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盾构穿越砂层关键施工技术 张剑ZHANGJian （中铁一局集团有限公司，咸阳712000） 摘要：随着盾构技术的日益成熟，盾构区间施工时，遇到地层也越来越多样。本文重点探讨了在盾构区间施工中，为了穿越全断面砂层及钙质结核区，制定一整套客观科学的技术措施。 关键词:地铁隧道；盾构法；砂层；钙质结核；施工技术 ：U455.43：A：1006-4311（xx）23-0122-05 作者简介：张剑（1976-），男，湖南桃江人，毕业于中南工业大学，研究方向为地铁。 0引言 本文针对郑州地铁盾构施工区间，重点研究全断面砂层及钙质结核区地层中盾构的推力、扭矩、沉降等相关参数，通过研究膨润土与聚合物在全断面砂层中作用，并在施工前开展详细的试验，总结出相对科学的参数，为后续施工提供了经验指导。 1工程概况及地质情况 1.1工程概况 郑州地铁一号线碧沙岗站郑州大学站盾构区间左线长度为1198.039m，右线长度1199.468m，线间距为13m，平面最小曲线半径为320m，纵断面设0.5%2.75%的“V”字型纵坡，隧道顶埋深9.6m16.3m，中间设1处联络通道。 区间由郑州大学站西端头以330m小半径始发向西北方向延伸，下穿机械研究所家属院8号楼与青少年宫后，进入碧沙岗公园继续向北延伸，下穿花园酒店后，以320m半径穿过嵩山北路与泰隆大厦停车场后向西延伸拐入建设西路，进入碧沙岗车站。该区间主要位于郑州主干道中原东路与建设西路上及碧沙岗公园，属城市繁华区域，地面建筑物及地下构筑物复杂。（图1） 1.2工程地质及水文情况 1.2.1工程地质条件 本区间盾构施工范围土层主要为粉土层、粉质粘土，局部为粉砂，各别粉土钙核含量高，局部富集胶结，在该土层掘进过程中刀盘扭矩及推力会受到影响。 具体见下面土层描述： 第（20）层（Q3al）粉土，浅黄色褐黄色，稍湿，中密密实，含锈黄斑、少量浅灰斑、白色钙丝条纹，局部砂感较强，含有少量小钙核和蜗牛碎片。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高93.82-96.59m，层底深度8.9-12.83m，层厚0.9-6.2m，平均层厚3.84m。静力触探Ps平均值为11.74MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为16.8。 第（22）层（Q3alpl）：粉土，黄褐色褐黄色，稍湿湿，稍密中密，局部稍粘，含铁锈斑、少量浅灰斑，含少量钙质结核。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高88.57-93.79m，层底深度12.0-17.7m，层厚0.5-6.8m，平均层厚3.40m。静力触探Ps平均值为3.05MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为18.2。 第（29）层（Q3alpl）粉土，黄褐色，稍湿，中密密实，含有铁锈斑，少量浅灰斑，大量钙质结核，粒径13cm。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高86.16-91.15m，层底深度15.5-21.7m，层厚0.40-5.6m，平均层厚2.82m。静力触探Ps平均值为8.96MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为19.4。 第（32）层（Q3alpl）：粉土，棕黄色褐黄色，稍湿湿，中密密实，含铁锈斑、少量浅灰斑，含少量钙质结核。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高82.26-90.02m，层底深度17.0-23.7m，层厚0.6-4.0m，平均层厚1.75m。静力触探Ps平均值为3.61MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为16.9。 第（34）层（Q3alpl）：粉土，棕黄色褐黄色，稍湿湿，中密密实，局部粘粒含量稍高，含大量钙质结核，局部富集胶结。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高81.72-87.66m，层底深度18.9-24.0m，层厚0.7-5.3m，平均层厚2.31m。静力触探Ps平均值为7.92MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为20.7。 