复杂环境富水砂层土压平衡盾构机下穿灞河施工技术

周沈华 田涌泉 陈鹤瑛 刘大维

（1.西安市轨道交通集团有限公司，陕西西安 710018；2.中国建筑第五工程局有限公司，重庆 401320）

随着城市轨道交通建设的发展，周边环境复杂是限制地铁建设的发展的重要因素。盾构法作为解决复杂环境地铁建设的重要方法之一，在复杂地质条件下，下穿水体仍面临较高的施工风险。

1 工程概况

西安地铁14号线辛王路站-体育中心站区间，左线起讫里程ZDK5+588.469～ZDK7+908.090，长链为2.725 m，总长为2 319.621 m。右线起讫里程YDK5+588.469～YDK7+908.090，总长为2 319.621 m。

区间设置一座盾构始发井。区间下穿530 m灞河河床及河漫滩，考虑盾构机施工对河堤的影响，下穿段长约660 m。下穿河床段平曲线半径为650 m，左线曲线段605.586 m，右线曲线段610.225 m，线间距为6.0～11.2 m，隧顶覆土深度为16.2～18.8 m，隧顶与灞河百年最低冲刷线距离为9.3～6.4 m，竖曲线半径为5 000 m，下穿段呈5.191‰单向上坡。

区间线路如图1所示。

图1 辛体区间线路走向示意图

区间下穿灞河段洞身范围地层：3-4-1粉质黏土、3-7-3中砂、3-6-1-3粉砂；上覆地层：2-1-2黄土状土、2-8-3圆砾、2-5-3中砂、2-7-3砾砂、3-4-1粉质黏土、1-2杂填土、2-2粉质黏土；下伏地层：3-4-1粉质黏土、2-5-3中砂、3-4-2粉质黏土、3-7-3中砂。

地质情况如图2所示。

图2 下穿段地质断面图

地表水为灞河，河断面呈U形，灞河两岸河堤采用毛石砌筑，有防渗处理，灞河水面宽400 m，水深2.0～3.1 m。

地下水属第四系松散层孔隙性潜水，稳定水位埋深约5.7～15.6 m，与灞河河水存在水力联系。地下水流速平均值为0.394 m/d。

3 盾构机配置

本工程所用的盾构机开挖直径Ф6 280 mm，总推进力为39 910 kN@35 MPa，刀盘转速0～3.35 r/min，主驱额定扭矩为6 650 kN·m，主驱动功率945 kW，总功率1 661.45 kW，被动铰接形式。本工程区间长距离穿越富水砂层，新制了50%开口率的刀盘，提高刀盘切削渣土流动性，减少渣土滞留刀盘增加的磨损。盾构机进场前，对主驱动、泵站、拼装机、螺机等关键部件进行了检测维保，刀盘设计形式如图3所示。

图3 刀盘设计图

4 风险分析

区间下穿灞河段河床底部距盾构隧道顶部18.8～16.2 m，位于地下水位之下，地下水与灞河河水存在较强水力联系，地层以粉砂和中砂为主，穿越距离长达660 m，存在如下风险：

（1）螺机喷涌：掘进过程中，由于地下水压较大，土仓压力和螺机后部压力偏高，螺机难以形成“土塞”效应，造成喷涌。

（2）河面冒浆：掘进过程中，由于地下水压力较大，土仓压力偏高，在砂层中易击穿地层造成冒浆现象。

（3）密封渗漏：土压平衡盾构机三大密封有主驱动密封、铰接密封和盾尾密封，盾构掘进过程中对密封的保护较为重要，密封损坏，将造成渗漏，导致严重安全事故。

（4）刀盘刀具磨损：区间埋深大，砂层密实，标贯击数大于50，对刀盘刀具磨损大，盾构掘进约600 m后开始下穿灞河，存在灞河下方开仓检换刀具的风险。

（5）超挖：富水砂层掌子面稳定性差，掘进和停机过程中，开挖面或盾构机顶部容易发生坍塌，造成超挖。

（6）成型隧道渗漏水：区间隧道埋深大、地下水压较大，成型隧道渗漏水风险大。

5 关键施工技术

5.1 土仓压力控制

下穿段与灞河存在较强的水力联系，在掘进过程中保持土压平衡至关重要。在下穿前设置的试验段试掘进参数分析，下穿阶段采用静止土压力公式计算盾构机土仓顶部土压力，计算如下：

