盾構(gòu)穿越中心城區(qū)富水砂卵石地層施工安全風(fēng)險(xiǎn)防控探析

趙愛軍，黨如姣

（中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031）

隨著城市外擴(kuò)速度的加快，為緩解交通壓力，各城市都加快了地鐵的建設(shè)速度。盾構(gòu)法在大城市地鐵建設(shè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但由于盾構(gòu)施工復(fù)雜的機(jī)械控制，巖土環(huán)境的復(fù)雜多變，復(fù)雜地質(zhì)下盾構(gòu)姿態(tài)的控制、同步注漿漿液的充填[1]、二次注漿效果的檢驗(yàn)難度較大[2]等問題的存在，給盾構(gòu)法施工造成了極大的難度。韓惠軍[3]對(duì)富水砂卵石地層常見問題及處置方法進(jìn)行研究，得出了砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)；王國(guó)義[4]和章龍管等[5]對(duì)成都富水砂卵石地層盾構(gòu)設(shè)備配置進(jìn)行了研究，提出了對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行改造的設(shè)想；潘勇等[1]對(duì)砂卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道施工地表沉降變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行了研究，得出了砂卵石地層沉降變化規(guī)律和相關(guān)的影響因素。作者結(jié)合成都地鐵1 號(hào)線、3號(hào)線、7 號(hào)線、8 號(hào)線、9 號(hào)線等5 條線路162 km 地鐵工程建設(shè)實(shí)踐總結(jié)，在以往研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了更加具有針對(duì)性的參數(shù)設(shè)置和應(yīng)對(duì)措施，對(duì)富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工技術(shù)研究有著重要的意義。

1 存在的問題

基于富水砂卵石地層的特殊性，盾構(gòu)在該地層的掘進(jìn)過程中主要存在如下問題。

地層卵石含量高（含量高達(dá)60%～71%，粒徑以30～110 mm 為主[6]），由于卵石中含有大量的石英，長(zhǎng)期的摩擦導(dǎo)致刀具、刀盤面板、螺旋機(jī)磨損較快[7]。粒徑分布不均勻且含有大量漂石，大粒徑砂卵石的削切和破碎困難，切削下的渣土經(jīng)螺旋輸送機(jī)外排十分困難，也使得盾構(gòu)姿態(tài)控制變得困難[8]。

掘進(jìn)過程扭矩高，由于卵石的摩擦角較大，卵石強(qiáng)度高（單軸抗壓強(qiáng)度50～150 MPa），導(dǎo)致刀盤扭矩長(zhǎng)期維持在4 500 kN·m 左右[9]，盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整與控制難度大。砂卵石地層屬于柔中帶剛、軟中帶硬的地層[10]，因此盾構(gòu)掘進(jìn)模式既不同于軟巖，也不同于硬巖。

渣土改良困難，由于卵石粒徑的不均勻，且地層中細(xì)顆粒較少，導(dǎo)致渣土的流動(dòng)性較差，易出現(xiàn)水土分離現(xiàn)象或局部刀盤結(jié)泥餅[11]。

盾構(gòu)機(jī)在疏松卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，地層松散，自穩(wěn)性差，黏聚力低，地層反應(yīng)靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，會(huì)破壞原來的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而造成坍塌，導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。由于砂卵石地層的骨架效應(yīng)，地表沉降滯后性明顯。滯后沉降易引起地層損失和產(chǎn)生不均勻的壓力，造成建構(gòu)筑物的不均勻沉降[12]；盾構(gòu)下穿管線，地層沉降造成管線破壞，產(chǎn)生較嚴(yán)重的社會(huì)影響。開挖面局部及整體失穩(wěn)情況如圖1 所示，開挖面整體失穩(wěn)坍塌至地面過程如圖2 所示。

圖1 開挖面局部及整體失穩(wěn)情況

圖2 開挖面整體失穩(wěn)坍塌至地面過程

地下水水量豐富，透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)大。地下水位較高時(shí)，盾構(gòu)機(jī)通過掘削土壓和排土設(shè)備的調(diào)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)水土壓力平衡。

2 富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工對(duì)策

2.1 富水砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)選型及適應(yīng)性改造

2.1.1 盾構(gòu)機(jī)選型及適應(yīng)性改造具體措施

為應(yīng)對(duì)砂卵石地層掘進(jìn)中易出現(xiàn)的困難，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、選型階段進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，具體如下。

