盾构穿越复杂地质过程中的渣土改良及参数控制

盾构穿越复杂地质过程中的渣土改良及参数控制

刘志朝

中铁六局集团有限公司，北京 100000；

摘要：目前盾构法已在地铁施工中得到了广泛的应用，以深圳地区为例，地铁四期工程建设中90%以上的隧道采用了盾构法施工。本文针对深圳某地铁区间穿越孤石、基岩突起、无基础民房土压平衡盾构掘进，采用泡沫、膨润土及克泥效等添加剂进行渣土改良，并根据多年在深圳地铁施工中的经验对参数进行合理控制，获得较为理想的效果，可为类似地层盾构隧道施工提供参考或借鉴。

关键词：盾构；孤石；上软下硬；民房

1 引言

目前，我国不仅各一线城市正在修筑地铁，各二三线城市也均有地铁在建设或施工的规划。在地铁施工中隧道施工是危险较大的施工功法，矿山法、新奥法在施工中不仅环境恶劣，而且施工速度慢，不满足城市快速发展的工期要求。而盾构法不仅施工速度快，而且同时兼具安全性、经济性、环保性等特点。本文针对深圳某地铁穿越孤石、基岩突起、无基础民房平衡盾构掘进，采用泡沫、膨润土及克泥效等添加剂进行渣土改良，获得较为理想的改良方案，并根据多年在深圳地铁施工中的经验对参数进行合理控制，可为类似地层盾构隧道施工提供参考或借鉴。

2 工程概况

深圳某地铁区间隧道总长约650米，区间最大坡度为28.34‰，隧道拱顶最小埋深为12.86m~20.18m，位于城中村下方，地表建筑物密集，主要为多层及低层房屋，局部残损破败严重，施工控制要求高。据勘察报告可知，区间穿越地层主要为花岗岩地层，大部分为全风化和强风化花岗岩，局部为中风化和微风化花岗岩，地层中存在孤石及基岩隆起（如图1所示）。区间详勘共钻孔49处，其中21处存在球状风化体，2处基岩隆起；孤石直径1-5m不等，基岩最大侵入隧道5.7m，长度32.1m。微风化花岗岩饱和单轴抗压强度最大为114.2Mpa ，平均值为87.2Mpa。根据其赋存介质的类型，区间地下水主要有二种类型：一是松散岩类孔隙水，主要赋存于第四系松散岩土层中；另一类为基岩裂隙水，主要赋存于块状强风化、中等风化带中，略具承压性。对盾构掘进的参数控制有极大影响，施工中易发生涌水、卡刀、坍塌等现象，盾构施工风险极大。

民房段

（图一）

3 渣土改良添加剂的选定

3.1渣土改良

区间隧道洞身主要穿越地层为砾质粘性土、全风化花岗岩、中风化花岗岩，局部含微风化孤石及基岩隆起，为了防止产生泥饼、增强渣土和易性，掘进过程中注入泡沫，在含水量高地层时注入膨润土或“克泥效”。

通过调节掘进速度和螺旋输送机的转速来控制出渣量，防止冒顶，保护上部地层的稳定。在施工中随时对渣土温度、渣土砂石的含量判断所掘地层的岩性。渣温的控制是指通过对渣土温度的感知了解刀具的工作环境，同时指导渣土改良，对刀具进行保护。

各种改良剂的性能指标表

3.2添加剂用量确定

根据国内外成功的施工经验，本工程拟采用在膨润土浆液基础上加泡沫剂，其效果比单独改良有很大改善：显著降低刀盘、螺旋输送机的油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻地层对盾构设备的磨损，提高掘进速度和设备的使用寿命。

根据深圳地质情况，初步拟定改良剂添加率20～35%。如按25%（即切削1 m³ 渣土需注入250 L）计算，膨润土浆液为2400～4000L/环、泡沫量为6500～7000L/环。

膨润土泥浆配合比为水：膨润土：外加剂=10∶1∶0.2，膨润土为优质的钠基膨润土，外加剂为碱、CMC及超流化剂DAV等，泥浆坍落度控制在20cm以内。

泡沫剂：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液；泡沫溶液的组成为泡沫添加剂3%、水97%。本工程所用泡沫剂粘度不低于0.1Pa·s。

