張軍榮，曹建輝

（中鐵三局橋隧工程有限公司，四川 成都 610083）

1 工程概況

成都地鐵1號(hào)線三期香—廣隧道區(qū)間右線隧道全長(zhǎng)1393.35m，左線隧道全長(zhǎng)1396.329m。隧道左右線由香山站北端頭始發(fā)后，以25.5‰縱坡下行597m，再以縱坡以6.2‰的繼續(xù)下行穿越天府大道、東山大道后到達(dá)廣福站。軌面埋深約為16.83～44.29m。管片外徑為6000mm，內(nèi)徑為5400mm。區(qū)間隧道穿越少量中風(fēng)化泥巖，大部分地段為全斷面中風(fēng)化砂巖。中等風(fēng)化泥巖：巖芯呈柱狀，巖芯采取率90%～95%，飽和抗壓強(qiáng)度值Rc=1.27-5.33MPa，屬于極軟巖，沿途完整性較好，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。中等風(fēng)化砂巖：沿途較完整，巖芯呈柱狀，錘擊聲脆，局部夾礫石。巖芯采取率90%～95%。飽和抗壓強(qiáng)度值Rc=7.20-15.90MPa，屬于軟巖。巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。地下水按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水，地下水豐富（如圖1所示）。

圖1 香—廣盾構(gòu)區(qū)間隧道縱斷面

2 盾構(gòu)機(jī)配置

區(qū)間左線采用1臺(tái)中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)CET6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)挖直徑Ф6280mm。盾構(gòu)刀盤面板、刀盤周邊和螺旋機(jī)采用復(fù)合鋼板或耐磨塊，以加強(qiáng)耐磨性能。最大推力3700t；額定扭矩6650kN·m。螺旋機(jī)筒體內(nèi)徑800mm，最大通過(guò)粒徑為Φ300×570mm。

2.1 刀盤的布置

根據(jù)香—廣隧道區(qū)間地質(zhì)條件，刀盤設(shè)計(jì)為輻條加面板結(jié)構(gòu)，設(shè)4個(gè)主梁和4個(gè)副梁（面板）的結(jié)構(gòu)形式。刀盤開(kāi)口率36%，中心區(qū)域開(kāi)口率達(dá)到38%。刀盤前面共設(shè)置了6個(gè)添加劑注入口，其中4個(gè)為專用泡沫口，另外2個(gè)為專用的膨潤(rùn)土注入噴口。在磨損較多的部位，如刀盤進(jìn)土口、刀盤開(kāi)挖面、攪拌棒、刀盤邊緣等處，大量堆焊了網(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金，大大提高了刀盤的耐磨性能和使用壽命。

2.2 刀具的布置

刀盤配置4把中心滾刀（8刃）、32把單刃滾刀，滾刀直徑為432mm；邊刮刀8把，刮刀32把，焊接撕裂刀29把，保徑刀8把。切削刀具采用大塊硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)形式刀具。滾刀的刀間距為90mm，刀具采取高低搭配，滾刀伸出量為175mm，刮刀伸出量為130mm。滾刀高出刮刀45mm，以便在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)保護(hù)刮刀，掘進(jìn)中以滾刀先破開(kāi)巖層，刮刀將破碎的巖石刮進(jìn)土倉(cāng)。

3 盾構(gòu)隧道的主要掘進(jìn)技術(shù)

3.1 掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定

砂巖地段盾構(gòu)施工主要掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定原則以保護(hù)刀具為原則，掘進(jìn)參數(shù)的選擇以刀具貫入度為基準(zhǔn)來(lái)控制掘進(jìn)速度和總推力。正常推進(jìn)時(shí)速度宜控制在30mm/min之內(nèi)，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)加快或放慢推進(jìn)速度。在此原則下，對(duì)該區(qū)間砂巖掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定如下：盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在20～40mm/min之間；總推力控制在8000～12000kN之間；刀盤扭矩控制在2000～3200kN·m之間；刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2～1.5r/min之間。

