高标贯中粗砂地层盾构法施工应对措施研究

李 旭

(中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054)



高标贯中粗砂地层盾构法施工应对措施研究

李 旭

(中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054)

西安地铁2号线北端盾构施工过程中全断面穿越中砂、粗砂层，其中中砂的标贯击数达到150击，砂层极为密实，且需严格控制地面沉降；盾构掘进出现极限参数，不能正常运转，同时螺旋、刀盘甚至是盾体磨损加快。通过增加开挖面积、主动铰接辅助推进、渣土改良、压缩空气辅助建压等措施来解决超密实地层盾构掘进问题，使用效果比较明显，提高了土压平衡盾构对密实砂层的适应性。

密实砂层；中砂；标贯击数；盾构；渣土改良；建压

1 工程概况

西安地铁2号线一期北苑站～北客站盾构区间穿越西安绕城高速公路，路面宽38 m，路基宽46 m，高速公路高出地面约4 m，双向六车道。在穿越过程中遇到了俗称“铁板砂”的地层，给盾构施工造成许多难题。根据盾构掘进方向和区间里程计算，盾构机穿越绕城高速南侧边坡的里程为ZDK1+676～ZDK1+666，掘进环号为96～103，109环盾尾脱出

边坡；绕城高速路面的里程为ZDK1+666～ZDK1+629，掘进环号为103～128，135环盾尾脱出路面；绕城高速北侧边坡的里程为ZDK1+629～ZDK1+619，掘进环号为128～134，141环盾尾脱出边坡。

1.1 工程地质

西安地层为典型的黄土地层，但在河流阶地存在砂层，局部含有卵石。本项目下穿位置地层位于原渭河一级阶地，隧道穿越中砂、粗砂(局部为砾砂、圆砾)地层，隧道洞身土层主要物理力学参数见表1。

表1 隧道洞身土层主要物理力学参数

1.2 水文地质

地下水主要赋存于砂类土层中，属于强透水层，含水层厚度40～80 m，地下水主要为第四系孔隙潜水。地勘报告揭示地下水位较高，自DK1+670开始盾构隧道基本处于水位线以下。在施工过程中发现地下水位位于盾构隧道1/3到2/3位置，没有超过螺旋机出渣口位置，在施工过程中没有出现涌水、涌砂的情况，对盾构掘进施工影响较小。

2 工程难点及主要问题分析

(1)绕城高速是西安环线交通的主干，也是进出古都的各大高速公路的起点，在西安的城市交通和对外联系中具有举足轻重的地位。根据北绕城高速公路管理局的要求，此段高速公路路面的最大沉降控制在10～20 mm以内，以保证车辆顺利通行。

(2)标贯击数大于30击的砂层为密实砂层，常规中砂、粗砂的标贯击数不超过60击，该段中砂标贯击数高达150击，特别是在车辆动荷载的长期作用和车辆振动频率的作用下，致使砂层极为密实。这种砂层俗称“铁板砂”，其硬度达到了钢材的指标。这就使得盾构机通过绕城高速时，出现了相当高的摩阻力，影响了盾构机的掘进。

(3)砂层由于内摩擦角大，盾构机刀盘切削致密砂层时，地层对刀具及面板反作用力较常规砂层增加较多，会造成切削困难、螺旋及刀盘磨损较快;同时，切削下来的砂土之间较大的作用力会造成排土较差，甚至不能排土[1]。

3 穿越致密砂层存在的问题

在盾构穿越绕城高速公路前，通过在高速公路两侧进行地质补勘、现场调查并对通过前的试验段掘进参数进行分析和总结，制定了穿越砂层的相关对策，但在实施过程中出现的问题超过了预判。

3.1 盾构掘进困难

为保证绕城高速的安全，在盾构掘进参数选择上相对保守，土仓压力值按照被动土压力进行计算和设定。在试验段施工过程中，按照上述设定能够顺利掘进，但由于绕城高速下砂层更加密实，盾构机掘进出现了困难。随着盾构机完全进入绕城高速地层后，推力由24 000 kN骤升至30 000 kN，而且掘进速度降到4 mm/min以下。此外，在拼装完管片后盾构机重新启动时，出现刀盘扭矩过载而自动跳闸的现象，盾构掘进效率极低。此外，由于总推力过高，用于调整盾构掘进方向的推力分配较少，盾构机姿态难以控制。

