上卵石下泥巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)研究

王海明

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司 北京 100023）

1 工程概況及水文地質(zhì)

（1）工程概況

成都地鐵5號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間，單線總里程1 316 m，以350 m曲線半徑下穿劍南大道、繞城高速之后，順次穿越錦城湖、欄桿堰、成昆鐵路等重大風(fēng)險(xiǎn)源，最終以250 m曲線半徑到達(dá)接收井。

隧道平面總體呈緩S形，縱斷面總體呈V形。隧道最大覆土厚度14.5 m，最小覆土厚度5.7 m，最大縱坡為32‰。采用一臺(tái)海瑞克土壓盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑為6 280 mm。

（2）水文地質(zhì)

隧道始發(fā)和接收段位于單一卵石土地層，卵石粒徑2～20 cm，磨圓度較好、分選性差，含有漂石；卵石單軸抗壓強(qiáng)度42.44～102.29 MPa。隧道最低點(diǎn)位于單一中風(fēng)化泥巖地層，塊狀構(gòu)造，巖芯多呈碎塊狀，少量短柱狀，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。其余約2／3線路位于上部卵石下部泥巖的復(fù)合地層中，隧道埋深8.8～14.5 m，且大部分位于湖區(qū)下方。錦城湖為人工回填湖，湖區(qū)內(nèi)自上而下依次為雜填土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖。地質(zhì)組成較復(fù)雜，透水性較強(qiáng)（見圖1）[1－3]。

圖1 隧道局部地質(zhì)斷面

隧道斷面內(nèi)地下水豐富，主要來源于地層潛水、地表降水及泥巖裂隙水。經(jīng)勘察在巖層較破碎區(qū)段有水壓較高的局部富水段發(fā)育，且與錦城湖湖水連通[4－6]。

2 推進(jìn)過程中遇到的困難

實(shí)際勘察發(fā)現(xiàn)該區(qū)段上覆雜填土層厚1.2～1.8 m，素填土層厚僅1.5～2.5 m，其余為卵石層。長(zhǎng)期在湖水與地下水滲透及沖刷作用下，細(xì)顆粒流失，孔隙率變大，十分松散，受擾動(dòng)后極易剝落。卵石層受開挖擾動(dòng)影響下沉后，覆土層也隨之下沉并進(jìn)一步形成塌陷。

2．1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度不穩(wěn)定

（1）剛推進(jìn)時(shí)速度從零緩慢爬升，但僅能維持在10～20 mm／min且來回跳動(dòng)，增大推力和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速后可以提高推進(jìn)速度，但刀盤扭矩急劇增加，甚至造成刀盤卡停。出渣基本以泥巖塊和卵石夾雜狀態(tài)為主，且卵石居多。該狀態(tài)一般維持1～2渣土車。

（2）維持主要推進(jìn)參數(shù)不變，在推進(jìn)第2車時(shí)速度繼續(xù)提升至10～30 mm／min，仍不穩(wěn)定且來回跳動(dòng)。出渣開始趨于穩(wěn)定，卵石量開始減少、泥巖塊增多。

（3）連續(xù)推進(jìn)至第3車時(shí)速度開始穩(wěn)定在20～40 mm／min，并有提升跡象。出渣主要為泥巖塊，卵石夾雜于泥巖塊間，大卵石可見，小卵石則不易發(fā)現(xiàn)。

（4）到第4車時(shí)速度一般能基本穩(wěn)定在35 mm／min左右，到第5車時(shí)速度達(dá)40～50 mm／min，直至掘進(jìn)完成。后續(xù)兩車出渣基本為泥巖塊，偶見卵石。

在連續(xù)掘進(jìn)狀態(tài)下，一般到第3車速度可基本正常，但出現(xiàn)如噴涌、設(shè)備故障等情況，導(dǎo)致掘進(jìn)不連續(xù)時(shí)（作業(yè)間隔超2 h），刀盤就會(huì)卡死使啟動(dòng)更加困難。

上述情況隨卵石在斷面范圍內(nèi)的占比不同而不同，但無規(guī)律可循。推進(jìn)過程中基本采用保壓掘進(jìn)的方式，壓力一般控制設(shè)定在0.6～0.8 bar，壓力過高則地面極易擊穿，壓力過低則掌子面坍塌速度過快致使推進(jìn)速度降低，進(jìn)一步導(dǎo)致超排[7－9]。

2．2 渣土改良困難

渣土改良主要通過注入泡沫劑、膨潤(rùn)土、黃泥和水進(jìn)行，但效果不佳。由于地層受擾動(dòng)后塌落速度較快，渣土在土倉(cāng)內(nèi)無法充分?jǐn)嚢?，改良劑不能與切削下來的卵石和泥巖塊充分混合，從而不能形成有效流塑體。渣土從螺旋機(jī)排出時(shí)呈現(xiàn)卵石與泥巖分離且有間歇性噴涌的狀態(tài)，即渣土和卵石分段排出，有時(shí)泥巖集中排出，有時(shí)卵石集中排出，有時(shí)集中噴涌，噴涌出的泥漿內(nèi)攜帶有細(xì)砂、卵石和泥巖塊。噴涌時(shí)，掘進(jìn)速度一般會(huì)有明顯提升，但噴涌會(huì)造成拼裝區(qū)積泥積砂，清理耗時(shí)過長(zhǎng)，且在停機(jī)過程中，掌子面塌落的卵石堆積、改良好的渣土出現(xiàn)離析，造成惡性循環(huán)，大大降低掘進(jìn)效率。