3.2 渣土改良情況

在砂巖段地層掘進(jìn)以滾刀破巖為主，渣土破碎后直徑在2～5cm左右，渣土以塊狀碎石為主。碴土改良應(yīng)從掘進(jìn)管理和設(shè)備配置等方面高度重視。從碴土流動(dòng)的全過(guò)程中分析如何進(jìn)行，刀盤切削開(kāi)挖面，碴土在刀盤面板的運(yùn)動(dòng)情況，碴土流入土倉(cāng)后攪拌改良后，從螺機(jī)排土的全過(guò)程。工程碴土改良方式采用泡沫劑+水的方式，目的是改良渣土的流塑性和和易性?？娠@著降低刀盤、螺旋輸送機(jī)的油壓及盾構(gòu)推力，減小刀盤扭矩，減輕巖塊對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的磨損，提高掘進(jìn)速度和設(shè)備的使用壽命。經(jīng)過(guò)不同配比渣土改良試驗(yàn)，選取2%的泡沫溶液進(jìn)行渣土改良。泡沫組成比例如下：

（1）泡沫溶液：泡沫添加劑2%，水98%。

（2）泡沫：90%～95%壓縮空氣與5%～10%泡沫溶液混合而成。泡沫發(fā)泡率10～14，泡沫注入壓力略大于土倉(cāng)壓力（1.0～1.5bar），泡沫混合液流量按照中心區(qū)200～300L/min，邊緣區(qū)150～200L/min的流量進(jìn)行，泡沫添加劑（原液）每環(huán)用量約0.50～0.75m3（如圖2、圖3所示）。

圖2 刀盤泡沫噴口位置

圖3 中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)參數(shù)

（3）盾構(gòu)司機(jī)通過(guò)渣土的干稀程度確定增減用水量。根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)，主要根據(jù)掘進(jìn)速度來(lái)確定增減用水量。采用“刀盤噴水+膨潤(rùn)土系統(tǒng)加水”的方式8～12m3左右，主要以膨潤(rùn)土系統(tǒng)加水為主，刀盤噴水為輔。

（4）改良的碴土含水率為8.6%～11%，泡沫注入率比不低于60%。根據(jù)碴土在皮帶上流動(dòng)情況，增減泡沫的注入率，建議泡沫注入率比取值60%～100%。

（5）嚴(yán)格關(guān)注泡沫和膨潤(rùn)土噴口堵塞情況。當(dāng)發(fā)生噴口的壓力升高時(shí)，及時(shí)疏通，確保渣土改良效果，從而避免或減輕刀盤結(jié)餅的風(fēng)險(xiǎn)。

4 長(zhǎng)距離大下坡砂巖盾構(gòu)掘進(jìn)存在的主要問(wèn)題分析及應(yīng)對(duì)措施

在自穩(wěn)性強(qiáng)的地層中，盾構(gòu)長(zhǎng)距離下坡施工很多問(wèn)題，如管片脫出盾尾時(shí)上浮進(jìn)而造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損等問(wèn)題嚴(yán)重影響了盾構(gòu)隧道的施工安全及質(zhì)量；盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)不易控制；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤、土倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅和盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌；刀盤刀具磨損大；刀具檢查不及時(shí)，盾體容易被卡??；盾體滾動(dòng)角變化過(guò)快；因盾構(gòu)司機(jī)操作不當(dāng)，盾體旋轉(zhuǎn)從而管片螺栓被剪斷等事故。

4.1 刀具磨損嚴(yán)重

香—廣隧道區(qū)間左右線，多次開(kāi)倉(cāng)換刀。主要原因砂巖的強(qiáng)度與地質(zhì)報(bào)告嚴(yán)重不符，根據(jù)開(kāi)倉(cāng)情況及碴樣中砂巖的硬度測(cè)量，達(dá)到40MPa以上且砂巖中砂砂含量高。長(zhǎng)距離下坡盾構(gòu)掘進(jìn)，碴土改良不易控制，時(shí)常發(fā)生刀盤和土倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅、螺機(jī)噴涌等情況，從而加加劇了刀具的磨損。初裝刀具配置不合理，采用成都地區(qū)加寬刀刃的滾刀。在掘進(jìn)中不斷分析總結(jié)，后改為鑲齒合金滾刀，盾構(gòu)有效掘進(jìn)長(zhǎng)度明確提高。下面以香～廣隧道區(qū)間左線為例分析砂巖中盾構(gòu)刀具磨損情況。

