成都地铁盾构法隧道施工难点及措施
2011-01-15 22:14阅读：
成都地铁盾构法隧道施工难点及措施
段浩1
宋天田2
（1.中煤邯郸中原建设监理咨询有限责任公司，河北邯郸 056000；2.同济大学
道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092 )
摘要：成都地铁盾构隧道通过长距离的富水砂卵石地层，在世界地铁建设史上是罕见的，无较多的施工经验可以借鉴。因此，施工中会遇到许多不可预知的难题。本文主要就土压平衡盾构在该地层中施工中出现的困难进行了分析研究，并提出了应对措施和处理思路，以希望为类似地层施工提供借鉴。
关键词：盾构隧道；成都地铁；砂卵石地层；出渣能力；耐磨性；环境控制
1 引言
盾构施工虽然有对地层的广泛适应性、施工安全系数高等优点，但因地质情况千变万化、施工环境的复杂性，在盾构施工中必然存在盾构机的适应性和施工方法、措施的调整。成都地铁穿越的地层主要为砂卵石地层并夹杂有粉细砂层透镜体，地下水丰富、水位高、补给迅速，国内、国际在该种地质条件下全面实施盾构施工隧道尚不多见，无较多经验可以借鉴，在地铁建设史上的应是一次重要技术性突破。截至目前成都地铁采用泥水盾构和土压平衡盾构施作的隧道，已经完成成型隧道1000余米，在施工中出现一些有别于其它地质情况下施工的难点，对这些难点的技术处理为在富水砂卵石地层中盾构施工积累了一些应对的经验。
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成都地铁地质情况
盾构隧道从<2-8>、<
3-4>、<3-7〉等砂卵石地层中通过。卵石成分主要为灰岩、砂岩、石英岩，卵石的含量达67％，中间夹杂大漂石。砂卵石具有分选性差，强度高的特点，图1为基坑开挖时土体状况。
<2-8>卵石土（Q4al）：黄灰色，黄褐色，中密～密实为主，部分密实，潮湿～饱和。卵石成分主要为中等风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量65～75%，粒径以30～ 70mm为主，钻探揭示最大粒径145mm，夹零星漂石，充填物为细砂及圆砾。
<3-4>粉、细砂（Q3fgl+al）：灰绿色，饱和，中密，夹少量卵石。呈透镜体状分布。
<3-7>卵石土（Q3fgl+al）：褐黄、黄色，以中密～密实为主，饱和。卵石成分主要为中等风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量60～75%，粒径以30～70mm为主，据钻探揭示，最大粒径150mm，夹零星漂石，充填物为砂及砾石，具弱泥质胶结或微钙质胶结。
隧道通过的地层含水丰富，根据钻孔揭示，隧道区间分布的卵石土及所夹透镜状砂层为地下水主要含水层，含水量丰富，含水层厚20～22.6m，区间范围内卵石土分选性差，渗透性强。
图1
基坑开挖时土体状况
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成都地铁砂卵石地层盾构施工的难点
通过成都地铁前一阶段盾构掘进施工的情况来看，泥水盾构和土压平衡盾构机在砂卵地层如场地条件均可采用。泥水、土压平衡两种类型的盾构机在成都地质情况下施工的共同难点：
（1）在掘进过程中砂卵石地层对刀盘、刀具、渣土输送系统等部位磨损严重，造成换刀频率较高约150米需换刀一次，渣土输送系统需得到及时的修复；
（2）地下水位高、掌子面不稳定，清仓比较困难，换刀时停机处易出现坍塌现象；
（3）须在降水条件下换刀，在建线路的位置换刀地点难以选择；
（4）因地层局部为砂卵石土夹砂透镜体，土压平衡盾构在通过时刀盘前极易出现固结泥饼现象，开仓处理时易引起地面安全风险；
（5）地面沉降槽虽较窄，但沉降量和沉降速率难以控制。