考虑到本工程掘进施工过程中要降低渣土对刀具磨损、降低刀盘扭矩、螺旋输送机的磨损，防止喷涌，采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入膨润土、泡沫混合物的方法来改良渣土。并增加对螺旋输送机内注入量，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。过程中根据膨润土、泡沫改良效果和地质情况及时进行配比调整。

4 盾构机参数设置

4.1土仓压力理论计算

根据区间隧道埋深、地下水位高度及地层状况确定盾构掘进过程中土仓压力，理论计算公式如下：

P=P1＋P2＋P3 =γw·h＋K₀·[(γ-γ_w)·h+γ·（H-h）]＋15

P：土仓压力 (kPa)； P1：地下水压力(kPa)；

P2：静止土压力(kPa)；P3：预备压力 （取15KPa）；

γw：水的容重(kN/m3)；h：地下水位以下的隧道埋深（算至隧道中心）(m)；

K₀：侧向土压力系数；

γ：全风化花岗岩的天然密度(18.5kN/m3)；H：隧道埋深(m)。

根据设计图纸数据，隧道埋深度取H=12.87m，地下水位以下的隧道埋深取h=8.37m。侧向土压力系数K₀=0.39，全风化花岗岩的天然密度γ=18.5kN/m³，水的容重γw=10kN/m³。代入公式P=P1＋P2＋P3 =γw·h＋K₀·[(γ-γ_w)·h+γ·(H-h)]＋15，则：土压为158.91KPa。

上述土压计算仅以始发端头为例，掘进过程中拟定土仓压力取值范围为：1~2bar，并且根据监测数据反馈情况进行优化调整。

4.2地面沉降与土仓压力关系及调整措施

掘进过程中根据地质和埋深情况以及地表沉降监测信息进行反馈和调整优化。

地表沉降与土仓压力关系以及相应措施与对策

4.3盾构掘进姿态调整与纠偏

在区间施工中，由于地质不断变化或补堪不明确等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过合理设计轴线；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。

（1）参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。

（2）在急弯和变坡段，必要时可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖来纠偏。

（3）当滚动超限时，盾构机会自动报警，此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

4.4推进速度及刀盘转速

盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速与盾构机的性能密切相关，同时也受工程地质及水文地质条件的影响。试掘进阶段可对各种参数进行对比，调整推进速度与推力、刀盘转速与扭矩的关系式，定出推进速度和转速的范围。

正常掘进阶段，推进速度拟定为30～45mm/min，刀盘转速拟定在0.9～1.2r/min范围内。

4.5出渣量控制

本工程使用的管片外径为6000mm，环宽为1500mm。

V=πL (d/2)² （d—刀盘直径；L—管片环宽）

刀盘的直径为6280mm，每环的出土量：46.44立方；

根据深圳地区相似地层施工经验，地层松散系数按1.3考虑，即每环出渣量方量按1.3*44.6=58m³进行控制，重量考虑到刀盘膨润土和泡沫渣土改良，并监测本区间出土的实时密度，利用龙门吊称重系统，核算实际出渣量。在掘进过程中，必须严格控制每环的出土量，并作好记录。

结语

综上所述，地铁作为城市现代化的标志性设施，以其快捷、便利、承载量大等特点成为了当今社会不可缺少的交通工具。盾构法施工以其经济性、环保性、安全性也成为了地铁隧道建设的主要施工工法，为了确保地铁盾构穿越孤石、基岩突起、民房等区域的安全，地铁盾构施工人员可以从渣土改良、优化参数、提前处理等几个方面入手，加强施工中参数控制，严格控制出渣量，以及施工过程中的施工组织，避免长时间停机等，才能有效控制地表及周边建筑物沉降，保证周边居民的生命财产安全，盾构施工工法在今后的地铁施工中将得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 刘健. 试论地铁复杂地质条件的盾构施工技术研究[J]. 科技与企业, 2016(3):131-131.

[2] 余梓. 地铁复杂地质条件的盾构施工技术分析[J]. 科技创新导报, 2017(28):42+44.

[3] 杨国龙,林辉,颜波等.富水软弱地层EBP盾构掘进土质改良与舱土压力控制研究[J].广东土木与建筑,2011(7):46-48