全断面砂层土压平衡盾构施工关键技术研究

王彦臻

(西安市轨道交通集团有限公司 陕西西安 710018)

1 引言

全断面砂层土压平衡盾构施工时易造成开挖面坍塌甚至地面坍塌，当地下水比较丰富时，会发生螺旋机喷涌事故[1-3]。以西安地铁一号线二期张家村站-上林路站区间砂层盾构施工为工程背景，为适应特殊地层条件，对盾构机的刀盘、刀具和泡沫系统进行改造，同时配合泡沫和膨润土对渣土进行改良，并结合监测结果分析，进行全断面砂层盾构施工关键技术研究，研究成果可为类似地层土压平衡盾构施工提供参考和借鉴[4-6]。

2 工程概况

西安市地铁一号线二期工程上林路站-张家村站区间，线路自上林路起沿世纪大道地下向东到达张家村站，区间左线长1 549.072 m，最小曲线半径1 200 m，最大纵坡23.232‰；右线区间长1 503.268 m，最小曲线半径800 m，最大纵坡23‰，盾构隧道埋深范围为10.7～16.6 m。穿越的地层主要为中砂和细砂等土层组成的全断面砂层。区间地下水水位埋深16.5～21.0 m，基本呈西高东低的趋势，局部黄土状土含水量较大，可能存在上层滞水。覆盖层为第四系松散层，含水层主要为强透水的中砂层，潜水含水层厚度大于50 m。根据区域水文地质资料，结合西安地区降水经验，本区段黏性土的渗透系数采用5～10 m/d，砂类土的渗透系数采用35～50 m/d，综合渗透系数选用35～40 m/d。

3 盾构机选型

根据盾构区间地层情况，综合考虑选用美国罗宾斯EPB6150土压平衡盾构机。主要技术参数：最大总推力36 000 kN；额定扭矩5 128.36 kN·m；刀盘转速0.3～2.0 r/min；推进速度0～80 mm/min；开挖直径6 180 mm；刀盘开口率为43%。刀盘上配置62把刮刀、37把单刃贝壳刀、1把中心刮刀(鱼尾刀)、1把超挖刀、1把磨损检测刀、12把圆周保护刀、5把注射口保护刀、4把内圆保护刀、80把犁刀。盾构机自带同步注浆系统，注浆速度24 m3/h。

4 重难点问题及原因分析

4.1 设备磨损

(1)重难点问题

刀盘面板和刀具磨损较大，刀盘的开挖直径减小，同时刀具的切削能力下降甚至出现刀具失效等情况，造成掘进困难，影响掘进速度，严重时会引起地面沉降过大，甚至坍塌。

(2)原因分析

砂土摩擦系数较大，颗粒强度较高，盾构机掘进过程中，砂土与设备之间的摩擦力大，刀盘和刀具与砂土之间的摩擦作用导致盾构机刀盘、刀具等部位产生较大磨损[7-9]。同时摩擦过程中产生大量的热量，导致刀盘和刀具温度升高，高温作用加剧了刀盘和刀具的磨损，甚至出现刀盘和刀具损坏。

4.2 掘进参数控制

(1)重难点问题

盾构掘进过程中推力较大，刀盘贯入比较困难，掘进速度慢甚至无法推进，刀盘扭矩大甚至超过额定扭矩[10]；螺旋输送机排土不连续且排土较困难，偶尔伴随着块状土排出，地下水丰富的砂层会出现喷涌，土仓压力波动较大；刀盘、刀具和渣土的温度较高，盾构掘进参数很难控制在合理的范围。

(2)原因分析

由于砂层渣土的流塑性差，掘进过程中会导致刀盘和螺旋输送机的扭矩增大，同时刀盘前方下部土体很难排入土仓内，进一步导致掘进速度变慢甚至无法推进；砂层渣土的摩擦系数较大且流塑性差，出土难度增加，出土所需的动力明显增加；砂土层摩擦系数大且砂土颗粒强度较大，掘进过程中刀盘和刀具与砂土层摩擦并产生大量的热量，而在隧道密闭环境下热量不易释放，最终导致刀盘和刀具温度升高。