3 推進(jìn)困難原因分析

經(jīng)過多次開艙檢查以及分析總結(jié)，造成推進(jìn)困難的主要原因如下：

（1）該區(qū)段覆土淺且上部卵石級(jí)配不好，松散、自穩(wěn)性差，渣土改良又不能有效改良掌子面土體；受到擾動(dòng)后的松散卵石層由于本身沒有黏聚力，且覆土淺無法形成塌落拱。以上幾個(gè)綜合因素是造成塌方和推進(jìn)困難的主要原因（見圖2）。

圖2 刀盤面板區(qū)的卵石

（2）刀盤刀具切削地層過程中易產(chǎn)生高溫，使得卵石黏土形成膠結(jié)狀板塊，堆積在開挖艙扭腿中間和螺旋機(jī)出口兩側(cè)，甚至堵塞切削口，造成進(jìn)出渣不暢。正面渣土不能進(jìn)入開挖艙，也導(dǎo)致速度不能迅速提升（見圖3）。

圖3 螺旋機(jī)兩側(cè)、扭腿中心結(jié)餅

4 針對(duì)性處理措施及效果

4．1 膨潤(rùn)土保壓掘進(jìn)

在掘進(jìn)前和掘進(jìn)后分別向土艙內(nèi)注入配置好的膨潤(rùn)土漿液，同時(shí)提高掌子面土壓至0.8～1.0 bar，使用膨潤(rùn)土漿液建立土壓平衡并保持，減少隧道上方卵石剝落量，提高推進(jìn)速度。結(jié)果表明，使用膨潤(rùn)土漿液可有效降低推進(jìn)扭矩，減少超排量，但速度提升效果不明顯。

由于覆土較淺，泡沫劑和膨潤(rùn)土漿液在壓力作用下易擊穿地面，進(jìn)而造成開挖艙失壓，無法有效支撐掌子面土體穩(wěn)定。其次，膨潤(rùn)土漿液在開挖艙內(nèi)被地下水稀釋，如加入量控制不好，與渣土呈現(xiàn)分層狀態(tài)，并在開挖艙內(nèi)形成泥漿水包，無法在螺旋機(jī)內(nèi)形成柱塞，推進(jìn)過程中易出現(xiàn)噴涌，從而帶出大量泥砂和小粒徑卵石，堵塞管片拼裝區(qū)，影響管片拼裝作業(yè)。停機(jī)清理泥砂耗時(shí)耗力，易形成惡性循環(huán)（見圖4）。

圖4 噴涌影響拼裝區(qū)作業(yè)

4．2 增加高壓水保壓掘進(jìn)

在盾構(gòu)機(jī)中隔板靠近螺旋機(jī)兩側(cè)的位置，增加兩路供水管，向土艙內(nèi)供水。在管路上安裝增壓水泵，提高沖洗水壓，對(duì)螺旋機(jī)兩側(cè)進(jìn)行沖洗，以減輕螺旋機(jī)兩側(cè)的板結(jié)情況。在控制室安裝遠(yuǎn)程控制旋鈕，司機(jī)在推進(jìn)過程中可根據(jù)出渣情況實(shí)時(shí)控制加水量。通過改進(jìn)后，一方面提高了渣土改良效果，另一方面主動(dòng)補(bǔ)水一定程度上減少了出渣帶走的地下水量，降低了超排量。渣土改良后較之前流塑性更好，但對(duì)司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)要求也極高，水加多則噴涌，水加少則板結(jié)[10－11]。

4．3 控制出渣量保壓推進(jìn)

（1）嚴(yán)格控制出渣量

出渣量控制以掘進(jìn)進(jìn)尺為準(zhǔn)，按每進(jìn)尺5 cm為一個(gè)控制段，嚴(yán)格核算出渣量與進(jìn)尺的差值。當(dāng)出渣量超出進(jìn)尺5 cm的理論量時(shí)，調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速降低出渣速度，使得進(jìn)尺與出渣量相匹配。出渣量超出停止掘進(jìn)，視情況向艙內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液或惰性砂漿進(jìn)行補(bǔ)充，其后再恢復(fù)掘進(jìn)（因惰性砂漿充填作業(yè)效率較低，一般采用注入膨潤(rùn)土漿液的方式。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)性較大的風(fēng)險(xiǎn)源建議采用惰性砂漿充填的方式）[12]。

