赵爱军，党如姣

（中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610031）

随着城市外扩速度的加快，为缓解交通压力，各城市都加快了地铁的建设速度。盾构法在大城市地铁建设中具有明显的优势。但由于盾构施工复杂的机械控制，岩土环境的复杂多变，复杂地质下盾构姿态的控制、同步注浆浆液的充填[1]、二次注浆效果的检验难度较大[2]等问题的存在，给盾构法施工造成了极大的难度。韩惠军[3]对富水砂卵石地层常见问题及处置方法进行研究，得出了砂卵石地层盾构掘进参数；王国义[4]和章龙管等[5]对成都富水砂卵石地层盾构设备配置进行了研究，提出了对盾构进行改造的设想；潘勇等[1]对砂卵石地层地铁盾构隧道施工地表沉降变化规律及影响因素进行了研究，得出了砂卵石地层沉降变化规律和相关的影响因素。作者结合成都地铁1 号线、3号线、7 号线、8 号线、9 号线等5 条线路162 km 地铁工程建设实践总结，在以往研究的基础上进一步提出了更加具有针对性的参数设置和应对措施，对富水砂卵石地层盾构法施工技术研究有着重要的意义。

1 存在的问题

基于富水砂卵石地层的特殊性，盾构在该地层的掘进过程中主要存在如下问题。

地层卵石含量高（含量高达60%～71%，粒径以30～110 mm 为主[6]），由于卵石中含有大量的石英，长期的摩擦导致刀具、刀盘面板、螺旋机磨损较快[7]。粒径分布不均匀且含有大量漂石，大粒径砂卵石的削切和破碎困难，切削下的渣土经螺旋输送机外排十分困难，也使得盾构姿态控制变得困难[8]。

掘进过程扭矩高，由于卵石的摩擦角较大，卵石强度高（单轴抗压强度50～150 MPa），导致刀盘扭矩长期维持在4 500 kN·m 左右[9]，盾构姿态调整与控制难度大。砂卵石地层属于柔中带刚、软中带硬的地层[10]，因此盾构掘进模式既不同于软岩，也不同于硬岩。

渣土改良困难，由于卵石粒径的不均匀，且地层中细颗粒较少，导致渣土的流动性较差，易出现水土分离现象或局部刀盘结泥饼[11]。

盾构机在疏松卵石地层中掘进时，地层松散，自稳性差，黏聚力低，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，会破坏原来的相对稳定或平衡状态而造成坍塌，导致开挖面失稳。由于砂卵石地层的骨架效应，地表沉降滞后性明显。滞后沉降易引起地层损失和产生不均匀的压力，造成建构筑物的不均匀沉降[12]；盾构下穿管线，地层沉降造成管线破坏，产生较严重的社会影响。开挖面局部及整体失稳情况如图1 所示，开挖面整体失稳坍塌至地面过程如图2 所示。

图1 开挖面局部及整体失稳情况

图2 开挖面整体失稳坍塌至地面过程

地下水水量丰富，透水性强，渗透系数大。地下水位较高时，盾构机通过掘削土压和排土设备的调节无法实现水土压力平衡。

2 富水砂卵石地层盾构法施工对策

2.1 富水砂卵石地层盾构机选型及适应性改造

2.1.1 盾构机选型及适应性改造具体措施

为应对砂卵石地层掘进中易出现的困难，在盾构机设计、制造、选型阶段进行了针对性设计，具体如下。

刀盘设计以排为主，破碎为辅，提高刀盘开口率至36%，确保渣土的顺利进仓。依据线速度及等寿命原则，切削区域的刀具轨迹采用了阿基米德螺旋线布置，针对砂卵石地层存在大块卵石及漂石，将刀尖距设定为90～100 mm。适当减少滚刀数量，最大限度地发挥刮刀作用。

提升盾构机处理大粒径卵石和漂石的能力，布置大量的滚刀，同时组合配置齿刀、刮刀、羊角刀。为保证刀具的使用寿命，采取以下措施：①加宽刀刃的厚度，提高其耐磨性。将刀刃宽由22 mm 增加到28 mm，在增加耐磨性同时提高了其抗冲击能力，提高了刀圈的使用寿命。②改良了刀刃的材质，进一步增加刀刃的耐磨性。通过在刀圈材料成分中适当提高钒、钨、铬等合金元素的含量，提高了其抗冲击和抗磨性[13]。③增加刀刃高度，提高刀具的极限磨损量。单刃滚刀由原来的17 in 改为18 in（1 in≈2.54 cm），极限磨损量由22 mm 增大到57.7 mm，边缘滚刀由原来的15 mm 增加至22 mm，明显提高了刀具使用寿命。