式中：γi——土体容重（kg/m3）；hi——土层厚度（m）；k——土压力修正值（MPa）；k0i——土体静止侧压力系数；P——土仓压力（MPa）。

下穿前，根据试验段沉降监测数据，确定土压力修正值，一般可选定为0.02 MPa。在下穿过程中，在试验段掘进总结的基础上对顶部土压力进行动态优化调整，确保推进时出土速率与推进速度匹配，顶部土压变化控制在±0.02 MPa以内，防止土压波动过大引起“拉风箱”效应，造成超挖风险。在高水压段，每环开始掘进时，顶部土仓压力控制到理论土压力±0.02 MPa；在低水压段，土仓静止压力较理论土压力偏低，掘进过程中可在停机顶部土压基础上±0.02 MPa保压掘进。

5.2 防磨损措施

5.2.1 密封保护措施

土压平衡盾构机三大密封包括主驱动密封、铰接密封和盾尾密封，密封效果的优劣直接影响下穿灞河的效果。施工采用旧土压平衡盾构，三大密封设计形式无法改造，区间线路长、水压高、砂含量多的特点，决定了三大密封需采用抗冲刷、耐磨、耐久等性能良好的密封材料。

在盾构机进场前，对主驱动密封进行拆解检测，维保完成后进行打压检测。盾尾在以往吊装过程中，易出现变形。因此，对盾尾尺寸进行量测修复，严格控制铰接密封现场安装质量。对推进千斤顶安装精度进行检测修正，确保伸出后不影响管片姿态。盾尾密封选用质量良好的尾刷，在工厂内焊接一、二道尾刷，第三道尾刷在盾尾下井组装后再焊接。

下穿段主要处在650 m的曲线段，铰接形式为被动铰接，控制盾构机和管片姿态至关重要。施工过程中，应合理控制盾构机姿态和管片选型，如果盾构机姿态和管片姿态不适应，将造成铰接磨损和尾刷磨损加快，造成渗漏风险。应对盾构机和管片姿态设置预警值，按“勤复测、勤纠偏、缓纠偏”的原则控制姿态，管片拼装前盾尾和管片冲洗清理干净。

5.2.2 刀盘刀具保护措施

为了延长刀盘掘进距离，刀盘和刀具采用合金加强耐磨性，配置中心鱼尾刀+双层撕裂刀设计。

第一层刀高为165 mm，由21把焊接撕裂刀+19把可更换撕裂刀组成；

第二层刀高145 mm，由19把焊接撕裂刀组成。掘进过程中，采用泡沫剂为主，膨润土泥浆为辅的措施渣土改良，控制刀盘扭矩在2 500 kN·m左右，在全断面粉砂段，土仓压力较高，刀盘扭矩仍可控制在3 000 kN·m以内。盾构机单向掘进最长距离为1.7 km，刀具磨损量最大20 mm，较预期磨损情况理想。

5.3 防喷涌措施

喷涌的形成机理，是由于水压在切口、土仓、螺机内部不能形成水力递减梯度。螺机排土过程中，高压的“水+气+砂”从螺机口喷出，喷涌现象会造成土压波动，严重则会超挖，会造成盾尾清理难度增加，施工不连续，掘进形成不断喷涌的恶性循环。盾尾清理不彻底，会加速尾刷的磨损，极大增加了盾尾密封渗漏风险。掘进过程中，采取以下几个措施控制喷涌和提高清渣效率。

（1）提高土压力，减少地下水汇入土仓。采用土压平衡模式掘进，在静止土压力基础上提高0.02～0.03 MPa，作为预备压力防止地下水补给进入土仓。

（2）改良土仓内渣土流塑性。采用泡沫为主，膨润土泥浆为辅的进行渣土改良。泡沫原液比例2%～5%，膨胀率10～15倍，泡沫流量不小于100 L/min；膨润土泥浆配合比膨润土∶水=1∶10，膨化时间不小于12 h。在全断面砂层，采用泡沫和膨润土泥浆改良，泡沫膨胀率和流量根据刀盘扭矩、螺机后部压力、土仓压力以及渣土性状适当调整。