（2）控制土倉(cāng)壓力

多次試驗(yàn)后確定掘進(jìn)時(shí)頂部土艙壓力控制在0.6～0.8 bar，波動(dòng)范圍不大于0.1 bar。掘進(jìn)完成后，以向土艙內(nèi)注入泡沫劑、膨潤(rùn)土漿液和水的方式，保證掌子面壓力在停機(jī)轉(zhuǎn)換工序期間不低于0.8 bar，且需持續(xù)保壓。主要以土壓和出土量為控制標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)扭矩和推進(jìn)速度次之。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法可控制不超排，但在推進(jìn)過程中土艙壓力、刀盤扭矩和推力均緩慢上漲，司機(jī)需同時(shí)觀察土壓、推力、扭矩、出渣量及渣土改良情況的實(shí)時(shí)變化，并綜合分析確定調(diào)整某一參數(shù)，以保證掘進(jìn)順利進(jìn)行。

核心要點(diǎn)：保證渣土改良效果，確保螺旋機(jī)排出的渣土保持液態(tài)流塑狀，否則刀盤中心區(qū)和面板會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)結(jié)滿泥餅，且必須開艙作業(yè)處理。

4．4 最終優(yōu)化解決措施

經(jīng)過多次試驗(yàn)后，本復(fù)合地層范圍綜合采取以下解決措施：

（1）對(duì)能夠提前加固的區(qū)域以及重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)，采用WSS工法進(jìn)行地面注漿加固（雙液漿）。

（2）司機(jī)根據(jù)上一環(huán)掘進(jìn)過程排出的卵石量判斷是否向艙內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液。其判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)目測(cè)可見卵石集中出現(xiàn)，就必須在停機(jī)時(shí)注入膨潤(rùn)土漿液，一般為4～6 m3?！凹谐霈F(xiàn)”指出渣過程中，在皮帶機(jī)上某一時(shí)段連續(xù)出現(xiàn)抱團(tuán)的卵石或卵石成堆出現(xiàn)的現(xiàn)象。

（3）盡量縮短工序轉(zhuǎn)換時(shí)間，保證連續(xù)掘進(jìn)，即讓開挖艙內(nèi)土體保持流塑狀，避免時(shí)間過長(zhǎng)渣土離析。工序轉(zhuǎn)換過程中或停機(jī)過程中交替使用注入泡沫劑和水的方式，持續(xù)保壓，也能保證渣土和易性。

（4）掘進(jìn)過程中采取保壓并控制出土量的方法控制推進(jìn)。

（5）在不超排的情況下，速度允許控制在15～30 mm／min范圍。穿過復(fù)合段地層進(jìn)入單一地層后，再提高掘進(jìn)速度。

（6）推進(jìn)過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整加水量，確保渣土改良效果，防止結(jié)泥餅。如出現(xiàn)渣土改良效果不佳的情況，則需停止推進(jìn)并通過注入泡沫或水或膨潤(rùn)土的方式對(duì)艙內(nèi)土體進(jìn)行改良，直至達(dá)到要求再恢復(fù)掘進(jìn)。

5 存在的問題

（1）嚴(yán)格控制出渣量的操作模式下，出渣量與掘進(jìn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整無規(guī)律可循，需由司機(jī)根據(jù)實(shí)際情況和盾構(gòu)機(jī)各實(shí)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)判斷，對(duì)司機(jī)要求極高。

（2）本區(qū)間最后采取的綜合控制方式，可控制超排和連續(xù)推進(jìn)作業(yè)，但對(duì)渣土改良的要求極高，有結(jié)泥餅和卡刀盤的施工風(fēng)險(xiǎn)。

（3）使用膨潤(rùn)土漿液建立泥膜保壓推進(jìn)的方式，雖不能完全解決卵石塌落問題，卻可較明顯地降低卵石塌落量；但較好的泥膜又會(huì)增加泥巖塊在中心區(qū)堆結(jié)泥餅的概率，這是一個(gè)相互矛盾的過程。同時(shí)由于地層中的卵石層厚度和泥巖層厚度不斷變化，因此建立泥膜的平衡點(diǎn)也較難掌控，壓力過大造成地面擊穿，壓力過小不能有效控制卵石塌落。

（4）上述方法除地面注漿加固外，其他通過改進(jìn)盾構(gòu)機(jī)硬件、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等方式的控制處理措施均未完全解決上卵石、下泥巖復(fù)合地層中卵石剝落與結(jié)泥餅之間的平衡問題。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)在上卵石、下泥巖復(fù)合地層中不同推進(jìn)控制方式下的試驗(yàn)總結(jié)，一方面給出了該地層條件下可行的盾構(gòu)掘進(jìn)控制模式，另一方面也初步得出結(jié)論，即在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)控制參數(shù)的設(shè)定應(yīng)首先考慮不良地層（如本區(qū)間的卵石層），其后再考慮其他地層；綜合參數(shù)的設(shè)定應(yīng)按照復(fù)合地層占比以近似差比法的方式設(shè)定和調(diào)整，并應(yīng)較大幅度偏向于不良地層。本區(qū)間掘進(jìn)實(shí)踐也再次證明盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定必須以盾構(gòu)施工的基本平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行。