柳成铭（甘肃铁科建设工程咨询有限公司；甘肃兰州730000）



砂卵石地层土压平衡盾构掘进技术浅谈

柳成铭
（甘肃铁科建设工程咨询有限公司；甘肃兰州730000）

摘要：随着地铁建设的蓬勃发展，土压平衡盾构机在全国得到了较为广泛的应用，但伴随而来的却是盾构掘进过程中遇到的地质情况越来越复杂，如果土压平衡盾构施工过程中不能进行很好的控制，极可能对周边环境产生较大影响，造成严重的后果和不良社会影响。兰州轨道1号线土门墩～西客站区间在掘进施工过程中采用“泡沫剂+膨润土+保压”掘进技术，有效地解决了盾构掘进过程中造成地表及建构筑物沉降过大、刀盘及螺旋机卡死、刀具磨损过大、刀盘扭矩及盾构机推力过大等问题，确保了该区间一次性顺利完成掘进，取得了良好的经济和社会效益。

关键词：土压平衡盾构机；泡沫剂；膨润土；保压；砂卵石层

1　概述

兰州地铁的地质条件是中国也是世界上目前碰到的最复杂最不利的全断面卵石地层：卵石含量特高、石英含量特多、水压大、卵石地层含水自立性差，不明人防孔洞较多，地勘孔不稳定性高。如果在土压平衡盾构施工过程中不能进行很好的控制，将会造成盾构机推力及刀盘扭矩超限跳停，甚至刀盘及螺旋机卡死等严重问题，导致盾构机无法正常掘进，造成开挖面失稳，影响周围地面建构筑物、地下管线及隧道本身的正常使用。

本区间盾构主要穿越地层为2～10卵石层，其特性为青灰色～杂色，亚圆形，粒径20～40mm的颗粒约占10%～20%，粒径40～60mm的颗粒约占15% ～30%，粒径大于60mm的颗粒含量约占20%～30%，最大粒径可达70cm，级配不良，磨圆度较好，球度差，主要成分为石英岩、花岗岩、花岗片麻岩等硬质岩石，砂土充填，上部粒径较小，含砂量较大，随深度增加粒径增大，密实度提高，夹漂石。场区地下水潜水位埋深15.00～18.70m，砂卵石层是主要的含水层，据区域地质资料，卵石层厚度大于200m。

2　砂卵石地层盾构掘进控制措施

由于该地层卵石含量高、卵石粒径分布不均，开挖掌子面土体自立性极差，在掘进过程中极易造成刀盘及螺旋机卡死、刀具磨损严重等问题。为了避免卡机或者换刀事件发生，在掘进施工控制过程中采用“泡沫剂+膨润土+欠压”掘进技术，能有效的改良盾构工作面土体，在掘进过程中还能有效地预防和控制喷涌现象，同时达到保护刀盘、刀具的目的。

2.1仅注入泡沫剂进行渣土改良

泡沫剂在盾构掘进中的作用：

1)加注泡沫剂能减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，降低刀盘所需的驱动功率。

2)减少刀具的磨损和堵塞，起到一定润滑和冷却作用，同时还可以减小对盾构机排渣系统中易损件的磨损。

3)泡沫剂的持续加注能保证土仓内的土压力，提高隧道开挖面的稳定性,同时也可防止水从土壤疏松的地方渗入。

土西区间右线在+1环～+50环掘进过程中，利用泡沫剂进行渣土改良，泡沫参数：原液配合比2.0～3.5，流量400L/min，发泡率13～15，4根管路注入，原液用量每环约100L。通过现场试验发现，加注泡沫剂后，能大大降低刀盘的扭矩、提高掘进速率。但是泡沫剂在砂卵石地层中极易带走细砂粒，大量卵石沉积在土仓并板结，造成土仓内下部土压传感器土压值持续升高，严重时出现刀盘卡死。