为防止刀盘结泥饼、减少刀盘刀具磨损，主要采用改良泡沫系统和膨润土系统。调整土仓内土体塑性流动性，在卵石表面充分包裹泥浆，减轻其对刀盘、刀具的磨损。

刀高差应大于35 mm，当刀高差过小时，会造成掘进速度低，参数异常。

刀盘开孔及棱角处和刀盘环梁应做倒角处理，以提升渣土的流动性。

随着渣土改良和刀盘技术的提升，原先配置在刀盘正面用于滚刀磨损后仍能正常掘进的撕裂刀存在的必要性已大大降低。刀盘的正面撕裂刀可以割除，切除后降低了刀盘的扭矩，可降低500～1 000 kN·m，同时也可提高了渣土的流动性。

2.1.2 地铁3 号线二、三期盾构机改造具体参数

根据上述原则，地铁3 号线二、三期投入实际施工的盾构机配置如下。

采用中铁装备集团生产的CTE6250 土压平衡盾构机，刀盘开挖直径为6 280 mm，开口率提高至36%，设2 个膨润土口，4 个泡沫口，4 个主动搅拌臂，以提高土仓内的渣土的流动性。盾构机最大推力3 991 t，驱动采用液压驱动，额定扭矩6 650 kN·m，脱困扭矩8 100 kN·m。在刀盘上共设置中心单刃滚刀32 把，双联滚刀4 把，刮刀32 把，边刮刀8 把，焊接撕裂刀23把，与滚刀同轨迹喷口保护刀6 把，大圈环保护刀24 把。

单刃滚刀高度为187.7 mm，中心双联滚刀高度为175 mm，刮刀高度为130 mm，焊接撕裂刀高度为150 mm，滚刀为砂卵石地层主要的开挖刀具，刮刀是将切削下来的渣土送进土仓中，焊接撕裂一方面用于刀切削掌子面，另一方面也要保护滚刀轴承。

为适应砂卵石地层较大粒径渣土通过，采用Φ800 mm×125 000 mm 轴式螺旋机，最大通过粒径Φ300 mm×560 mm。刀盘结构如图3 所示。

图3 刀盘结构图

2.1.3 实际工效对比

成都地铁3 号线二、三期工程线路全长29.535 km，其中地下线24.025 km，地下线主要采用盾构法施工。其中砂卵石地层占线路总长的85%，总共17 个盾构区间，27 台盾构机，设计管片共26 453 环。通过上述技术措施，工程共耗时13 个月。单机平均进度为4.97 环/d，149 环/月。

2.2 富水砂卵石地层盾构机掘进关键参数控制

2.2.1 盾构机掘进关键参数控制

掘进参数是盾构施工过程的信息化反馈，在砂卵石地层中，掘进参数显得尤为重要，通过不断地总结和摸索，总结出如下参数。

土压：上部土压一般控制在0.6～0.8 bar，并根据覆土厚度、水文地质条件实时进行相应的调整，原则上不低于0.6 bar，过程中控制欠压。

刀盘转速及贯入度：刀盘转速一般控制在1.2～1.5 r/min，刀盘贯入度一般在40～50 mm，掘进速度可控制在40～70 mm/min。

刀盘扭矩：掘进过程中扭矩应控制在3 500～5 000 kN·m，在扭矩无特殊情况下超过5 500 kN·m 时，应提高警惕，观察土压变化，判断前方是否出现了超方。

总推力：砂卵石地层盾构推力一般控制在9 000～13 000 kN 之间，过大的推力可导致扭矩大幅增加，刀具磨损加剧。铰接压力油压控制在60～80 bar。

2.2.2 成都富水砂卵石地层盾构掘进关键参数总结

根据近年来的掘进经验总结，在富水砂卵石地层中的掘进参数如表1 所示。掘进的基本原则是“合理欠压、重视渣土改良，优化设备”。掘进中要注意掘进参数的变化情况，尤其是刀盘扭矩的变化，如果突然增大或持续在高位，则需判断是否是有刀盘结饼、卡刀盘、渣土改良异常等情况的发生，并采取相应的处理措施。

表1 富水砂卵石常规掘进参数表

2.2.3 砂卵石地层超方后处理措施总结

对于盾构施工出渣超出正常量3 m3以上的地段，必须停止施工，探测寻找空洞，一般选取在超方地段刀盘对应位置后1 m 寻找空洞，若无，可扩大范围。探测出空洞后采取如表2 所示的处理措施。盾构施工过程中应对所有超方地段进行详细记录，并加强后期监测。