（3）螺机采用主动排土模式。通过控制螺旋机转速和上下闸门开度调节出渣量，在螺机内部形成“土塞”效应，使螺机内水力梯度降低。总结发现螺机后部压力0.05 MPa以内发生喷涌的概率低，0.05～0.15 MPa发生喷涌基本可控，高于0.15 MPa时喷涌控制难度大。

（4）在盾尾后方3～5环注浆作止水环，开孔位置在3点和9点交错布置，在喷涌严重的地段全环注浆。浆液类型为水泥-水玻璃双液浆，水灰比0.6～0.8，注浆压力0.4 MPa，稳压10 min，同时安排专人负责观测管片变化情况，发现有错台、破损等变化立即停止注浆。富水砂层注浆开孔极易发生涌水涌砂，在管片拼装完成立即安装逆止阀和注浆球阀，避免管片脱出盾尾后再开孔注浆。

（5）由于喷涌的砂土淤积在盾尾附近，清理过程中极易造成排污管路堵塞，确保排水通畅，是确保下穿灞河均衡、连续施工的重要措施。

①在螺机尾部和皮带上坡段增加挡渣板，防止渣土喷涌时出现大面积喷撒；

②在最低点位置，将盾构机回水管路与污水管路相连接，通过控制闸阀用外循环回水冲洗污水管路，保持其畅通；

③在隧道最低点采用型钢加高电瓶车轨枕，便于积水抽排；

④及时维护盾构机排污管路和清理盾构机污水箱，确保盾尾清理污水抽排至污水箱顺畅；

⑤下穿段基本处于曲线段，每天对皮带跑偏进行调整，减少皮带跑偏造成的漏渣量。

5.4 掘进姿态控制措施

本工程管片分为标准环、左转环和右转环，管片楔形量38 mm，管片选型主要依据盾尾间隙和推进油缸行程差选择。曲线段控制盾构机姿态在曲线内侧掘进，根据管片姿态人工复测及时对盾构机姿态进行纠偏。盾尾间隙和推进油缸行程差应设置预警值，每环量测盾尾间隙不少于1次，姿态不好的情况时，增加盾尾间隙测点和频率。本工程盾构机铰接形式为被动铰接，当管片姿态和盾构机姿态不适应的状态时，铰接压力和铰接行程差出现升高的现象，在管片选型时应注意调节铰接行程差。

5.5 沉降监测措施

本工程盾构下穿河堤段，采用水准仪监测地表沉降变化。下穿河床段，现有监测手段无法准确监测，采用无人机巡查的方式对河面进行巡查。

5.6 防超挖措施

防止掘进超挖除了保持土仓压力平衡外，需对出渣体积和重量进行控制。出渣体积通过每个土箱容纳的掘进行程、土斗满箱/空箱的体积差进行分析控制。出渣重量通过门吊称重系统进行测量，掘进一般配置双列电瓶车编组，称重前后记录电瓶车编号，确保计算准确。

5.7 停机复推的措施

工序转换包括停机-复推，停机-注浆-复推。在全断面砂层，停机前向土仓内注入膨润土泥浆，将土仓压力设定为静止土压力+0.02 MPa。停机过程中，盾尾后方在二次注浆的情况，每隔一定时间盾构机推进3～10 cm，防止盾体被浆液裹住。复推前，向盾尾密封补充注入盾尾油脂，密封腔压力达到设定值后再推进；螺机后部压力过高时，通过螺机反转，改善螺机内部渣土环境。

6 结语

本工程采用的旧盾构机，区间线路长，且下穿段距离长，主要位于曲线段，隧道埋深大，地层透水性强，砂层石英含量高，针对这些特点对盾构机刀盘设计改造、维修保养、盾构掘进控制、资源保障的要求高。通过本工程长距离富水砂层应用旧土压平衡盾构机成功下穿灞河的案例，为类似工程的盾构机改造、施工管理等方面提供参考。