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工程的应对措施
4.1盾构出渣的约束条件及应对措施
盾构机制约卵石排出有两个主要的约束条件：（1）刀盘的开口尺寸；（2）螺旋输送机通过的最大卵石粒径的能力。其中基本的约束条件是螺旋输送机的通过能力，刀盘的开口尺寸受螺旋输送机能通过能力制约。
为确保卵石不堵塞或卡死螺旋输送机，在条件许可的情况下尽可能选择具有较大轮廓直径、牙高值和螺距的螺旋输送机，使其具有通过的较大直径卵石的能力；同时刀盘的开口尺寸要小于螺旋输送机能通过的最大卵石的尺寸，确保进入土仓中的渣土能够顺利排出而不至于堵塞螺旋输送机。
为使盾构能够在砂卵石地层顺利掘进，应选用具有破碎大粒径卵石能力的盾构机。为能够破碎卵石刀盘需要配备滚刀以满足破碎卵石的功能，使大卵石的破碎成为可能，图2为在充分考虑有关约束条件下的刀盘面盘及刀具布置情况，图3为破碎后通过螺旋输送机排除的渣土情况。在砂卵石地层中硬岩滚刀的刃轨迹间距宜参照螺旋输送机能通过的最大粒径设定，如本次使用的盾构机的螺旋输送机可通过最大卵石粒径为240mm，图4为破碎后通过螺旋输送机排出的较大粒径的卵石，则刀刃轨迹间距控制在200mm的范围内。
图2
盾构刀盘面板和刀具布置
图3
渣土情况
图4
破碎的大粒径卵石
4.2防止喷水涌砂的设备措施
针对成都地层水压高和水量大的特点，为防止喷涌和水压击穿盾尾密封，在盾构机的结构上采取以下应对措施：
⑴提高盾构机防水密封性
盾尾密封选用三排钢丝止水密封刷，其间充注密封脂；铰接密封采用唇形橡胶密封；主轴承外密封采用三重唇形橡胶密封，其间充注常消耗式润滑脂，为提高可靠性同时采用HBW密封脂。
⑵ 采用具有防喷涌功能的可控两级螺旋输送机出渣系统，并结合适当的渣土改良。
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设备的磨损及换刀方案：
5.1
刀盘面板、刀具和输送系统配置及其考虑
成都的砂卵石地层具有流动性差、磨琢性大的特点，使盾构机的刀盘
、刀具和渣土输运系统产生严重的磨损现象。这样就为如何提高刀盘面板、刀具和螺旋输送机系统（泥水盾构须考虑管道系统）的耐磨性，以减少换刀次数从而降低施工成本和因换刀带来的安全风险，是施工单位考虑的关键问题。
土压平衡盾构机的刀盘面板、刀具和螺旋输送系统配置及有关参数：（1）刀盘为面板形结构，焊有Hards400耐磨钢板，开挖直径￠6.28m，开口率28%，刀盘开口能通过的卵砾石粒径240mm。
（2）刀具配置：面板设计按照可调整的刀具配置方案配备单刃滚刀、双刃中心刀、正面铲刀、边部刮刀。
（3）螺旋输送机旋叶顶部焊有40mm厚度的Hards400耐磨钢板，图5为螺旋输送机耐磨材料的使用情况。
图5
螺旋输送机耐磨材料布置
在砂卵石地层中施工以上配置主要有以下考虑：螺旋输送机排渣的能力限制刀盘开口尺寸大小；为适应砂卵石磨琢性大的特性使刀盘具有较高的耐磨性；为破碎硬的卵石、破坏卵石胶结和保护软土刀具配置滚刀；为增加刀具的刚性和耐磨性，防止硬的卵石破坏刀具同时提高刀具的耐磨性选配大铲刀及刮刀；刀盘的型式及开口率是防止掌子面坍塌的需要。
5.2设备相关部件的磨损
在得到以上较充分考虑的情况下，砂卵石对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨削量仍非常大。土压平衡盾构在掘进约150米时，刀具的磨损情况统计见图6；泥水盾构掘进240米时，刀盘面板、刀具的磨损情况为：所有刀具严重磨损，滚刀绝大部分严重偏磨损坏、部分滚刀刀圈脱落刀体损坏完全报废，图7、8分别为刮刀和滚刀磨损的情况；刀盘分别在两个部位有圆环沟槽形磨损。
螺旋输送机旋叶焊接的耐磨块在推进400米后的检查中发现局部完全磨损，图9为螺旋输送机的磨损情况。
图6