香—廣盾構(gòu)區(qū)間左線從始發(fā)至215環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)基本正常，推力8000～12000kN；掘進(jìn)速度20～40mm/min，刀盤扭矩2000～3200kN·m；第2 1 5～2 4 2環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常，推力13000～15000kN；掘進(jìn)速度10～20mm/min，刀盤扭矩3500～4500kN·m；根據(jù)盾構(gòu)參數(shù)異常情況，在第243環(huán)位置常壓開(kāi)倉(cāng)檢查刀具，中心雙聯(lián)滾刀偏磨、崩刃；正面滾刀有從中心向外徑方向磨損量逐步加大；周邊17寸鑲齒合金滾刀鑲齒無(wú)明顯磨損和脫落，但附焊層磨損嚴(yán)重，明顯磨薄，鑲齒外露。更換中心雙聯(lián)滾刀，刀盤正面滾刀17寸單刃滾刀換為18寸單刃滾刀，更換周邊17寸鑲齒合金滾刀。更換完刀具后盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)正常。

盾構(gòu)掘進(jìn)至395環(huán)時(shí)盾構(gòu)參數(shù)再次異常，刀盤扭矩和推力較大，掘進(jìn)速度10mm/min都很難保證，出渣含水量較大時(shí)常產(chǎn)生“噴涌”現(xiàn)象，渣樣中巖石強(qiáng)度達(dá)40MPa以上。本次常壓開(kāi)倉(cāng)檢查刀具情況中心雙聯(lián)滾刀偏磨、崩刃；正面滾刀磨損嚴(yán)重，磨損速度很快；最大磨損量26mm，有崩刃、偏磨等情況；周邊鑲齒合金滾刀敷焊層磨損嚴(yán)重，刀具磨損也均大于15mm，有掉齒現(xiàn)象；本次換刀距上次換刀盾構(gòu)掘進(jìn)160環(huán)，盾構(gòu)參數(shù)和開(kāi)倉(cāng)檢查刀具情況分析，上次換刀在刀具的選擇上不是很好，采用刀刃寬30mm的18寸滾刀沒(méi)有有效提高刀具的掘進(jìn)里程，相比較初裝刀17寸滾刀有效掘進(jìn)里程減少了120m，說(shuō)明加寬刀刃滾刀不適應(yīng)石英含量較高的砂巖掘進(jìn)。

4.2 管片上浮的原因分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中管片上浮是一個(gè)綜合性的問(wèn)題，管片上浮繼而造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損等問(wèn)題，并且影響盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)參數(shù)。管片上浮形成的因素很多，如工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、同步注漿質(zhì)量、盾構(gòu)姿態(tài)、管片選型等。各因素又是相互影響，應(yīng)當(dāng)綜合分析管片上浮的原因。

（1）就香—廣盾構(gòu)區(qū)間而言，全斷面砂巖地層，地層自穩(wěn)好，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程時(shí)圍巖收斂變形小。圍巖與管片外側(cè)存在14cm的空隙，為管片上浮提供了空間。

（2）管片脫出盾尾后，管片背后充滿了砂漿液體的浮力大于管片的自重。經(jīng)計(jì)算，每環(huán)管片的浮力近380kN，會(huì)造成管片上浮。在管片脫出盾尾后，上浮逐漸加大，在脫出盾尾5～6環(huán)左右達(dá)到最大值，上浮量在12～14cm左右。

（3）由于線路縱坡為2.55%的下坡，管片頂部的漿液不飽滿，管片背后的地下水向刀盤前方流動(dòng)，將漿液稀釋并流入土倉(cāng)。影響同步漿液質(zhì)量和初凝時(shí)間。

（4）在盾構(gòu)掘進(jìn)中，保持盾構(gòu)機(jī)的趨勢(shì)才能更好的控制盾構(gòu)姿態(tài)。因盾構(gòu)的前部比后部重，在大下坡施工時(shí)盾構(gòu)的趨勢(shì)比其它情況大。一般情況下，通過(guò)加大上、下部分區(qū)推進(jìn)油缸壓力差達(dá)到保持盾構(gòu)趨勢(shì)的目的。上下油缸的壓力差對(duì)管片產(chǎn)生一個(gè)使管片轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶，從而管片受力加劇了管片的上浮。