1.2.2区间水文条件 区间地下水类型为潜水，属弱透水、弱富水层。潜水含水层主要为粉土，有少量粉砂，厚约30m，稳定地下水位16m。场地内地下水位年变幅2.53m，多年变幅45m，因此确定本场地最高水位埋深为10.0m，水位基本在隧道中部及顶部。由于水位位置基本在粉土层面，粉土层渗透系数较小，粉砂层渗透系数较大，所以隧道内所受到的水压力较小。 2工程特点、重点、难点 2.1开挖面失稳 如果盾构开挖面水、土压力无法与盾构机密封舱内压力持平，开挖面就会失稳。在流动性较低的砂性土层中采用土压平衡盾构法作业时，切削下来的土体无法充满密封舱，大粒径砂性土沉积于舱底，小粒径的浮于上层，造成分层离析、表层失水，舱内压力无法平衡开挖面上部的土压力，致使土地失稳。 受高水压力的影响，刀盘切削振动可能造成作业面周围的砂土液化，孔隙水压力升高，有效应力降低，抗剪强度大幅度降低甚至丧失。液化造成管涌流砂导致作业面失稳，继而造成地层大幅度位移，使得相邻的建、构筑物产生差异沉降，管线破损，地表出现严重的沉陷，使建设方蒙受了巨额的经济损失。 2.2盾构推进时周围土体发生液化导致土体沉降 由于粉细砂层颗粒之间几乎没有吸引力，无法紧密粘连在一起，加之含水量大，使得在循环荷载作用初期就瞬间变形。这是因为当外力挤压颗粒时，颗粒之间的孔隙体积被压缩，孔隙比降低，此时部分有效应力瞬间转移，由超孔隙水压力来承担，土骨架强度损失，土体发生残余变形。当施加的动应力比临界动应力低时，土体颗粒会随着振动时间的延长而不断调整，逐渐适应了压力环境的变化节奏，变形渐渐变得缓和，逐渐形成新的土体结构。最终，在长时间持续振动的作用下，土体结构参数的变化趋势近似平缓，差异性调整基本停止，逐渐形成了新的结构体系；新的土体结构受外部压力的影响，又继续调整结构参数，以获得比较稳定的平衡结构。此时的永久变形值已基本稳定。但是，一旦外部动应力超过临界动应力，土体结构在频繁振动的作用下继续调整内部参数，但是仍无法与新的压力环境相适应。在此阶段，孔隙水压力持续增加，有效应力持续降低，最终造成土体强度大幅度损失，此时粉细砂层就形成了液化状态。 盾构机在砂性土层中向前推进时，设备周围的砂土在频繁的振动作用下极易液化。设备向前推进的速度越快、持续时间越长，土体液化程度越严重，并且可能引起地表发生大幅度沉降。 2.3密封舱内砂土积聚，切削推进困难 盾构机在砂性土层中向前推进时，如果土体含少量粘粒，往往在盾构密封舱内的压力较高时，无法将渣土顺利排出，如果不及时处理还强行推进，舱内的砂粒失水固结后粘连的更加紧密，会引起千斤顶的顶推力不断增大，并且刀盘的扭矩会加大，对盾构产生更大的阻力，这样有可能损伤刀具，造成主轴承开裂，最终不得不停机整修。 密封舱闭塞的成因：在砂性土体中的盾构作业，密封舱压力往往比在粘性土中盾构时的压力大。砂性土本身存在内摩擦力，含少量粘粒的砂性土经刀盘切削进入密封舱后，少量粘粒所提供的粘结力，会使渣土受密封舱的高压作用发生应力重分布，极易在螺旋出土器的进出口部位形成拱作用，阻断拱外渣土进入出土器的路径，最终导致密封舱闭塞。 2.4舱内泥砂“结饼” 有的土体黏聚力和内摩擦角较大，盾构机在这样的土层中作业时，密封舱主轴承周围的土体易排水固结形成饼状，若任其发展，整个密封舱最终会被饼状的土充满，造成刀盘扭矩加大，难以切削土体，甚至无法继续盾构。砾质粘性土黏聚力和内摩擦角较大是导致密封舱内结饼的主要原因。在实际施工中，应该提前采取控制措施，适当降低土体的粘聚力和内摩擦角，以确保盾构机正常推进。 3实际施工参数及方法 3.1前期施工准备 考虑到全断面砂层的土体特性，为降低刀盘扭矩及推力，减少螺旋机及刀盘的磨损，采用泡沫+膨润土（或高分子聚合物）对渣土进行改良。 通过对盾构前方土体注入浆液使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的透水性，起到隔水的作用；降低了刀盘扭矩，减少了地基的内摩擦角提高了挖掘渣土的流动性，改善了盾构机作业参数；减少渣土的渗透性，使整个开挖土传力均匀，工作面压力变动小，有利于调整土仓压力，保证盾构机掘进姿态，控制地表沉降。 3.1.1地面试验准备 现场取原样砂土100kg，钠基膨润土（300元/t），高分子聚合物，钠基膨润土（680元/t）、取正在掘进区间的已出渣土30kg。 采取高分子聚合物按照1.5:1000、2:1000、3:1000的质量比进行配置，膨润土按照1:6和1:8质量比进行配置。 3.1.2地面试验阶段 原状土与盾构渣土试验阶段。 根据塌落度桶100mm200mm300mm（体积0.00589立方米）需要称10kg的原样渣土，实测原状土的塌落度为10mm。为比较盾构机能够出渣土的塌落度，取正在掘进出渣区间的渣土实测塌落度，实测塌落度为73mm，表明塌落度必须在70mm以上的渣土能够满足盾构出渣的需求。 