盾构穿越全断面砂层及钙质结核区关键施工技术

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。

Abstract： With the increasing maturity of shield technology， various stratums may be met in shield tunnel construction. This paper discusses the objective and scientific technical measures for crossing section area of sand and calcareous nodules in the shield tunnel construction.

关键词：地铁隧道；盾构法；砂层；钙质结核；施工技术

Key words： subway tunnel；shield；sand；calcareous nodules；construction technology

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）16-0115-03

0 引言

砂石地层及钙质结核层是一种典型的力学不稳定地层，盾构在砂层及钙质结核区掘进时土体塑流性差，刀盘及螺旋输送机磨损严重，开挖面土压平衡不易保持，容易崩塌。盾构如何安全、快速地穿越全断面砂层及钙质结核区一直是地铁盾构法施工的重点和难点。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9.6m～16.3m，中间设1处联络通道。

盾构隧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至碧沙岗站过站，经由碧沙岗车站西端头始发沿建设西路向西延伸进入桐柏路车站。

1.2 地质情况

郑州地铁一号线碧沙岗站～郑州大学站盾构区间地层从上到下主要有：1-1层（Q4ml）杂填土；2-4层（Q4al）粉土，3-1层（Q3al）粉土，3-2层（Q3al）粉土，3-3层（Q3al）粉砂，4-1层（Q3al+pl）粉土，4-5-2层（Q3al+pl）粉土，4-5-3层（Q3al+pl）粉土，4-6-1层（Q3al+pl）粉土，5-1层（Q2al+pl）粉质粘土，5-2层（Q2al+pl）粉质粘土，6-1-1层（Q2al+pl）粉质粘土，6-1-1层（Q2al+pl）粉质粘土。（图2）

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2.5～3m，多年变幅4～5m，因此确定本场地最高水位埋深为10.0m，含水层岩性以粉土为主，主要接受大量降雨及侧向迳流补给，主在消耗于人工开采。

2 工程特点、重点、难点

由于砂层塑流性、止水性差，在掘进中会产生排土不畅或造成砂层固结，引起土仓土压不稳定以及推力增大，为了防止这种现象出现，采用以下措施：①为了防止“砂层塑流性差”现象的发生，在刀盘面板上设置了6个添加剂注入孔，配置了自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面添加泡沫、膨润土和聚合物，改善碴土的流动性、止水性。②在易发生流砂、管涌、液化的土层中施工时，掺加泡沫能够有效地改善砂土的渗透性，增强其保水性和流动性（和易性）。③在刀盘上设置4个搅拌棒，土仓胸板上设置2个搅拌棒，在刀盘旋转转臂及搅拌棒及土仓胸板固定搅拌棒的搅拌作用下使碴土与添加材料充分搅拌混合，使碴土具有很好的塑流性，利于出土。④在土仓内上下左右配置了4个具有高灵敏度的压力传感器，掘进中要注意土仓中土压力控制，防止由于土压力的失稳从而引起螺旋机喷发和开挖面失稳，引起地面沉降。

3 实际施工参数及方法

3.1 设备保障

3.1.1 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：①驱动动力系统，如电机、液压马达、高压油管等。②电气控制系统中的电磁阀、接触器以及传感器。③注浆系统，检修注浆泵、清通注浆管路，使之保持畅通。④渣土改良装置，检修泡沫泵、水泵，清通管路，使之保持畅通。⑤运输系统，含皮带机及电瓶车。设置挡泥板板，改进皮带运输机，使之少落泥；维修电瓶车刹车系统，保证刹车灵敏。⑥检查铰接密封、盾尾密封，保证各部位具有良好的密封性能。

3.1.2 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。①每环掘进结束后及时清洗注浆管，保证注浆管路的畅通。②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。③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。

3.1.3 改善砂层的塑流性、止水性的结构及措施

为了改善砂层掘进中碴土的塑流性、止水性差，采用以下结构及措施：①配置自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，改善碴土的流动性。②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。③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。④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。

3.2 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：

①全断面砂层盾构推力与扭矩明显增大，掘进推力：28000kN～34500kN，刀盘扭矩：2000kN·m～3200kN·m，刀盘转速：0.8rpm/min。推进速度在25～30mm/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3、图4）

②土仓压力：推进过程中上部土仓压力建立在0.16 MPa～0.18MPa，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1～3mm。（图5）

③注浆量和注浆压力：每掘进一环的注浆量为5.5m3～6.05m3。充盈系数约1.55。

④掘进速度：盾构机过砂层段时，掘进速度保持在25～30mm/min。

⑤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50m3～55m3。

3.3 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，对路面环境的影响很小。

4.2 土体改良情况

通过室内试验和实际应用及监测结果表明：泡沫和膨润土同时使用不仅可以改良全断面粉细砂层的流动性，而且降低了渗透性，既有利于防止喷涌、防止闭塞，通过大量膨润土的注入又降低了地层的空隙，减少了泡沫的消散和损失，保证了仓压的稳定很好的控制了地面沉降。聚合物的使用对喷涌、结泥饼、土塞的问题，在短时间内能起到立竿见影的作用，但由于聚合物较为昂贵，因此正常掘进情况下不使用。可备一部分作为应急物资在喷涌、结泥饼和土塞的事故发生后的应急处理用。

5 结语

本文结合上述各工程，对盾构穿越全断面砂层及钙质结核区关键施工技术进行的一些简单的介绍，对于维持砂层稳定，防止地层崩塌有明显的效果。由于我国的地下工程正处于发展阶段，许多技术还不够成熟，许多经验还不够完善，而且我国各地地质条件相差较大。所以不同工程在借鉴以前工程的基础上，同时要结合自身的一些特点，选择合理、合适的施工方法。保证工程的安全性、经济性、适用性。

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