刀盤設(shè)計(jì)以排為主，破碎為輔，提高刀盤開口率至36%，確保渣土的順利進(jìn)倉。依據(jù)線速度及等壽命原則，切削區(qū)域的刀具軌跡采用了阿基米德螺旋線布置，針對(duì)砂卵石地層存在大塊卵石及漂石，將刀尖距設(shè)定為90～100 mm。適當(dāng)減少滾刀數(shù)量，最大限度地發(fā)揮刮刀作用。

提升盾構(gòu)機(jī)處理大粒徑卵石和漂石的能力，布置大量的滾刀，同時(shí)組合配置齒刀、刮刀、羊角刀。為保證刀具的使用壽命，采取以下措施：①加寬刀刃的厚度，提高其耐磨性。將刀刃寬由22 mm 增加到28 mm，在增加耐磨性同時(shí)提高了其抗沖擊能力，提高了刀圈的使用壽命。②改良了刀刃的材質(zhì)，進(jìn)一步增加刀刃的耐磨性。通過在刀圈材料成分中適當(dāng)提高釩、鎢、鉻等合金元素的含量，提高了其抗沖擊和抗磨性[13]。③增加刀刃高度，提高刀具的極限磨損量。單刃滾刀由原來的17 in 改為18 in（1 in≈2.54 cm），極限磨損量由22 mm 增大到57.7 mm，邊緣滾刀由原來的15 mm 增加至22 mm，明顯提高了刀具使用壽命。

為防止刀盤結(jié)泥餅、減少刀盤刀具磨損，主要采用改良泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)。調(diào)整土倉內(nèi)土體塑性流動(dòng)性，在卵石表面充分包裹泥漿，減輕其對(duì)刀盤、刀具的磨損。

刀高差應(yīng)大于35 mm，當(dāng)?shù)陡卟钸^小時(shí)，會(huì)造成掘進(jìn)速度低，參數(shù)異常。

刀盤開孔及棱角處和刀盤環(huán)梁應(yīng)做倒角處理，以提升渣土的流動(dòng)性。

隨著渣土改良和刀盤技術(shù)的提升，原先配置在刀盤正面用于滾刀磨損后仍能正常掘進(jìn)的撕裂刀存在的必要性已大大降低。刀盤的正面撕裂刀可以割除，切除后降低了刀盤的扭矩，可降低500～1 000 kN·m，同時(shí)也可提高了渣土的流動(dòng)性。

2.1.2 地鐵3 號(hào)線二、三期盾構(gòu)機(jī)改造具體參數(shù)

根據(jù)上述原則，地鐵3 號(hào)線二、三期投入實(shí)際施工的盾構(gòu)機(jī)配置如下。

采用中鐵裝備集團(tuán)生產(chǎn)的CTE6250 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤開挖直徑為6 280 mm，開口率提高至36%，設(shè)2 個(gè)膨潤(rùn)土口，4 個(gè)泡沫口，4 個(gè)主動(dòng)攪拌臂，以提高土倉內(nèi)的渣土的流動(dòng)性。盾構(gòu)機(jī)最大推力3 991 t，驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，額定扭矩6 650 kN·m，脫困扭矩8 100 kN·m。在刀盤上共設(shè)置中心單刃滾刀32 把，雙聯(lián)滾刀4 把，刮刀32 把，邊刮刀8 把，焊接撕裂刀23把，與滾刀同軌跡噴口保護(hù)刀6 把，大圈環(huán)保護(hù)刀24 把。

單刃滾刀高度為187.7 mm，中心雙聯(lián)滾刀高度為175 mm，刮刀高度為130 mm，焊接撕裂刀高度為150 mm，滾刀為砂卵石地層主要的開挖刀具，刮刀是將切削下來的渣土送進(jìn)土倉中，焊接撕裂一方面用于刀切削掌子面，另一方面也要保護(hù)滾刀軸承。

為適應(yīng)砂卵石地層較大粒徑渣土通過，采用Φ800 mm×125 000 mm 軸式螺旋機(jī)，最大通過粒徑Φ300 mm×560 mm。刀盤結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 實(shí)際工效對(duì)比