表2 砂卵石地层出渣超方后处理措施表

2.3 成都富水砂卵石地层盾构施工地层变形规律研究

结合成都地铁已建和在建地铁盾构施工情况，根据现场实测数据，分析总结成都富水砂卵石地层土压平衡盾构施工引起地层沉降变形规律。得出以下相关结论与建议。

第一，对盾构隧道上方地表沉降的监测数据整体分析，96.5%的地表沉降测点沉降累计值小于18 mm，施工监测预警控制值宜设为18 mm。

第二，沉降影响范围。盾构隧道上方地表沉降的影响范围分布在隧道中线两侧一定范围内，形成沿隧道走向的一个沉降带，砂卵石地层掘进盾构隧道时地表沉降沿隧道横向的主要影响范围可以用以下公式估算，为确定隧道周边预加固范围提供依据。

地表沉降沿隧道横向的主要影响范围计算公式为：

式（1）中：L为到隧道中线的水平距离；H为隧道埋深；D为隧道直径；φ为砂卵石地层的内摩擦角。

沿隧道纵向测点到刀盘距离15 m范围内测点沉降变化明显，测点到刀盘距离大于15 m 以后地表沉降趋缓，重点关注刀盘位置到盾尾后面15 m 这段距离内地表变形情况。

第三，地层沉降的特点。地层沉降具有以下特点：①即时性、瞬变。当盾构掘进过程中出现超方和注浆加固不彻底时，盾构机掘进造成的地层损失会立即反应到地表，同一监测横断面上各点沉降数据变化同步；地表沉降测点从开始沉降到数据变化稳定所经历的时间很短，反映出砂卵石地层沉降变化灵敏、变形稳定快、没有蠕变现象的特点。②滞后性。盾构掘进过程中产生的地层损失引起的地层沉降是呈层状沉降的；下方地层土体被移除后，盾构机上方的砂卵石以点对点的接触形式在盾构隧道上方会形成临时平衡拱，拱上方的土体暂时不会产生新的沉降。

第四，地质情况对地表沉降的影响。在细粒砂卵石层和粗粒砂卵石层混合的地层，细粒砂卵石层越厚，地表沉降值越大；粗粒砂卵石地层地表沉降越小，卵石粒径越大，越容易形成平衡拱，能有效减小地层变形上移，但同时留下空洞，存在安全隐患。砂卵石地层内摩擦角越大，地表沉降相应减小。

第五，做好信息化施工，充分发挥施工监测工作的作用。在砂卵石地层掘进盾构隧道，应严格按规范和设计文件要求做好施工监测工作，盾构推过后应按时进行滞后沉降监测，及时准确地反馈地层变形信息，加强预警工作管理。由于施工监测为地铁盾构施工提供了良好的预警作用，施工单位根据预警信息及时采取了针对性措施，避免了不良的社会影响和减小经济损失。砂卵石地层盾构施工区间如图4 所示。

图4 砂卵石地层盾构施工区间图

3 结论与讨论

在盾构机设计、制造、选型阶段进行了针对性设计，调整格栅布置和刀具配置。盾构机进场前应根据成都地层进行设计，严格控制刀盘开盘开孔率、刀高差、刀盘额定扭矩等参数。

推进过程中加强对渣样的观察，重点关注泥浆对卵石的包裹情况，避免出现卵石与水土分离。

通过对富水砂卵石地层的渣土改良，形成非渗透性和流塑性的渣土，增强渣土的流动性，减少卵石土对刀盘、刀具的磨损。

根据施工总结，对超方量大于3 m3的地段，必须立即停止施工，寻找空洞，一般选取在超方地段刀盘对应位置后1 m 寻找空洞；若无，可扩大范围。找到空洞后，需首先判断空洞距刀盘的垂直厚度。如果厚度小于5 m，必须对空洞底部进行填砂处理，后进行灌注混凝土；如果大于5 m 以上，可直接灌注混凝土。灌注之前，盾构机仓内和中盾径向孔可提前注入适量膨润土，避免混凝土进入土仓内，同时保护盾构机，防止盾构机被砂浆包裹。灌注期间密切关注土仓土压变化。待混凝土凝固后，恢复掘进，恢复掘进前需空推10 cm 左右，避免仓内过空，导致再次垮塌。对于超方量小于3 m3的地段，加强监测，待盾尾通过后及时对地表进行注浆处理，注意对注浆压力的控制，避免浆液注入土仓内。