4.3 沉降控制

(1)重难点问题

盾构隧道下穿既有西安绕城高速高架桥，掘进过程中易产生超方，出现地面沉降，甚至发生地面坍塌，最终造成桥桩变形失稳，影响高架桥桩基安全；隧道距离桩基较近，盾构掘进过程中对土体的扰动会导致桩基两侧土压力不平衡，从而造成桩基倾斜失稳。

(2)原因分析

全断面砂层掘进，盾构机较难实现连续的动态土压平衡，出土不受控制，同时砂层黏聚力小几乎为零，自稳性较差，开挖面上部土体较难形成稳定的土拱，容易出现开挖面坍塌，最终造成地面沉降过大甚至坍塌，影响周边建(构)筑物、高架桥和管线等安全。当砂层中地下水丰富时，极易产生喷涌，甚至造成地面坍塌。

5 施工关键技术研究

5.1 渣土改良措施

目前，盾构施工中渣土改良的添加剂主要有泡沫剂、膨润土和高分子聚合物，不同添加剂的适应性如表1所示。

表1 渣土改良添加剂适应性对比

试验中按照一定配比将膨润土、CMC(羧甲基纤维素钠)[11-12]干粉、水充分搅拌配置成泥浆。对配制而成的泥浆采用1002型泥浆比重仪和马氏漏斗粘度计分别测定不同配比泥浆的比重和粘度，试验结果如表2所示。

表2 不同配比膨润土泥浆参数

由表2可知，当膨润土与羧甲基纤维素钠(CMC)含量增加时，膨润土泥浆的比重基本不变，粘度随之增加，膨润土和CMC含量对泥浆粘度影响非常明显。在一定范围内，膨润土泥浆粘度越高，滤水量越小，成膜时间越短，泥膜的质量越好且密实，其携带渣土的能力越强，但配制泥浆的成本增高，泵送难度也越大；而泥浆粘度太低，其形成泥膜和携带渣土的能力差，同时泥浆渗漏量较大。由于泥浆浓度的选择需综合考虑地层、泥浆泵送设备、成本和地下水等因素，结合试验结果和类似工程经验，膨润土泥浆配比为：膨润土质量占比为13.7%，CMC质量占比为0.03%，加入膨润土的体积为砂土体积的10%～20%。

根据试验和类似工程经验，泡沫溶液中泡沫添加剂的含量为3%。泡沫由90%～95%压缩空气和5%～10%泡沫溶液混合而成，泡沫的注入量按开挖方量及渣土实际方量确定，为300～600 L/m3。

5.2 刀盘和刀具改造

5.2.1 刀盘改造

盾构掘进过程中，砂层对刀盘圆周部位磨损最为严重。刀盘圆周磨损后，盾构掘进施工难度增加，同时隧道开挖尺寸也随之变小。改造后刀盘的圆周为溜槽式，可以减少刀盘与砂层之间的摩擦作用，从而降低盾构掘进过程中的推力和扭矩，提高盾构施工效率。

5.2.2 刀具改造

(1)贝壳刀

为降低砂层对刀具的磨损作用，贝壳刀材质为重型高耐磨碳钨合金，同时对贝壳刀的尺寸进行改造。改造后的刀具如图1所示，贝壳刀的高度由140 mm增加到175 mm，从而增加了刮刀和贝壳刀的高差，盾构掘进过程中，贝壳刀最先接触开挖面，并对砂层进行破碎开挖，可以有效减少掌子面对刮刀的磨损，同时有利于减小刀盘扭矩，满足全断面砂层掘进要求。

