張肅正

中鐵三局集團(tuán)橋隧工程有限公司，四川成都 610036

城市地鐵隧道建設(shè)普遍采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法施工主要使用盾構(gòu)機(jī)，而盾構(gòu)機(jī)適用于土體性質(zhì)較均勻的地層中，如軟土、砂層、砂卵石地層。渣土改良比較容易，掘進(jìn)參數(shù)易于控制。對(duì)于上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖軟硬不均的復(fù)合地層，由于兩種地層的巖土力學(xué)性質(zhì)不同，渣土改良方法不同，掘進(jìn)控制參數(shù)截然不同，穿越此類(lèi)地層國(guó)內(nèi)尚無(wú)較成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。本文以成都地鐵某區(qū)間穿越復(fù)合地層施工為例，提出了上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖這一特殊地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)刀具配置、渣土改良方法和掘進(jìn)參數(shù)控制的施工技術(shù)要點(diǎn)，為類(lèi)似工程施工提供掘進(jìn)參數(shù)的選擇和優(yōu)化施工提供參考。

1 工程概況

成都地鐵1號(hào)線(xiàn)牧華路站—廣福站盾構(gòu)區(qū)間隧道部分穿越上部砂卵石下部中風(fēng)化砂巖的特殊地層中。區(qū)間隧道最大軌面埋深約22.1m，最小軌面埋深約11.6m，最小豎曲線(xiàn)半徑為3000m，最大坡度為22.629‰，最小坡度為2‰。線(xiàn)路線(xiàn)間距12.0～14.0m，右線(xiàn)區(qū)間起訖里程：YDK27+327.050～YDK28+733.250，右線(xiàn)隧道全長(zhǎng)1406.200m；左線(xiàn)區(qū)間起訖里程ZDK27+327.050～ZDK28+733.250（短鏈3.325m） ，左線(xiàn)隧道全長(zhǎng)1402.875m。

盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)地質(zhì)上覆為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml） 、第四系上更新統(tǒng)冰積、沖積層 （Q3fgl+pl） ③51細(xì)砂層及③82卵石土層和白堊系上統(tǒng)灌口組砂巖 （K2g） 組成。砂卵石地層為中密，一般卵石粒徑30～100mm，最大粒徑達(dá)180mm，砂類(lèi)土和少量粘性土充填，充填物含量15%～30%。砂巖為砂狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巨厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖芯呈柱狀，飽和抗壓強(qiáng)度值RC=10MPa，巖體完整性較好。

施工采用中鐵裝備直徑6280mm加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤(pán)開(kāi)口率36%，刀盤(pán)配置盤(pán)形滾刀，以適應(yīng)成都地區(qū)富水砂卵石地層為主，能兼顧適應(yīng)砂巖。

2 上部砂卵石下部砂巖掘進(jìn)施工問(wèn)題

對(duì)于復(fù)合地層的掘進(jìn)，選取何種掘進(jìn)模式和渣土改良方法將決定施工的成敗。在成都地區(qū)富水砂卵石地層中掘進(jìn)以土壓平衡模式為主，可略欠壓施工，渣土改良以泡沫+膨潤(rùn)土為主；砂巖地層中掘進(jìn)模式為敞開(kāi)或半敞開(kāi)模式，渣土改良以泡沫或水。在刀盤(pán)刀具配置適應(yīng)性上面，根據(jù)砂卵石和砂巖的高磨耗性上，刀盤(pán)全盤(pán)配置重型寬刃滾刀。

在實(shí)際的施工中，由于地層特性不一的特點(diǎn)，考慮到減少地表沉降，盾構(gòu)掘進(jìn)采用土壓平衡模式，渣土改良采用泡沫+水。但在實(shí)際掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)，由于下部砂卵石較硬，掘進(jìn)速度在5～20mm/min，推力達(dá)2400t，扭矩最大達(dá)6000nm。渣土改良采用泡沫，由于掘進(jìn)速度不穩(wěn)、不快，泡沫的用量較難掌握，造成土倉(cāng)內(nèi)土壓較難控制。盾體上方土層為砂卵石及雜填土，極易造成泡沫擊穿上方土體，在地面冒出，并帶走砂卵石及雜填土中細(xì)顆粒 （見(jiàn)圖1） ，造成盾構(gòu)掘進(jìn)中渣土改良效果下降并造成盾構(gòu)掘進(jìn)緩慢，在盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，由于地面冒泡沫帶走沙土，上部地層松散造成地面滯后沉降及塌方等。

圖1 泡沫“冒泡”示意圖

由于保壓掘進(jìn)中出現(xiàn)地面冒泡沫及滯后沉降大等情況后，針對(duì)土壓平衡模式掘進(jìn)較難控制，而砂卵石地層可以欠壓掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，改變?cè)芯蜻M(jìn)模式，采用半敞開(kāi)模式，土倉(cāng)內(nèi)適當(dāng)建壓，上部土壓控制在0.6～0.8bar。在欠壓掘進(jìn)中，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)速度依舊緩慢，并且盾構(gòu)掘進(jìn)中出土量不受控制，每環(huán)掘進(jìn)中出渣量異常情況嚴(yán)重，每環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)都超方10方以上，造成地面在盾體中盾位置時(shí)，地面出現(xiàn)塌方現(xiàn)象 （見(jiàn)圖2） 。

