1、杭州地铁汽高区间全断面圆砾层承压水条件下盾构施工关键技术高广沂摘要：在我国经济体系越发稳定的今天，国内地铁系统的建设速度不断提高。国内各地几乎都在兴建地铁项目，众多且复杂的地质问题成为了地铁建设最大的挑战。杭州地区属于具有高压缩性、低承载力、高灵敏性及高触变性的淤泥质黏土层。但在周边区域，出现了具有承压水作用的全断面圆砾地层，隔水层为上覆的淤泥质土及下卧风化基岩层，主要特点为圆砾石粒径级配差且夹杂粘土，承压水层总厚度较大且水力联系密切。从当前全国施工经验来看属于盾构不适合施工地层，目前在杭州地区对全断面承压水圆砾地层研究成果较少。本文以杭州地铁为例，针对杭州全断面圆砾地层勘察研究成果，并借助于
2、南宁、成都在相似地层的施工经验结合本工程特点，总结了从盾构机选型、刀具配置、掘进参数、渣土改良、沉降控制及端头加固等方面措施，以便为更多业界人士作业提供思路上的支持。Abstract：Today，as Chinas economic system becomes more and more stable，theconstruction speed of the domestic subway system continues toincrease.In almost all over the country，subway projects are underconstruction，and n
3、umerous and complex geological problems havebecome the biggest challenges in subway construction.The Hangzhouarea belongs to silty clay layer with high compressibility，lowbearing capacity，high sensitivity and high thixotropy.However，inthe surrounding area，a full-section boulder formation with confin
4、edwater appears.The water-proof layer is overlying muddy soil andbeneath weathered bedrock layer.The main feature is that the grainsize of the conglomerate is poor and the clay is mixed and the totalthickness of the confined water layer is large and the hydraulicconnection is close.Judging from the
5、current national constructionexperience，the shield is not suitable for construction strata.Atpresent，there are few research results on the full-section confinedwater conglomerate stratum in Hangzhou.This article takes theHangzhou Metro as an example，based on the survey and researchresults of Hangzho
6、us full-section gravel strata，and with the helpof the construction experience of Nanning and Chengdu in similarstrata and combined with the characteristics of this project，summarizes themeasures，such as，the selection of shieldmachine，tool configuration，driving parameters，slagimprovement，settlement c
7、ontrol and end reinforcement，whichprovides thought support for more people in the industry.关键词：地铁项目;承压水圆砾层;盾构机选型;泡沫气泡;地面沉降;端头加固0引 言国内很多城市近些年都在修建地铁项目，尤其是一線、二线城市更是几乎都有地铁工程。在国内地铁数量、地铁规模不断增长的今天人们意识到，不同地区的地质需要用不同的施工思路才能够保障安全。地铁项目本身就是地下工程，施工单位需要在地下环境作业。而面对复杂地质条件，如果缺少合适、合理的施工技术将会遇到很大的施工问题，尤其是质量问题和安全问题。面对这样