3.2 盾构设备超负荷运转

在致密砂层中掘进，要前行就要增加推力，推力的增加需要盾构机全系统进行调整才能实现。盾构机厂家通过调节溢流阀来增加推力，但是由此设备油路压力增加，油温升高。在高温高压下，增加了盾构机设备负荷，经常出现刀盘内外周温度、液压油温度超标，从而被迫停机降温。此外，由于整个系统的超负荷运转，造成隧道作业面内温度较高，又影响盾构机其它设备的正常运转。设备的超负荷运转，导致设备经常出现故障，增加了维修工作量。

3.3 注浆压力与注浆量的控制

由于绕城高速公路是西安对外的交通干道，社会敏感性高，对沉降要求更加严格。由于修建高速公路必然要求路基密实，组成高速公路路面的底层和面层都是具有相当强度的胶结材料，所以在盾构机通过时，即使注浆不饱满，地面的沉降量也不会立刻出现特别大的变化。但注浆的不饱满终究是安全隐患，使注浆压力和注浆量的控制产生了不确定性。

4　应对方案

4.1 适当增加开挖面积

减少盾构机推力最有效的办法就是减少地层与盾体之间的摩阻力，因此在掘进中通过开启仿形刀，扩大开挖半径，使与盾体接触的为扰动后的砂层，能够减少摩阻力。由于致密砂层部分物理力学性质类似于岩层，采用外置式注浆的盾构机在该地层中的摩阻力会更大，因此可在盾构外置注浆保护罩位置有目的的增加开挖半径。根据试验，密实砂层中地层自稳性较好，如盾构机超挖半径不超过4 cm，且及时进行同步注浆能够控制地面沉降。通过开启仿形刀，掘进速度提高了30%左右，一定程度上提高了掘进效率。

4.2 主动铰接辅助掘进

由于盾构掘进速度较慢再加上盾构机故障时有发生，盾体容易被同步注浆浆液裹住，造成盾构机无法前进，这时，使用主动铰接分段推进是一种有效的措施。使用铰接虽然效率较低，但可以保持有一定的速度，比单纯使用推进千斤顶掘进的速度要高。使用铰接是一种在盾构操作时能有效的改善在推进千斤顶大推力下无法推动盾构机的状况，是在操作室内能采取的盾构机脱困的主要方法。但长时间使用铰接容易造成铰接密封出现损害甚至失效，因此在使用铰接推进的时候要掌握一定的度，不能频繁使用。

4.3 增加膨润土注入口及注入量

为改变致密砂层原状土难以掘进的状况，将膨润土改接至刀盘前方的注入口，同时增加刀盘前方注入量，超前对砂土进行改良；土仓内的渣土改良也要保持。通过上述措施能够有效改良渣土，并保持土仓内外平衡。增加膨润土注入量后，需要对盾构后配套设备进行改造，提高膨润土运输能力和注入能力。此外由于改良后的渣土含有较大比例的膨润土，出渣时需要对渣土进行处理，须提前安排[2-3]。

4.4 压缩空气辅助建压

在常规砂层中由于颗粒间隙较大，采用气压辅助掘进时容易出现漏气失压的情况，但在致密砂层中通过超前渣土改良能够形成相对封闭的空间，给采用压缩空气辅助建压提供了条件。通过停机试验，采用压缩空气可以提高土仓内压力，因此在掘进过程中也可采用压缩空气来填充土仓内部，减少土仓内的砂土，在保持掌子面稳定的情况下减少盾构机推力、扭矩等参数，从而改善掘进效率。

4.5 及时足量注浆

为保证填满管片与地层之间的空隙，控制地面沉降，需要在盾构掘进的同时对盾尾后的管片进行同步注浆和二次注浆。同时，由于砂层的渗透系数较大，需要对浆液配比进行试验，防止浆液被地下水快速稀释进入周围地层。在盾构机掘进绕城高速地段时，同步注浆的压力一直保持在比较高的范围，1、3号注浆孔一般都达到了0.3 MPa以上，4个注浆孔只有2个在正常工作，但由于盾构机掘进缓慢，能比较从容的进行同步注浆，同步注浆的注浆量基本在6 m3以上。二次注浆的管片一般选在盾尾后5、6环，这样就能使二次注浆的水泥浆不包裹盾尾刷。在进行二次注浆时，注浆压力同样很大，比要求的0.3～0.4 MPa的压力值高出很多，每环的注浆量也不太大，一般都在0.3～1 m3。由二次注浆时所表现的高压力值判断，管片与地层之间的间隙基本被砂浆和水泥浆填充，能有效的控制盾尾后的沉降。