管片上浮應(yīng)對(duì)措施：

（1）在掘進(jìn)中，將盾構(gòu)姿態(tài)下調(diào)5～6cm，以抵消管片上浮造成的軸線偏位。

（2）漿液質(zhì)量對(duì)隧道成型管片的質(zhì)量影響較大，漿液的初凝時(shí)間控制在5～8h以內(nèi)，漿液比重控制在1.75以上。漿液的注入率為120%～140%，本區(qū)間平均漿液的注入量為3m3/m。表1是本區(qū)間漿注的配合比。

（3）漿液注入方式對(duì)隧道成型管片上浮影響較大，所以在掘進(jìn)中對(duì)注漿工藝要嚴(yán)格。同步注漿采用雙控即注漿壓力和注漿量。采用上部2根注漿管多注漿，下部2根注漿管少注漿，使?jié){液在管片背后從管片上部流到下部。注漿壓力控制在0.2～0.25MPa。密切觀注注漿壓力，壓力過(guò)大則會(huì)擊穿盾尾刷而漏漿。

表1 漿注配合比

（4）在拖出盾尾第2環(huán)管片頂部10～2點(diǎn)鐘位置吊裝孔處注漿雙液漿，注漿壓力控制在0.2～0.4MPa，漿液為水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃（40波美度）與水按1∶1稀釋，初凝時(shí)間為20s，以便盡快固定管片。

（5）加強(qiáng)管片螺栓的緊固工作。采用氣動(dòng)扳手用于螺栓緊固，緊固力必須達(dá)到該級(jí)螺栓要求的緊固力，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)螺栓的復(fù)緊工作。

（6）加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的控制，盾構(gòu)糾偏要不能過(guò)急、過(guò)大，以免加劇千斤頂油缸壓力差，嚴(yán)重造成管片環(huán)面受力不均。

4.3 盾構(gòu)機(jī)施工姿態(tài)

盾構(gòu)施工中，影響盾構(gòu)姿態(tài)的因素較多，如復(fù)合地層、刀具選擇不合理、線路坡度、掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)趨勢(shì)控制不好、管片選型不合理等。但在硬巖長(zhǎng)距離下坡工況中，管片的上浮對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)影響較大。

管片背后漿液沒(méi)有固結(jié)，對(duì)成型管片產(chǎn)生一個(gè)浮力，從而使管片向上移動(dòng)，由于管片的移動(dòng)減小上部盾尾間隙，同時(shí)管片上浮使盾尾也向上移動(dòng)，使盾尾鉸接下部油缸伸長(zhǎng)，盾尾上翹，使盾構(gòu)刀盤下壓。大下坡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)保持向上的趨勢(shì)，增加下部推進(jìn)油缸的推力，從而增加了上下油缸的壓力差對(duì)管片產(chǎn)生一個(gè)使管片轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶，從而管片受力加劇了管片的上浮。在施工時(shí)，常常發(fā)生盾構(gòu)成“V”字形掘進(jìn)。

管片上浮使上部盾尾間隙小，上下推進(jìn)油缸行程差大。造成管片選型困難，管片選型是通過(guò)合理的選擇轉(zhuǎn)彎環(huán)，調(diào)整推進(jìn)油缸行程和盾尾間隙。在砂巖中掘進(jìn)，上部間隙小，推進(jìn)油缸下部的行程大，造成管片選型與實(shí)際情況總是相反的，如果補(bǔ)盾尾間隙，則推進(jìn)油缸的下部行程進(jìn)一步增大，如果補(bǔ)推進(jìn)油缸的下部行程，則上部盾尾間隙進(jìn)一步減小。主要的原因是管片上浮，如果管片上浮得到有效控制，則盾構(gòu)姿態(tài)將逐步好轉(zhuǎn)。

4.4 刀盤及土倉(cāng)結(jié)泥餅

香—廣隧道區(qū)間左右線，多次開(kāi)倉(cāng)清理刀盤及土倉(cāng)內(nèi)泥餅。主要原因砂巖硬度較高并且膠結(jié)成分較多；長(zhǎng)距離下坡盾構(gòu)掘進(jìn)，碴土改良不易控制，盾構(gòu)司機(jī)為提高速度加大推力，所以刀盤和土倉(cāng)內(nèi)時(shí)常發(fā)生結(jié)泥餅、螺機(jī)噴涌等情況。在掘進(jìn)中不斷分析總結(jié)，增加刀盤面板的泡沫、水量和刀盤中心區(qū)域高壓水沖洗等。