8、的背景就需要用到盾构施工方法，提高施工安全性和质量。1杭州地铁全断面圆砾承压水地层工程地质及水文条件1.1 工程概况杭州至富阳城际铁路工程土建施工 SGHF-7 标汽车北站高教路站区间左、右线全长 1118.031m。区间最小平曲线半径 3000m，纵坡为“人”字坡，最小纵坡4.37，最大纵坡 6.5，隧道顶覆土约 6.510.16m。区间左、右线各设一组曲线半径为 3000m 的圆曲线。区间管片为外径 6000mm、内径 5400mm、环宽1200mm，设有“凹凸”榫槽结构形式。1.2 工程地质经地质勘察查明，在盾构区间钻探揭露深度范围内，区间盾构段隧道主要穿越圆砾层，上部局部为淤泥质粘土层
9、，下部局部为全风化、强风化风化岩层。圆砾层的构成和特征分述如下：灰黄、褐黄色，饱和，密实，卵砾石含量 5060%左右，粒径一般为 0.24cm，个别大于 8cm。磨圆度较好，多呈亚圆形、椭圆状，原岩岩性一般为石英砂岩、凝灰岩、花岗岩及其他碎屑岩类为主，粘粒含量 6.5%，充填物具粘着性，土体级配差，分选性差。钻进时钻杆激烈跳动，伴有声响，采用直径为89mm 合金钻头钻进速率一般 410min/m。整个场地都有分布。1.3 水文条件根据区间水文地质资料及钻探揭露：勘探深度范围内地下水类型主要可分为孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于浅（中）部填土层、粘性土、粉土及淤泥质土层中，受大气
10、降水与地下同层侧向径流补给，以竖向蒸发及地下同层侧向径流方式排泄;承压水主要分布于中下部的粘土混圆砾、圆砾、卵石中，含水层总厚度较大。各含水层之间水力联系密切，水量较丰富。本区间圆砾层水平及垂直渗透系数 Kh/V=（8000）10-6cm/s，具有较强的透水性，对盾构施工影响较大;基岩裂隙水埋藏于第四系土层之下，主要赋存于下部基岩风化裂隙内，水量相对微弱，对施工影响较小。2圆砾承压水地层施工重难点2.1 上软下硬姿态难控制，易产生地面沉降甚至坍塌、管片破损及盾构机损坏该区间部分地段存在上软下硬复合地层，盾构机掘进受其影响，姿态极难控制，管片易产生上浮造成管片破损;同时圆砾石粒径级配差，自稳性较
11、差，易产生刀盘前方地面沉降且管片拼装后沉降难以控制，造成地面沉降甚至坍塌。2.2 承压水圆砾地层渣土改良不易控制，易造成螺旋喷涌该区间含承压水富水圆砾层渗透系数大，地下水位较高。若掘进过程中参数控制不当易产生喷涌等渗透变形现象，盾构施工时发生螺旋喷涌，影响施工效率，处理不当可能会造成地面沉降过大甚至地面塌陷。2.3 长距离掘进圆砾及风化岩层，易造成盾构机刀盘、刀具及螺旋机磨损及刀盘结泥饼该区间盾构隧道穿越地层主要为圆砾层、全风花岗岩、强风化花岗岩层，由于圆砾层粒径级配的不均匀性，长距离掘进易对刀盘、刀具及螺旋机造成磨损。且在圆砾层中不具备常压换刀的条件，分化岩层易产生刀盘结泥饼，对施工影响很大
12、。2.4 圆砾地层高压旋喷桩加固质量效果差，易造成洞门涌水涌砂由于大部分端头加固主要采用素墙（连续墙）+旋喷桩加固进行加固。根据地质资料及现场实际勘察表明，该区间含承压水富水圆砾层渗透系数大，地下水位较高，旋喷桩在该类地层中施工无法实现有效的土体切割，部分土体无法被水泥浆置换，使成桩直径缩小，加固质量下降，同时，汽车北站南端头中风化花岗岩施工地墙难度大。故该区间盾构始发接收极易产生洞门涌水涌砂风险，甚至造成地面坍塌。3全断面圆砾地层承压水条件下盾构施工关键技术及措施3.1 盾构机适应性选型及刀盘刀具选择3.1.1 盾构机适应性选型该区间部分地段存在上软下硬复合地层，岩层强度达到 20MPa 以
13、上，优选了复合式土压平衡盾构机。施工选用的盾构机适合于富水卵石、漂石、软硬复合地层、全断面岩层，满足本区间地质情况要求。盾构机开挖直径为 6480mm，最小掘进半径 250m，最大掘进坡度 50，刀盘开口率为 3840%，螺旋机设双闸门结构，可以很好的适配于此地层掘进施工。3.1.2 刀盘刀具选择该区间圆砾地层占比达到 65%左右，风化岩层占比达到 25%左右，粒径小的圆砾及淤泥质土层主要以撕裂刀剥落方式切削，粒径大的圆砾及风化岩层以滚刀挤压破碎方式切削。盾构掘进通过刀盘切削地层挤压剥落为主，滚刀的破岩机理是挤压剥落破岩;在刀圈挤压力作用下，使刀圈两侧岩石产生剪切裂纹而破坏。本工程选用的刀盘基
14、本结构为辐条面板式，4 个主辐条+4 个次辐条+8 个面板结构，刀盘开口率为 3840%，可安装滚刀，滚刀的刀座可实现滚刀与撕裂刀更换。同时具备刀具磨损探测功能。刀盘本体全部采用 Q690 高强度合金钢焊接，其中刀盘法兰整体采用锻造件，提高了刀盘的强度和刚度。本工程选用的刀具中心区配备 4 把中心双联重型撕裂刀、正面区及边缘区配备35 把单刃重型镶齿滚刀（高度 165mm）、64 把刮刀和 16 把边缘刮刀、8 把焊接保径刀。本区间部分穿越为强风化、中风化花岗岩，且需穿越 4 道地连墙，采用重型镶齿刀圈滚刀。重型镶齿滚刀主要靠硬质合金来保证破岩，母材冲击韧性远高于刀圈，可以保证刀圈的冲击韧性，