(2)鱼尾刀

全断面砂层盾构施工中，中心鱼尾刀磨损速度较快，而原鱼尾刀头为普通单条合金刀头。为了提高鱼尾刀的耐磨性，将鱼尾刀头进行改造，改造后的鱼尾刀头为双层合金刀头。

图1 贝壳刀改造

5.3 泡沫系统改造

由于罗宾斯EPB6150盾构机泡沫系统的发泡效果和系统稳定性较差，为了适应全断面砂层掘进时对泡沫剂的需求，对原泡沫系统进行改造。改造后泡沫系统共6路，泡沫各个管路为单管、单泵、单阀。将泡沫原液和水按比例混合，通过挤压泵送入泡沫发生器与空气混合，形成泡沫，再通过管路注入刀盘掌子面，从而减小砂层对刀盘和刀具的摩擦作用，同时可有效地降低扭矩。

6 实施效果评价

(1)设备磨损

由于对渣土进行改良，同时对刀盘、刀具和泡沫系统进行必要的改造，经过1 550 m全断面砂层掘进，中途未开仓换刀并顺利出洞。盾构机出洞后进行检查，刀盘圆周部位磨损7 cm，圆周保护刀无磨损，刀盘面板刀具磨损量相较于未改造前明显减小，刀具仍具备切削能力。盾构机的刀盘和刀具磨损在有效控制范围内，均属于正常磨损。

(2)掘进参数控制

区间左线80～99环未进行渣土改良，掘进参数如图2所示；右线100～119环采用渣土改良技术，掘进参数如图3所示。由图2和图3对比可知，渣土改良后，推力、扭矩、掘进速度有一定的变化，其中推力下降4.6%、扭矩下降15.2%、掘进速度提高29.3%。利用渣土改良技术后，掘进速度有明显提高，刀盘扭矩下降幅度较大，推力有一定的下降。通过泡沫和膨润土改良后，渣土的表面张力降低，渣土流塑性较好，同时由于泡沫和膨润土的润滑作用，砂土对刀盘和刀具的摩擦作用降低，膨润土对刀盘和刀具也具有一定的降温作用。

图2 渣土未改良掘进参数

图3 渣土改良后掘进参数

(3)沉降控制

全断面砂层盾构施工地表沉降曲线如图4所示，累计沉降量控制在10 mm以内，部分累计沉降量大于10 mm，但均未超过15 mm；沉降速率主要分布在0.01～0.02 mm/d范围内。地表管线以及建(构)筑物整体沉降在可控范围内，达到了土压平衡盾构机在长距离全断面砂层掘进中无需开仓换刀顺利出洞的目的。

图4 盾构掘进沉降曲线

7 结论

复杂地质条件下盾构施工会遇到各种技术难题，从而影响盾构施工的顺利进行。对于全断面砂层盾构施工，由于砂土摩擦系数大、颗粒强度高、流塑性和自稳性差，导致刀盘和刀具磨损严重、掘进推力和扭矩大、掘进速度慢、地表沉降过大甚至出现地面坍塌。通过对渣土改良，刀盘、刀具和泡沫系统改造等施工关键技术进行研究，并对施工关键技术实施后的效果进行评价，得出以下结论：

(1)渣土改良是全断面砂层盾构施工中的核心技术。根据地层条件利用膨润土和泡沫剂对渣土进行改良，改良后渣土的流塑性好，掘进过程中推力和扭矩减小，掘进速度提高，同时降低了渣土对刀盘和刀具的磨损作用。

(2)通过对盾构机刀盘和刀具进行改造，提高了刀盘和刀具的切削能力，同时延长了刀盘和刀具的使用时间，刀盘和刀具的磨损得到有效控制。

(3)将泡沫系统中单泵多管改造为单管单泵，改造后泡沫系统稳定性明显提升，提高了渣土改良效果。

(4)采用渣土改良、刀盘和刀具改造及泡沫系统改造等施工关键技术后，地表管线以及建(构)筑物整体沉降在可控范围内。