑漂石的難題，就可能會造成刀具嚴(yán)重磨損、掘進(jìn)時困難、損壞刀盤、卡斷螺旋機(jī)軸等問題。

本工程遇到的難題就是右線在大粒徑漂卵石地層中掘進(jìn)兩次卡斷螺旋機(jī)軸：

第一次斷軸于3月3日右線盾構(gòu)推進(jìn)163環(huán)，上部油缸行程至1600mm時，螺旋機(jī)突然被卡扭矩從20KN.m跳至120KN.m最后無法轉(zhuǎn)動，螺機(jī)反轉(zhuǎn)后扭矩正常，此時發(fā)現(xiàn)螺機(jī)無法出土，刀盤扭矩持續(xù)降低，降至700KN.M，土倉壓力持續(xù)增大，最終導(dǎo)致推進(jìn)暫停。

第二次斷軸于4月3日右線推進(jìn)165環(huán)，掘進(jìn)過程中螺旋機(jī)油壓多次超設(shè)定的保護(hù)值，油缸行程至1100mm時螺旋機(jī)軸再次被卡，在采取反轉(zhuǎn)后恢復(fù)，恢復(fù)后掘進(jìn)過程中螺旋機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，但無法出土，通過檢查螺機(jī)觀察口，發(fā)現(xiàn)螺機(jī)前段約1.1m處斷裂。

（二）針對本工程出現(xiàn)的難題采取的措施

1、對盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)行改造，加焊格柵，允許進(jìn)入到土倉內(nèi)的卵石粒徑控制在300mm以內(nèi)，同時，重新分配刀具配置，增加雙刃滾刀數(shù)量，割除刀盤最外周主動攪拌棒。2、更換新的螺旋機(jī)軸，同時對螺機(jī)軸進(jìn)行改造，增加螺旋機(jī)軸端部錐度，增大螺旋機(jī)軸端部與土倉底部的空間間隙，便于大卵石通過，避免碰撞螺旋機(jī)軸。3、渣土改良以膨潤土改良為主，降低刀盤與螺機(jī)扭矩。4、對螺機(jī)泵壓力設(shè)定保護(hù)值，壓力控制值設(shè)定在120bar以內(nèi)，推進(jìn)過程中注意觀察螺機(jī)扭矩變化及渣土卵石含量與卵石粒徑變化，出現(xiàn)螺旋機(jī)卡?，F(xiàn)象時，立即停機(jī)，禁止頻繁正反轉(zhuǎn)螺機(jī)。

四、總結(jié)

（一）做好盾構(gòu)機(jī)選型工作

對于成都地鐵砂卵石地層的掘進(jìn)，刀盤的設(shè)計本著“以排為主、排破結(jié)合”的理念，在刀具的配備上，要安裝足夠數(shù)量的滾刀、刮刀、切刀、撕裂刀及保徑刀并合理布置，滾刀以18英寸為宜，而且要加厚加寬，滾刀刀間距控制在90～100mm，且滾刀要與可拆除的撕裂刀互換，在刀盤的開挖直徑處最好設(shè)計有2～3把滾刀，以保護(hù)開挖直徑，同時刀盤要有足夠的剛度和強(qiáng)度，滿足大扭矩和大推力的要求；為了防止大粒徑的亂石進(jìn)到土倉并卡斷螺旋機(jī)，要在面板上設(shè)計開放式的格柵。

（二）重視地質(zhì)補(bǔ)勘工作

進(jìn)場前期準(zhǔn)備工作階段，一定要認(rèn)真做好地質(zhì)補(bǔ)勘工作，對于詳勘單位未勘查的地段以及隧道上方重要建構(gòu)筑物所處的地層是重點(diǎn)補(bǔ)勘對象，對于卵石地層卵石粒徑的勘查可以參考車站開挖過程中的土體顆粒大小，也可在隧道區(qū)間范圍內(nèi)隨機(jī)選取點(diǎn)施工人工挖孔樁，用于探查卵石粒徑的分布狀況及粒徑大小。

五、結(jié)語：

根據(jù)在成都地鐵3號線的盾構(gòu)施工技術(shù)管理中，我認(rèn)為對于一個項(xiàng)目來說除正確分析施工的重難點(diǎn)，對盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計提出針對性的要求，并使盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)性能、參數(shù)、配置、安全設(shè)計、制造等方面滿足盾構(gòu)施工要求后，只是為盾構(gòu)施工正常進(jìn)行打下了良好的基礎(chǔ)，而最重要的還是施工過程的科學(xué)管理。因?yàn)?，科學(xué)的管理才能把盾構(gòu)的優(yōu)良性能充分發(fā)揮，并快速安全完成施工任務(wù)。