15、镶齿刀圈上合金钉会切入开挖掌子面，增大滚刀与开挖掌子面的摩擦力，提供满足滚刀转动的扭矩;合金耐磨性远高于普通刀圈材质，延长了刀圈的耐磨损时间，大大增加了滚刀的使用寿命，减少了换刀次数，降低了施工成本。本区间地层主要為圆砾层为主，重型撕裂刀具有良好的贯入能力同时还有耐撞击能力，刀具采用刃口位置倒圆角的大合金形式，两侧采用大合金形式，具有较强的抗冲击性能及耐磨性，也可适用于抗压强度较低的全、强风化岩的破碎及软硬土层的掘进。针对区间地层粉质黏土、圆砾为主对刀具磨损较严重的问题，刀盘外周位置易磨损，设置 8 把保径刀进行保护。3.2 渣土改良3.2.1 泡沫剂等化学材料的渣土改良渣土改良是防止喷涌的有
16、效措施，渣土改良的主要方法是泡沫剂使用，同时应根据掘进情况，必要时使用高分子聚合物配合泡沫剂一起使用，将圆砾层中的小颗粒物质胶结悬浮，填充圆砾之间的空隙，阻碍涌水通道，能起到很好的防喷涌效果。3.2.2 空气与泡沫剂形成的“气泡”作用盾构掘进中往土仓注入一定量的气体与泡沫剂作用，可形成“泡沫气泡”，在实际施工中应充分并重视“泡沫气泡”的作用。在汽高区间盾构掘进施工中，“泡沫气泡”占整个土仓压力的 80%左右，既可以形成比较稳定的土仓压力，又可以改善圆砾渣土的和易性和流动性，并在一定程度上减少了圆砾对刀盘的冲击，减少了盾构机刀盘结泥饼及螺旋机喷涌，对整个承压水圆砾层掘进施工起到至关重要的作用。3
17、.3 掘进参数控制盾构推进涉及到的参数影响盾构施工较大的主要参数是土仓压力、盾构推力、刀盘扭矩、同步注浆量等方面对全断面圆砾层承压水条件下的参数进行总结分析：总推力控制在 1000012000kN，刀盘扭矩控制在 20002800kNm，土仓压力控制在理论水土压力的 1.11.2 倍，掘进速度控制在 4050mm/min，同步注浆量控制在 4.05.0m3/环，同步注浆量压力控制在 0.150.3MPa，出土量（1.2m）控制在 5053m3;利用此参数进行盾构掘进可有效降低刀盘刀具磨损、控制地面沉降、提高掘进效率。（图 2-图 5）3.4 端头加固汽高区间盾构端头处于圆砾层中，承压水圆砾层始
18、发接收易发生涌水涌砂风险，旋喷桩加固及降水井在该类地层中施工无法实现有效的土体切割及成孔，加固质量下降，增加了盾构始发接收风险。针对盾构始发接收圆砾地层旋喷桩加固及成井效果不良的情况，对端头加固设计方案进行优化：旋喷桩加固深度及降水井成井深度优化调整至圆砾层顶部，将始发、接收洞门位置钢筋混凝土地墙变更为玻璃纤维筋混凝土墙，能够利用盾构机直接破碎洞门，实现快速进出洞，降低洞门凿除和始发接收风险。同时，汽高区间接收方式变更为钢套筒接收，避免了在承压水圆砾地层中素墙止水帷幕施工难度大、施工工期长、功效极低、质量差的风险，钢套筒接收避免洞门长时间裸露发生险情。通过一系列针对承压水圆砾层不利地质条件的优
19、化，成功完成盾构始发接收。3.5 同步注浆配合比同步注浆是盾构掘进中必不可少且对地面沉降控制极其有效的一道工序，针对杭州地区同步注浆浆液为厚浆的特性及圆砾层扰动后不稳定特性，在注浆量、浆液配比、浆液坍落度等方面进行反复实验，确定最佳的同步注浆配合比及注浆量，以控制地面沉降及管片上浮。因在盾构掘进过程中出现了控制住地面沉降，但无法控制管片上浮现象，对杭州地区特有的厚浆浆液进行改良，掺入一定量的水泥以加快凝结时间，加强对管片外部建筑空隙的稳固，效果极佳。并为杭州地区相似地层后续盾构掘进施工提供了指导性措施。（表 1）4结语针对全断面圆砾地层承压水条件下的土压平衡盾构施工难题，通过对盾构机适应性分析
20、和评估，并针对性的对刀盘刀具进行改造加强，有效控制了长距离圆砾层及复合地层掘进对刀盘刀具的磨损及使用寿命。泡沫剂等化学材料及合适的参数有效解决了圆砾地层施工喷涌难点，“泡沫气泡”对土仓压力控制、减少圆砾对刀盘的冲击及刀盘结泥饼及螺旋机喷涌为圆砾地层承压水条件下盾构掘进施工提供了新思路。针对承压水圆砾层的特点，优化端头加固施工方案可极大的提高盾构始发接收的成功率。通过对同步注浆配合比的改良及优化，可有效的控制地面沉降及管片上浮，有效减少因管片上浮可能引起的管片破损及轴线超限等。绝大多数盾构作业中的事故都是因为没有充分考虑水文条件、地质条件所引起的。為了消除负面影响，工程技术人员需要严格按照掘进施工的技术要点做好参数控制、技术支持、掘进状态调整，以保障工程质量、工程效益。参考文献：1马建华.地下空间特点与施工技术的探讨J.江西建材，2020（01）：98-99.2王俊彬.根植复合地层理论体系引领盾构施工技术发展J.广东科技，2020，29（01）：42-44.3刘铮.土压平衡盾构施工场地布置方法J.智能城市，2020，6（01）：169-170.4陈立.泥炭质土层条件下的地铁盾构隧道施工技术J.四川建材，2020，46（01）：109-110.