香—廣盾構(gòu)區(qū)間左線從始發(fā)至160環(huán)時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常。土倉(cāng)壓力忽高忽低；刀盤扭矩4000kN·m；推力最大18000kN；掘進(jìn)速度極為緩慢并且不穩(wěn)定，掘進(jìn)是出現(xiàn)噴涌等現(xiàn)象。后來(lái)開(kāi)倉(cāng)證實(shí)，刀盤面板、土倉(cāng)中心區(qū)域、土倉(cāng)兩腰4～8點(diǎn)位置積有大量泥餅。刀盤面板和土倉(cāng)中心區(qū)域泥餅減小了碴土從刀盤流入土倉(cāng)的面積，從而盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)惡化，刀盤扭矩、總推力大幅增大，推進(jìn)速度減慢，刀具發(fā)生磨損等；土倉(cāng)兩側(cè)4～8點(diǎn)位置積有泥餅，阻礙碴土在土倉(cāng)內(nèi)有的流動(dòng)，造成掘進(jìn)過(guò)程困難，在富水地層誘發(fā)噴涌現(xiàn)象。

4.5 應(yīng)對(duì)措施

（1）在自穩(wěn)定較好的地層，采用開(kāi)敞式掘進(jìn)模式。土倉(cāng)內(nèi)的碴土在刀盤中心以下，但要超過(guò)螺旋輸送機(jī)的進(jìn)土口的高度。刀盤切削下來(lái)的碴土進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)后，較快的被螺旋輸送機(jī)排出。刀盤和螺旋輸送機(jī)扭力較小，掘進(jìn)進(jìn)度快。

（2）合理設(shè)定掘進(jìn)過(guò)程中的土壓（氣壓）。因本區(qū)間是長(zhǎng)距離下坡盾構(gòu)掘進(jìn)，如果土壓力設(shè)定過(guò)低，管片背部的漿液和地下水向刀盤前流動(dòng)，增加碴土改良的難度，漿液流到刀盤面板，易糊住滾刀引起滾刀偏磨。根據(jù)隧道的埋深加大逐步提高上部土壓力（氣壓）。上部土壓力（氣壓）的調(diào)節(jié)是通過(guò)增大泡沫系統(tǒng)的空氣量在實(shí)現(xiàn)的。重點(diǎn)加大中心區(qū)域的泡沫量和空氣量，減少刀盤中心區(qū)域結(jié)泥餅的情況發(fā)生。

（3）中鐵裝備盾構(gòu)在中心土倉(cāng)內(nèi)有5路沖水管路，土倉(cāng)內(nèi)加水改良主要以中心沖水為主。在掘進(jìn)時(shí)，時(shí)時(shí)觀注沖水管路的壓力，若壓力大，管路堵塞及時(shí)進(jìn)行疏通，根據(jù)碴土的干濕程度，調(diào)整中心加水量。

5 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)在長(zhǎng)距離大下坡砂巖地層施工，刀具磨損嚴(yán)重、盾構(gòu)姿態(tài)控制困難、管片上浮、刀盤及土倉(cāng)結(jié)泥餅等特點(diǎn)。盾構(gòu)施工過(guò)程中通常采用敞開(kāi)式掘進(jìn)模式、設(shè)定合理的掘進(jìn)參數(shù)和同步注漿參數(shù)、配置適應(yīng)于砂巖掘進(jìn)的刀具和使用泡沫劑改良碴土等措施，來(lái)解決長(zhǎng)距離砂巖地層掘進(jìn)時(shí)遇到的問(wèn)題。根據(jù)成都地鐵1號(hào)線香—廣隧道區(qū)間左線盾構(gòu)施特點(diǎn)，采用調(diào)整同步漿液質(zhì)量，及時(shí)進(jìn)行二次注漿的方法減少了管片上浮，從而減少了管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象的發(fā)生。2016年10月31日，香—廣盾構(gòu)區(qū)間左線順利貫通?；诒竟こ潭軜?gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一套較為成熟的盾構(gòu)長(zhǎng)距離大下坡砂巖地層的施工技術(shù)方法，為今后類似工程盾構(gòu)施工提供一定的參考依據(jù)。