富水富含大粒径漂石复合地层盾构隧道施工工法重点

富水富含大粒径漂石复合地层盾构隧道施工工法编制单位：北京城建集团有限责任公司主要编制人：李乾斌、车凯、恽军、桂轶雄、李文峰1 前言盾构法作为集成了多种设备功能的全机械化隧道建设设备，在地下隧道建设中应用越来越普及，其自动化程度高，具有安全、快速等特点，但由于盾构设备、工艺在不同地层区别较大，在粒径较大的卵漂石、孤石地层建设隧道如何破碎，是盾构领域未妥善解决施工难点，在富水条件下的施工难度更大，风险更高。

在北京地铁9号线施工筹备阶段，隧道邻近一大型基坑揭示地层中密集分布直径超过1000mm漂石，且强度超过300Mpa，经工作井探查，最大漂石粒径为1500×1700mm，隧道每掘进一环地层中遭遇粒径1000mm以上漂石至少2块、粒径800mm以上漂石至少4块，其中粒径500mm以上漂石体积比超过50%。

为盾构设备选型及施工筹划带来了前所未有的挑战，经查证国内外无类似工程实例可供参考。

此次采用盾构法在潜水下漂石地层中完成隧道施工，通过对盾构工艺的系统改善、技术创新，利用盾构设备，成功解决了较高水压条件下连续破碎密集高强度、大粒径漂石的隧道建设的工程难题，摸索、形成了一套该种地层盾构施工的成熟技术。

工程实施过程中申请了多项发明和实用新型专利，目前获批的国家专利有（发明型专利为201210457261.7、201210410081.3；实用新型专利为201220614474.1、201220598258.2、201220293261.3）。

项目成果属于国内外首例，工程实践证明，该工法具有较高的技术创新水平、设备机具配合高效、操作参数准确、节能增效、经济合理，大幅度拓展盾构法施工适用领域。

2 工法特点2.1突破了束缚地下工程建设诸多技术难题，拓展了地下工程建设前景，将土压平衡盾构应用范围进行了较大幅度的延伸，储备了在更深地层、更广地域建设隧道的技术手段。

2.2可以在潜水中、扰动可控条件下解决利用盾构刀盘、刀具在刀盘前方机械连续破碎漂石、孤石等，利用渣土改良手段将均匀破碎的漂石碎块顺利由螺旋机排出，突破了漂石地层对于盾构法施工的限制。

2.3研究并改进设备各系统在潜水环境下密封、润滑状态，尤其是人闸、铰接、螺旋、盾尾等部位，可以有效降低能源消耗、改善设备运行状态，并确保隧道成型圆滑、衬砌防水高效、管片结构稳定。

2.4发展、完善并形成了高效、经济的卵漂石地层中渣土改良系统，可以对漂石及漂石颗粒、卵石等进行有效握裹，起到高效降低工作扭矩、延缓刀具损耗、减少喷涌等功效。

2.5对盾构掘进体系、掘进辅助体系做了较多实践及对比，可以满足在新建工程干扰较小情况下的，满足诸如地面沉降、噪声控制等较高的要求。

2.6工程中选择采用大量环保材料等，可多次周转，循环使用，达到了节约资源、保护环境的作用。

3 适用范围本工法解决了连续分布的卵漂石粒径在500mm～1700mm左右，单轴抗压强度300Mpa左右的地层中盾构施工的难题。

本工法适用于潜水下连续大粒径漂石地层盾构隧道施工。

普遍可以应用于无水、有水、富水、透水等砂卵漂石中隧道建设，漂石可以连续、密集或间隔分布，对于含孤石、球状风化体等地层隧道施工也有较好的适应性。

4 工艺原理要解决的技术问题分别是：高水位下、不间断情况下盾构连续破碎大粒径漂石，涉及到盾构刀盘型式、刀具型式、各系统密封型式；大粒径漂石输送对于渣土改良系统的要求；盾构掘进系统对于大粒径漂石针对性控制；潜水下盾构设备维护等。