4.6 降低盾构机温度

盾构机长时间在高温下运转，各部件不仅容易出现故障，同时还会降低盾构机的使用寿命，因此需要采取措施降低温度。降低温度的办法有水冷、风冷和增加散热面积等。对盾构机整体来讲，采取水冷是最有效也是成本较低的一种方法，通过将冷水引入盾构机，然后通过泡沫或膨润土管路注入到周围地层中，降低盾构机及地层温度。对于盾构机油路，可采用增加油冷却器的办法降温。

5 需继续探讨的问题

5.1 膨润土减摩的效果

采用在3、9、12点的盾体上开孔注入膨润土以减小盾体与地层之间摩擦力的方法，由于在127环才开始使用，还没有对比数据，缺乏建立判断标准的必要因素。在以后的施工过程中，有必要对使用这种方法前后进行分析，得出比较好的结论，总结出更好的减摩方法。减小摩阻力是盾构施工永恒的话题，在这方面的探索还有待加强。

5.2 建立气压对掘进的不利影响

在整个穿越过程中，各种沉降量都比较小，说明建立土压起到了一定的作用。但在建立气压的前后，却出现了掘进越来越困难、同步注浆压力也不断攀升的情况；但由于对使用气压的记录不完整，使得在分析利弊时缺乏有力的数据支持。

5.3 从机械工程的角度来分析盾构机的各种参数

盾构施工是一项综合性的系统工程，对土建、机械、电等均有涉及。在以后的工作中，不仅要从土木工程的角度去分析盾构机在穿越这种复杂地层的情况，更应该从机械工程的原理去分析盾构机的各种操作对盾构机使用性能和寿命的影响，比如通过改进外置式注浆管路减少摩阻力[4]、频繁使用铰接的影响等等，全面认识和掌握盾构施工的作用规律和操作特点。

6 结束语

通过增加开挖面积、主动铰接辅助推进、渣土改良、压缩空气辅助建压等措施来解决超密实盾构掘进极限难题是非常规手段，但其使用效果比较明显，为类似问题提供了解决思路。通过技术措施的改进及盾构设备的改造扩大土压平衡盾构对密实砂层的适应性，可降低盾构施工成本、提高社会效益。

[1]张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨[J].岩土工程学报,2009(9)：1445-1449

[2]魏康林.土压平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析[J].现代隧道技术,2007(1)：73-77

[3]闫鑫,龚秋明,姜厚停.土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究[J].地下空间与工程学报,2010(3)：449-453

[4]苏小江.砂土地层土压平衡盾构机适应性改造研究[J].科技创新导报,2014(10)：65-66

A Study of the Counter-Measures for the Shield Construction in the High SPT Medium-Size Sand Strata

LI Xu

( The First Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Xi'an 710054,China )

Since the north end of Line Two of the Xi'an Metro has to full-cross-section run through the medium-size sand and coarse sand stratum with a shield,where the SPT blow count for medium-size sand reaches 150,the sand stratum being extremely dense,the ground settlement needs to be strictly controlled;in such a case,the limits of parameters emerge in the middle of the shield-drilling,the shield can′t work properly,with the spiral and the cutter-holder,or the body of the shield itself,worn faster.The problem of a shield drilling through an extraordinarily dense stratum is solved by means ofincreasingtheexcavationarea,usingactivehingestoassistdrilling,modifyingthemuck,usingcompressedairtohelppressurebuildupandothermeasures.Theeffectsofapplyingthesemeasuresarecomparativelyobvious,withtheadaptabilityoftheearth-pressure-balancingshieldtodensesandstrataimproved.

dense sand layer;medium-sized sand;SPT blow count;shield;modification of muck;pressure buildup

2016-05-20

李旭(1984—)，男，工程师，主要从事地铁土建施工工作。187377446@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.007

U455.43

B

1672-3953(2016)05-0023-04