（1）问题描述。在正常推进完成第29环后进行管片拼装，第30环推进时刀盘扭矩过高跳停，只能左右旋转5°。

（2）处理措施。螺旋机高速出土，将仓内可排渣土出空。

土仓壁接同步注浆管路，利用同步注浆泵向土仓冲注高浓度膨润土。

待仓内压力维持稳定0bar后，开人仓门，利用高压水枪通过人仓门自上而下将成拱卵石冲刷至土仓底部，同时螺旋机继续出土，最终将土仓出空。多次正反转刀盘后，正常启动。

3）原因分析。由于该地质卵石含量极高且大粒径卵石较多，在掘进过程中泡沫剂带走大量细砂粒，土仓内大量卵石堆积成拱，形成较为致密的卵石骨架结构，以致刀盘不能旋转。

2．2仅注入膨润土进行渣土改良

膨润土由于具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。土压平衡式盾构施工对加入的膨润土泥浆的一个基本要求就是它能够形成“滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转化为土颗粒和土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层防止推进中的地面塌陷至关重要。

土西区间+100～+150环在掘进过程中注入膨润土浆液，浆液采用水：膨润土为1:0.2的质量配合比拌制，膨化时间为24h；膨润土膨化后比重为1.08，粘度为23s，注入率120L/min。由于掘进时膨润土注入到掌子面的流量有限，不能完全对刀盘前方土体进行改良，盾构掘进过程中推力和扭矩非常大甚至刀盘跳停，推进速度极为缓慢，甚至低至10mm以内。因掘进速度缓慢，刀盘长时间转动对地层扰动极大，易造成地面及周边建构筑物沉降变形。

2．3用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，同时保压掘进

综合前150环的渣土改良经验，+151～+200环改良剂调整为膨润土+泡沫剂的混合浆液，膨润土和泡沫剂浆液的配合比维持不变。此段埋深约14m，掘进过程中土仓上部土压保持在1.0bar左右。掘进参数统计见表1。

表1　155～200环质构掘进参数

采用饱压参数进行掘进，导致刀盘扭矩过高，掘进速度较慢，盾构推力随着环数增加持续升高。在此地层中，本参数掘进对盾构机刀具磨损将极其严重。土仓内压力过大，出渣时出现喷涌现象，闸门无法全开，螺旋机只能低速转动，大量卵石堆积在土仓和螺旋机内，经常造成刀盘和螺旋机卡死，对地面上建构筑物和地下管线影响非常大。

2．4用膨润土+泡沫剂进行渣土改良，同时欠压掘进

综合前200环掘进经验，掘进参数不断改良优化，最终形成参数为：膨润土浆液采用水：膨润土为1:0.2的质量配合比拌制，膨化时间为24h；膨润土膨化后比重为1.08，粘度为23s，注入率80L/min。泡沫参数：原液配合比3.0～3.5，流量200L/min，发泡率13～15，4根管路注入，原液用量每环约30～40L。土压降低至理论土压的60%～70%左右。利用该渣土改良方法后，部分掘进参数统计见表2。

表2　205～250环盾构掘进参数

经过渣土改良和土压参数优化后，盾构机刀盘扭矩和总推力大幅度较小，掘进速度增加，因螺旋机能高速旋转并顺利出渣，从而避免了螺旋机和刀盘卡死风险；每环渣土采用称重措施，确保每环出土量数据真实准确。同步注浆量为5.7m3（150%）以上，施工过程中每环注入量为6～7.5m3。

渣土改良以泡沫、膨润土组合方式进行渣土改良。膨润土具有膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等，使其能够渗透进入砂砾层，润滑并包裹砂砾，使砂砾具有良好的塑流性。膨润土+泡沫剂混合液能起到润滑土体和使松散的土体聚合在一起，使之具有良好的和易性，便于螺旋机出土顺畅，刀盘扭矩减小。

在掘进过程中膨润土浆液采用水：膨润土为1: 0.2的配合比拌制，膨化时间为24h；膨润土膨化后比重为1.08，粘度为23s。在掘进过程中如遇地层含水量较大出渣较稀导致螺旋机喷涌时，通过聚合物注入系统向土仓壁和螺旋机胴体加注浓度为3‰的高分子聚合物混合液。

3　结语

目前在世界发展的趋势下，当今中国已把地下空间开发利用作为解决城市人口、环境、资源三大危机、实施可持续发展的重要途径。兰州市轨道交通1号线一期砂卵石地层地铁隧道施工中,通过分析地质特征、调研掘进参数、优化施工方案,成功地采用盾构法施工,保证了盾构机安全、连续、快速的推进,顺利通过了各个风险点,解决了工程项目中的难题,提高了工程质量,有效地降低了工程造价,并为砂卵石地层地质条件下盾构法地铁隧道施工提供一定的参考价值。

中图分类号：TQ639.2