针对地层中卵漂石比例高、粒径大、强度高的情况，采用盘形滚刀无法准确捕捉、稳定圆形漂石，无法形成冲击压碎、剪切碾碎的功效；采用刮刀等其他盾构常用刀具等也无法破碎球状漂石的情况，本工法研制了新型重型撕裂刀体系（已获多项专利），配合高强耐磨面板式刀盘，在土仓内外多点喷射的高效渣土改良前提下，推进系统施加较小推力，利用刀盘施以高转速、持续稳定高扭矩的尖锐部划割挤压机理对较大粒径的卵漂石进行破碎减小，实现盾构在潜水下连续掘进。

针对潜水中存在的大粒径卵漂石外轮廓大体为圆形，且高透水地层中级配细颗粒以粗砂为主，无粘性、砂土等细小颗粒，造成地层的内摩擦角较大，地层自身和易性、流动性非常差。

如何确保渣土具备良好的流塑性是盾构能否形成连续掘进的关键，且在卵漂石地层中，渣土改良效果直接影响盾构各项推进参数的变化。

本工法核心之一就是渣土改良具有较好的经济性及适用性，尤其是对土压平衡盾构渣土改良工艺进行了多方面改进，分别从设备制备、发酵过程、输送系统、投送体系、握裹周期、再循环等多方面进行了创新、发展、提高和应用，形成了一套独有、高效、经济的潜水中高透水卵漂石地层的渣土改良专利技术和管理系统。

对土压平衡盾构的部分部位上的密封型式进行了针对性的改进，尤其是在主驱动密封采用液压油和HBW油脂复合式密封型式，提高潜水下密封性能；中心回转采用多节式结构，便于潜水下进行设备维护；渣土改良系统采用单点单泵独立注入方式，对注入量进行有效控制。

对于潜水下提高隧道衬砌质量提供了充分的设备保障。

本工法针对特殊地层的工况特点，在盾构掘进工艺设计中，采用了重型撕裂刀具优化体系、高强耐磨刀盘、连续多点喷射改良系统、高效降阻、特定漂石渣土改良材料、小推力高扭矩掘进等掘进体系，完善了隧道结构防水、始发、接收加固等措施。

事实证明经改进后的新型重型撕裂刀体系解决了潜水下盾构法连续破碎漂石的问题，尤其是开创了盾构在潜水下连续破碎漂石的先例，工程项目已经顺利贯通，取得圆满成功，隧道已经通过验收，近期将投入运营。

5 施工工艺流程及操作要点5.1施工作业工艺流程见图5.1 施工作业工艺流程5.2 操作要点5.2.1 程序设定在分析研究工程地质和水文地质的基础上设定盾构设备性能，设定各项掘进管理基准，进行地层岩性试验分析，对设备、人员等进行施工准备。

施工中，按照现场条件及准备情况进行组装、调试，验证设备主要机械性能如刀盘转速、改良系统等，始发掘进验证掘进管理措施，调整、稳定掘进模式后进入正常掘进阶段，稳压推进、渣土改良、管片拼装、同步注浆、轨道延伸等。

图5.1 施工作业工艺流程5.2.2设定掘进管理基准根据隧道工程地质及水文地质情况设定盾构性能参数（如刀盘形式、刀具种类、刀具数量）和隧道埋深、掘进参数（土压值、刀盘转速、刀盘扭矩、螺旋机转速、螺旋机扭矩、推进油缸压力等）、耗材管理指标（如改良材料、注入位置、注入量、稠度等）及壁后注浆参数（如浆液材料、配比、注浆压力、注浆量等）等主要管理基准。

在盾构始发施工及试验段施工阶段，观察盾构姿态、出土量管理多种参数，不断调整、持续改善，使整个工作系统保持良好状态，并尽快达到稳定作业循环目的，使推进管理达到稳定、高效、节约、简便的状态。

5.2.3设备准备基于刀具、刀盘、驱动、中心回转、螺旋机、皮带机的各设备性能匹配的原则，选择、安装效率高、功率准确的机械设备，并通过良好的PLC程序设定，确保各系统均能高效运行、匹配良好。

5.2.3.1刀具主要破碎刀具分别为撕裂刀、先行刀、滚刀、刮刀等，确保刀具布置有明显的高差，刀具按3层进行设置；刀具按照同心圆形式布置，临近的不同的同心圆间刀具按照可形成导流槽形式建立较小的偏心，偏向外圈板方向。