刀具布置及磨损情况
图7
刮刀的磨损情况
图8滚刀的磨损情况
图9
螺旋输送机耐磨块的磨损
5.3
换刀方案
成都地铁通过的地层具有稳定性差、透气性大、地下水丰富、水位高、水压大等特点。砂卵石地层中可选择地面加固的措施效果不明显或难以实施，在换刀时如采取有压换刀、地面注浆加固地层将增加换刀的安全风险，采取旋喷桩或挖孔桩加固掌子面可能存在时间、环境上的不便。成都砂卵石地层在降水条件下稳定性较好，可以均衡安全风险和施工成本，换刀时应首先考虑在降水条件下开仓换刀。
一般地铁线路均位于城市的主要交通干道和繁华地段降水井的位置难以选择，因此应根据现场情况确定降水井施作的地点，以距上次换刀位置距离不大于150米为原则。降水井深度应超过隧道底部5-7m，位置在选定的换刀点横向轴线附近且距隧道边沿1-2m为宜，有效降水时间宜在15天以上并应根据气候对地下水的影响调整抽水流量和有效降水时间。
如需在带压条件下开仓，加气前为防止砂卵石地层透气性大，难以保压可以在清仓之前向土仓中注入澎润土、黄泥、泡沬剂或聚合物同时转动刀盘先行对渣土进行改良，然后再向土仓中加气以实现在掌子面上形成渗透性泥膜来保住压力的目标。
5.4
减小机具磨损的措施
减少换刀频率，增加刀具耐久性可以从三个方面采取应对措施：（1）盾构机渣土改良功能的选择；（2）增强相关部件和配件的耐磨性；（3）掘进参数的调整；（4）调整刀具的配置。
盾构机功能的选择：选用具有加泥、加注泡沬、加注聚合物系统的能实施多种渣土改良工艺盾构设备，根据实际需要随时调整渣土改良方式。渣土改良以减小摩擦和增强渣土流动性为目的，通过适宜的渣土改良方式实现改善渣土的流动性，降低渣土磨琢性的目标。
增强相关部件和配件的耐磨性：主要是提高刀盘面板、刀具、螺旋输送机系统设备的耐磨性。通过在刀盘面板上加焊具有高耐磨性能的耐磨块、耐磨条、耐磨网格提高刀盘的耐磨性；通过选用镶嵌有耐磨合金块的软土刀具、选用硬度较高的滚刀来提高刀具的耐磨性；通过在螺旋输送机的旋叶上加焊具有较高耐磨性能的材料提高螺旋输送机的耐磨性。
调整掘进参数：主要是调整土仓压力平衡参数。即使仅考虑盾构机土仓压力与水压力平衡，则刀盘中心附近的土仓压力也将达到0.13MPa左右，尽管对刀盘、刀具等增加耐磨保护措施，在压力和含量达80%左右的卵石土中掘进亦难以控制刀具、刀盘、土仓壁与螺旋输送机的超量磨损。为降低推进阻力减少刀具的磨损，可调整土仓压力实施适当的欠压推进。欠压推进可有效减少刀具的磨损率、设备能耗，同时亦可提高掘进速度和减少刀盘固结泥饼出现的因素、降低渣土改良的成本。
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施工环境控制
6.1工程施工环境特点
成都的砂卵石地层未经过扰动前是致密的，在降水条件下具有较强的自稳性，但经过盾构推进作业对地层的扰动其稳定性很差，土体迅速松散、下落难以成拱，造成地面沉降量较大，图10为典型断面的地表沉降槽变化曲线，图11为盾构施工过程中隧道中线地表沉降变化时程曲线。根据前一阶段开仓数次的盾构开仓的情况反映每次清仓后刀盘前的掌子面都将迅速坍塌引起地面塌陷，刀盘前掌子面坍塌情况见图12；同时地层中夹杂粉细砂透镜体，盾构在通过该结构地层时推力和扭矩迅速增大、推进速度急剧减小一般在5mm/min以下、刀盘上固结泥饼，出渣量难以控制形成地面坍塌。
图10
典型断面的地表沉降槽曲线
图11 盾构推进过程中的时程曲线
图12
开仓后引起的掌子面坍塌情况
盾构建设线路主要在城市的市政道路下面，地面交通繁忙、地下有供水、污水、煤气、电信等各种管线，部分区段线路须下穿建筑物。地面的坍塌或较大沉降将会造成地面交通事故或各种管线的爆裂、建筑物受损或坍塌等安全事故，有些事故的后果将可能是灾难性的。为确保施工安全和地面安全并减少社会影响，必须采取有效措施控制地面沉降和坍塌。