成都地鐵3 號(hào)線二、三期工程線路全長(zhǎng)29.535 km，其中地下線24.025 km，地下線主要采用盾構(gòu)法施工。其中砂卵石地層占線路總長(zhǎng)的85%，總共17 個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，27 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，設(shè)計(jì)管片共26 453 環(huán)。通過上述技術(shù)措施，工程共耗時(shí)13 個(gè)月。單機(jī)平均進(jìn)度為4.97 環(huán)/d，149 環(huán)/月。

2.2 富水砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)控制

2.2.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)控制

掘進(jìn)參數(shù)是盾構(gòu)施工過程的信息化反饋，在砂卵石地層中，掘進(jìn)參數(shù)顯得尤為重要，通過不斷地總結(jié)和摸索，總結(jié)出如下參數(shù)。

土壓：上部土壓一般控制在0.6～0.8 bar，并根據(jù)覆土厚度、水文地質(zhì)條件實(shí)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，原則上不低于0.6 bar，過程中控制欠壓。

刀盤轉(zhuǎn)速及貫入度：刀盤轉(zhuǎn)速一般控制在1.2～1.5 r/min，刀盤貫入度一般在40～50 mm，掘進(jìn)速度可控制在40～70 mm/min。

刀盤扭矩：掘進(jìn)過程中扭矩應(yīng)控制在3 500～5 000 kN·m，在扭矩?zé)o特殊情況下超過5 500 kN·m 時(shí)，應(yīng)提高警惕，觀察土壓變化，判斷前方是否出現(xiàn)了超方。

總推力：砂卵石地層盾構(gòu)推力一般控制在9 000～13 000 kN 之間，過大的推力可導(dǎo)致扭矩大幅增加，刀具磨損加劇。鉸接壓力油壓控制在60～80 bar。

2.2.2 成都富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)總結(jié)

根據(jù)近年來的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在富水砂卵石地層中的掘進(jìn)參數(shù)如表1 所示。掘進(jìn)的基本原則是“合理欠壓、重視渣土改良，優(yōu)化設(shè)備”。掘進(jìn)中要注意掘進(jìn)參數(shù)的變化情況，尤其是刀盤扭矩的變化，如果突然增大或持續(xù)在高位，則需判斷是否是有刀盤結(jié)餅、卡刀盤、渣土改良異常等情況的發(fā)生，并采取相應(yīng)的處理措施。

表1 富水砂卵石常規(guī)掘進(jìn)參數(shù)表

2.2.3 砂卵石地層超方后處理措施總結(jié)

對(duì)于盾構(gòu)施工出渣超出正常量3 m3以上的地段，必須停止施工，探測(cè)尋找空洞，一般選取在超方地段刀盤對(duì)應(yīng)位置后1 m 尋找空洞，若無，可擴(kuò)大范圍。探測(cè)出空洞后采取如表2 所示的處理措施。盾構(gòu)施工過程中應(yīng)對(duì)所有超方地段進(jìn)行詳細(xì)記錄，并加強(qiáng)后期監(jiān)測(cè)。

表2 砂卵石地層出渣超方后處理措施表

2.3 成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律研究

結(jié)合成都地鐵已建和在建地鐵盾構(gòu)施工情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)成都富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工引起地層沉降變形規(guī)律。得出以下相關(guān)結(jié)論與建議。

第一，對(duì)盾構(gòu)隧道上方地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體分析，96.5%的地表沉降測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)值小于18 mm，施工監(jiān)測(cè)預(yù)警控制值宜設(shè)為18 mm。

第二，沉降影響范圍。盾構(gòu)隧道上方地表沉降的影響范圍分布在隧道中線兩側(cè)一定范圍內(nèi)，形成沿隧道走向的一個(gè)沉降帶，砂卵石地層掘進(jìn)盾構(gòu)隧道時(shí)地表沉降沿隧道橫向的主要影響范圍可以用以下公式估算，為確定隧道周邊預(yù)加固范圍提供依據(jù)。

地表沉降沿隧道橫向的主要影響范圍計(jì)算公式為：

式（1）中：L為到隧道中線的水平距離；H為隧道埋深；D為隧道直徑；φ為砂卵石地層的內(nèi)摩擦角。

沿隧道縱向測(cè)點(diǎn)到刀盤距離15 m范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)沉降變化明顯，測(cè)點(diǎn)到刀盤距離大于15 m 以后地表沉降趨緩，重點(diǎn)關(guān)注刀盤位置到盾尾后面15 m 這段距離內(nèi)地表變形情況。