刀具配置数量表图5.2.3.1-1刀具高差布置图刮刀高出刀盘89mm；滚刀高出刀盘127mm；重型撕裂刀高出刀盘197mm；中心刀高出刀盘305mm。

差值分别为38mm、70mm、108mm，递减排列，逐级破碎岩层。

5.2.3.2刀盘卵漂石地层中不同大小、强度的漂石随机分布，刀盘具有较高的强度和刚度，支撑结构须强化处理，减小刀盘不均匀受力变形传递给主轴承，保护主轴承的密封体系。

刀盘临近中心、面板、格栅等各同心圆布置有独立渣土改良注射点、土压传感器，刀盘外圈板设置2处注射点。

辐条设计采用高强网格式钢格栅，最大通过粒径不小于300mm，不大于330mm；刀盘开口率38%。

刀盘满铺耐磨板，从而保护刀盘正面与刀盘侧边缘。

5.2.3.3土仓螺旋机螺杆底部要探入土仓，土仓底部设螺旋机闸门，螺旋机螺杆探入深度可调。

土舱内设主动搅拌棒，改善土仓内渣土改良效果。

在前盾面板下、中及顶部适宜位置分别设投送管道口，管路尾部探入中盾，管道设双闸门控制。

该部位承担输排水、检验水位、投送渣土改良材料的作用。

5.2.3.4驱动盾构机驱动采用变频电机驱动，安装6个高功率变频驱动单元（包含：减速机、水冷式电机、力矩限制器等），确保刀盘转速不低于3rpm，刀盘总功率1200kw，每台电机配备单独的变频器，主驱可调速，双向转动刀盘。

在设备性能范围内适当提高设备的工作扭矩及最大扭矩输出时对应的刀盘速度范围，使盾构具备较高的脱困扭矩，脱困扭矩不低于700t·m。

主驱动密封采用液压油和HBW油脂复合式密封型式，各道密封采用独立密封油（液压油）脂自动注入系统，由PLC控制注入压力及注入量，并有检验取样口，掌握密封中润滑效果及工作状态。

密封设防压力不低于0.5Mpa，密封系统要有故障保护设置（遇故障时自动启动停机保护），根据采集密封油样检测密封效果。

主轴承润滑采用单独供油单元，确保齿轮油供给到位，保证主轴承正常运转。

5.2.3.5中心回转中心回转采用多节式结构，便于潜水下进行设备维护；回转内通道为8道；密封是可更换的环形密封。

确保可应用多通道作渣土改良系统及耐磨检测管路通过。

5.2.3.6铰接中盾与盾尾采用被动铰接系统连接，铰接系统液压推力不少于2880t，行程不低于100 mm。

5.2.3.7螺旋机采用变频电机驱动的有轴螺旋，便于在筒体内形成土塞效应，避免出现出土不畅且减少喷涌。

功率不低于225kw，以保证螺旋机的正常工作，转速不低于20rpm，最大扭矩不低于7.5t•m，最大出土量不低于450m³/h，通过的最大卵石直径330mm。

螺旋机采用分节安装，便于螺旋机从土舱中推出及检查维护。

5.2.3.8皮带机皮带机采用拖挂式皮带机，功率不低于35kw电机驱动，配有单独的动力单元，皮带机带宽900mm，额定出土量不低于800m3/h。

皮带张紧系统便于维护，皮带机两侧设急停开关。

5.2.3.9盾尾盾尾采用三道尾刷，可满足施工状态下更换2道尾刷。

始发手涂型油脂涂抹质量直接影响尾刷的防水密封效果及使用寿命，对于潜水下隧道的防水质量影响较大。

5.2.4渣土改良设备渣土改良设备按地面混合设备、制拌发酵设备、输送管道设备、压注投送设备、压注投送管路、清洗设备、回收处理设备等进行配备，各设备可独立工作，性能须进行匹配验证，满足盾构掘进投送要求。

5.2.4.1地面混合设备主要考虑各种材料添加计量控制，包括特定添加剂、多种膨润土、水等，采用电子计量系统，混合设备一次可储备容量不低于60m3。