圖2 欠壓掘進(jìn)時(shí)地面塌陷情況

在第一段復(fù)合地層穿越中 （左線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)至70環(huán)，右線(xiàn)掘進(jìn)至11環(huán)） ，由于掘進(jìn)緩慢及出渣異常等情況，分析為盾構(gòu)刀具選擇不適應(yīng)地層，并且刀盤(pán)上可能出現(xiàn)泥餅現(xiàn)象。在開(kāi)倉(cāng)換刀以后發(fā)現(xiàn)，刀盤(pán)刀具磨損現(xiàn)象明顯，中心滾刀偏磨，周邊刀有不同程度磨損 （見(jiàn)圖3） ，刀盤(pán)面板前面中心區(qū)域結(jié)餅，部分刀箱開(kāi)口結(jié)餅封堵。

圖3 刀具磨損情況

由第一階段的施工經(jīng)驗(yàn)可知，在上部砂卵石下部中風(fēng)后砂巖掘進(jìn)存在問(wèn)題如下：

（1） 刀具磨損較大，寬刃滾刀不利于中風(fēng)化砂巖掘進(jìn)速度的提升，施工速度慢后容易造成對(duì)上部砂卵石地層的擾動(dòng)，引起超方和沉降。

（2） 渣土改良較難，單一的渣土改良方法不適合復(fù)合地層，尤其是大量使用泡沫劑的情況下，容易造成土倉(cāng)壓力較難控制，且泡沫主要以向砂卵石地層擴(kuò)散為主，加大了對(duì)上部地層的擾動(dòng)。

（3） 由于掘進(jìn)速度較慢，造成砂卵石和砂巖過(guò)多的破碎，極容易引起刀盤(pán)牛腿間和刀箱結(jié)餅。

3 上部砂卵石下部砂巖掘進(jìn)施工技術(shù)

由第一段復(fù)合地層中掘進(jìn)中出現(xiàn)的狀況分析可知，在此復(fù)合地層掘進(jìn)中，掘進(jìn)掘進(jìn)施工異常困難，盾構(gòu)掘進(jìn)必須采取有針對(duì)性的措施，保證盾構(gòu)掘進(jìn)順利，地表沉降可控，采取以下措施針對(duì)上面砂卵石下部中風(fēng)化砂巖復(fù)合地層的掘進(jìn)。

（1） 選擇破巖及破砂卵石較強(qiáng)的窄刃滾刀掘進(jìn)；將刀盤(pán)面板焊接撕裂刀割除：由于砂卵石容易掉至刀盤(pán)前方，影響滾刀作用，造成砂卵石卡主刀具形成刀具偏磨嚴(yán)重，造成刀具與掌子面分離，撕裂刀在此地層中無(wú)明顯效果，并且容易造成面板砂卵石流動(dòng)不暢。

（2） 在盾構(gòu)穿越以前，采取袖閥管對(duì)地面進(jìn)行預(yù)加固，穩(wěn)定盾構(gòu)上方地層，并避免盾體上方砂卵石掉至掌子面。

（3） 盾構(gòu)掘進(jìn)中，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，掘進(jìn)模式以適應(yīng)砂卵石地層為主，上部土壓控制在0.8～1.2bar，推力為1200～1800t，刀盤(pán)扭矩控制在3000～4000nm。渣土改良采用泡沫為主，輔助以膨潤(rùn)土；刀盤(pán)中心噴水，防止中心結(jié)餅。泡沫采用巴斯夫分散型泡沫劑，原液比例2%～3%，發(fā)泡率1∶12，混合液流量300～350L/min。膨潤(rùn)土的使用根據(jù)渣土改良情況加入，如巖層中含泥量較高，則以加水為主。

（4） 在盾構(gòu)穿越后，采取地面跟蹤注漿加固，再次穩(wěn)定地層，防止地面滯后沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于上部砂卵石下部中風(fēng)后砂巖復(fù)合地層的盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)，需要從掘進(jìn)模式、刀具配置、渣土改良、地層加固等各個(gè)方法綜合控制，方能順利完成施工，主要需要做好以下幾點(diǎn)：

（1） 刀盤(pán)刀具的配置必須以破中風(fēng)后砂巖為主，適應(yīng)砂卵石為輔，需要有良好的耐磨性和較大的灌入度，建議刀具配置18寸滾刀為主，如果復(fù)合地層較短，建議配置球齒滾刀，更有利于中風(fēng)化砂巖掘進(jìn)，當(dāng)速度提高后能減少砂卵石地層的超方量。

（2） 渣土改良以泡沫為主，以膨潤(rùn)土為輔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)渣土改良情況加入。刀盤(pán)中心采用中心噴水，防止中心結(jié)泥餅，保持渣土的流塑性。

（3） 掘進(jìn)模式以適應(yīng)上部砂卵石為主。

（4） 由于盾構(gòu)機(jī)對(duì)單一地層較適應(yīng)，在掘進(jìn)前采用地表注漿的形式對(duì)上部地層進(jìn)行改良，盡量使復(fù)合地層的巖土力學(xué)差異性減少，更能適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)。

（5） 盾構(gòu)掘進(jìn)中根據(jù)渣土雙控和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行地表跟蹤注漿，防止滯后沉降。