第三，地層沉降的特點(diǎn)。地層沉降具有以下特點(diǎn)：①即時(shí)性、瞬變。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)超方和注漿加固不徹底時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)造成的地層損失會(huì)立即反應(yīng)到地表，同一監(jiān)測(cè)橫斷面上各點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)變化同步；地表沉降測(cè)點(diǎn)從開始沉降到數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定所經(jīng)歷的時(shí)間很短，反映出砂卵石地層沉降變化靈敏、變形穩(wěn)定快、沒有蠕變現(xiàn)象的特點(diǎn)。②滯后性。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的地層損失引起的地層沉降是呈層狀沉降的；下方地層土體被移除后，盾構(gòu)機(jī)上方的砂卵石以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸形式在盾構(gòu)隧道上方會(huì)形成臨時(shí)平衡拱，拱上方的土體暫時(shí)不會(huì)產(chǎn)生新的沉降。

第四，地質(zhì)情況對(duì)地表沉降的影響。在細(xì)粒砂卵石層和粗粒砂卵石層混合的地層，細(xì)粒砂卵石層越厚，地表沉降值越大；粗粒砂卵石地層地表沉降越小，卵石粒徑越大，越容易形成平衡拱，能有效減小地層變形上移，但同時(shí)留下空洞，存在安全隱患。砂卵石地層內(nèi)摩擦角越大，地表沉降相應(yīng)減小。

第五，做好信息化施工，充分發(fā)揮施工監(jiān)測(cè)工作的作用。在砂卵石地層掘進(jìn)盾構(gòu)隧道，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求做好施工監(jiān)測(cè)工作，盾構(gòu)推過后應(yīng)按時(shí)進(jìn)行滯后沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地反饋地層變形信息，加強(qiáng)預(yù)警工作管理。由于施工監(jiān)測(cè)為地鐵盾構(gòu)施工提供了良好的預(yù)警作用，施工單位根據(jù)預(yù)警信息及時(shí)采取了針對(duì)性措施，避免了不良的社會(huì)影響和減小經(jīng)濟(jì)損失。砂卵石地層盾構(gòu)施工區(qū)間如圖4 所示。

圖4 砂卵石地層盾構(gòu)施工區(qū)間圖

3 結(jié)論與討論

在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、選型階段進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，調(diào)整格柵布置和刀具配置。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)前應(yīng)根據(jù)成都地層進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制刀盤開盤開孔率、刀高差、刀盤額定扭矩等參數(shù)。

推進(jìn)過程中加強(qiáng)對(duì)渣樣的觀察，重點(diǎn)關(guān)注泥漿對(duì)卵石的包裹情況，避免出現(xiàn)卵石與水土分離。

通過對(duì)富水砂卵石地層的渣土改良，形成非滲透性和流塑性的渣土，增強(qiáng)渣土的流動(dòng)性，減少卵石土對(duì)刀盤、刀具的磨損。

根據(jù)施工總結(jié)，對(duì)超方量大于3 m3的地段，必須立即停止施工，尋找空洞，一般選取在超方地段刀盤對(duì)應(yīng)位置后1 m 尋找空洞；若無，可擴(kuò)大范圍。找到空洞后，需首先判斷空洞距刀盤的垂直厚度。如果厚度小于5 m，必須對(duì)空洞底部進(jìn)行填砂處理，后進(jìn)行灌注混凝土；如果大于5 m 以上，可直接灌注混凝土。灌注之前，盾構(gòu)機(jī)倉內(nèi)和中盾徑向孔可提前注入適量膨潤(rùn)土，避免混凝土進(jìn)入土倉內(nèi)，同時(shí)保護(hù)盾構(gòu)機(jī)，防止盾構(gòu)機(jī)被砂漿包裹。灌注期間密切關(guān)注土倉土壓變化。待混凝土凝固后，恢復(fù)掘進(jìn)，恢復(fù)掘進(jìn)前需空推10 cm 左右，避免倉內(nèi)過空，導(dǎo)致再次垮塌。對(duì)于超方量小于3 m3的地段，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，待盾尾通過后及時(shí)對(duì)地表進(jìn)行注漿處理，注意對(duì)注漿壓力的控制，避免漿液注入土倉內(nèi)。