采取高分子聚合物改良渣土试验阶段。 结论：采用高分子聚合物按照1:2000的配比进行渣土改良，改良塌落度控制在82mm。 采取膨润土改良渣土试验阶段。 采用（680元/t）膨润土进行渣土改良，采用1：8的配比进行改良，改良后渣土塌落度控制在100mm。 结论：根据地面试验结果可得： 方案1：膨润土泥浆：膨润土：水=1:8（质量比）粘度为9.3s，理论渣土的方量为44.6m3，注入量为9方膨润土泥浆，成本为681元/环。 方案2：膨润土泥浆：膨润土：水=1:6（质量比）粘度为10.2s，理论渣土的方量为44.6m3，注入量为9方的膨润土泥浆，成本875元/环。 方案3：高分子聚合物：聚合物：水=2:1000（质量比）粘度为11.7s，理论渣土的方量为44.6m3，注入量为12.1m3，成本为842元/环。 根据比选结果显示：由于方案2和方案3的成本情况接近，方案1的成本情况为最低，在实际掘进过程地层为全断面粉砂层情况下优先采取改良方案1。 3.2设备保障 3.2.1停机检修 在盾构机进入砂层前，选择一个地层条件较好，隧道线型平缓、地面建筑物少，管线少的位置进行停机检修。设备检修内容包括：驱动动力系统，如电机、液压马达、高压油管等；电气控制系统中的电磁阀、接触器以及传感器；注浆系统，检修注浆泵、清通注浆管路，使之保持畅通；渣土改良装置，检修泡沫泵、水泵，及时清理，确保管路通畅；运输系统，含皮带机及电瓶车。设置挡泥板板，根据作业要求适当调整皮带运输机参数，减少设备落泥量；对电瓶车刹车系统进行整修，确保刹车灵敏；检查铰接密封、盾尾密封的密封性能是否符合工程要求。 3.2.2掘进跟踪维保 在盾构机掘进过程中，对容易出现问题的设备进行重点保养维修，保证设备的正常运转。每环掘进结束后及时清洗注浆管，保证注浆管路的畅通。加泥泵每隔一段时间就要开启加泥，防止加泥泵及管道堵塞。加强设备的电路检修，要定期对重要设备的电路进行跟踪检查与维修。 3.2.3改善砂层的塑流性、止水性的结构及措施 为了进一步调整砂层掘进中碴土的塑流性、止水性差，采用以下结构及措施：装配自动泡沫和添加剂注入装置，盾构时，可适当向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，以调整碴土的流动性。在刀盘盘面和土仓壁处设置了共计8个注入口，其中刀盘4个、土仓壁4个添加剂注入孔，可充分全面地向开挖面和土仓注入泡沫及其他添加剂。为了防止砂层流塑性、止水性差的现象发生，刀盘开口的设计使碴土进入土仓的通道流畅；土仓空间较大，中心障碍物少，表面平滑，可有效增加添加剂与碴土的混合效率。刀盘上设有外周5个、内周2个，可以随着刀盘一起转动，辅以仓壁上2个的固定搅拌棒可起到搅拌碴土的功能，对土仓中的废弃土体进行强制搅拌，使注入在开挖面上或土仓中的添加材料（加泥、水、气泡）与切削下来的土体在土仓中进行充分的搅拌，提高土体的塑性流动性，使在园滑土仓中的废弃土体具有良好的流动性和止水性。 3.3施工参数控制 为盾构机安全通过砂层地段，我们本着保压、快速通过砂层断面。盾构进入砂层前10环作为试验段，根据试验段的掘进来确定后面盾构掘进的施工参数。 根据过砂层前10环试验段的试掘进，通过分析监测数据，确定盾构掘进参数如下：全断面砂层盾构推力与扭矩明显增大，掘进推力：28000kN34500kN，刀盘扭矩：2000kNm3200kNm，刀盘转速：0.8rpm/min。推进速度在2530mm/min左右。本区间盾构推力按照每50环进行统计，编制折线图显示每一环推力的变化过程，对于推力进行分析（图6、图7）。土仓压力：推进过程中上部土仓压力建立在0.16MPa0.18MPa，停机前土压建立到0.20MPa。当盾构机模式为拼装模式时，应控制好土压，下降值不得超过0.06MPa。根据地面监测情况，适当调整土仓压力，确保掌子面的稳定，保证盾构机前方地面隆起13mm（图8）。注浆量和注浆压力：每掘进一环的注浆量为5.5m36.05m3。充盈系数约1.55。掘进速度：盾构机过砂层段时，掘进速度保持在2530mm/min。出土量：要严格控制出土量，保证进、出土平衡，实际施工中的出土量控制在50m355m3。 3.4施工监测控制 盾构过砂层前，加密监测点的布置，盾构过砂层时，增加地面沉降的监测频率到2次/天，提高地面沉降控制标准（按规范报警值的70%设定砂层掘进报警值），一旦沉降量超限，立即采取措施，并进行二次补充注浆，控制地面和房屋的继续沉降。 4施工效果 4.1地面沉降情况 通过采取各种措施，在过砂层地段掘进过程中，地面最大沉降累计量为28.1mm，保证了路面和房屋的沉降量在设计允许范围内，对路面环境