全断面富水砂层盾构施工卡控要点

全断面富水砂层盾构施工卡控要点文章以西安地铁四号线凤-凤盾构区间为例，总结了全断面砂层盾构掘进时盾构选型、刀具设计的要点、渣土改良及掘进参数的选择以及地层沉降规律及应对措施，希望对今后类似地层盾构施工起到一定的指导作用。

标签：盾构；全断面；富水砂层；盾构机选型；控制沉降1 全断面砂层在西安的分布西安市位于渭河冲积平原-关中平原的中部，其内沉积了巨厚的第四系地层，主要为第四系全新统（Q4）、上更新统（Q3）和中更新统（Q2）地层，以湖积、洪积、冲积、冲洪积、风积为主，岩性多为砂层、卵石、砂砾石层、粉质粘土、粉土及黄土。

西安地铁盾构施工主要穿越老黄土、古土壤及粉质粘土层，在地鐵二号线北段、南段、一号线西段和东段以及三号线西段分别穿越密实度较大的全断面砂层和砂卵石等地层。

2 全断面砂层主要施工风险由于砂层的不稳定性和密度的不均匀性，施工中易发生地面坍塌和盾构跑偏等现象。

砂性土渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。

另外由于本标段砂层标贯值较高，盾构机在中、粗砂地层中掘进时，对刀盘、刀具的磨损较大。

砂土中土仓建压、出土控制较困难，易形成坍方，造成地面沉降。

3 凤-凤区间工程简介凤-凤区间沿明光路下方布设，出凤城九路站后，首先以R=2000m的曲线向东偏转至明光路下方，沿线路前行，再以R=2000m的曲线向西偏转，进入凤城十二路站。

区间纵断面先以14‰的坡下至凤城十一路，再以23‰的坡向上至凤城十二路，最后以2‰的坡向下到达凤城十二路站。

凤-凤区间地层为：地表分布有厚薄不均的全新统1-2人工填土（Q4ml）及2-1黄状土（Q4al），下为（Q4al）2-2粉质黏土、2-3粉土、2-4粉细沙、2-5中砂、2-7砂砾等，隧道主要穿越2-4粉细砂、2-5中砂地层，局部有圆砾或砾砂，平均标贯值39～56，密实。

场地内地下潜水位埋深9.80～10.50m之间，水位年变幅1～2m左右；区间隧道主要埋深10.20m～15.22m。

4 全断面砂层中盾构机选型的要点4.1 盾构机选型的一般原则盾构机的选型应结合工程地质、水文条件，综合考虑地面场地情况及沉降要求等因素。

一般认为当地层渗透系数大于10-4m/s时，应选用泥水平衡盾构机，当渗透系数小于10-7m/s时，应选用土压平衡盾构机，当介于这两者间时，当采用可靠的渣土改良措施，二者皆可选用。

按渣土粒径选择时，一般粒径较大的砾石地层宜优先选用泥水盾构，当渣土颗料较小并且均匀时，优先选用土压平衡盾构，当介于两者之间时，皆可选用。

西安地铁四号线全断面砂层主要为中、粗砂，局部含有砾砂、圆砾，渗透系数介于25～50m/d，等于3×10-4m/s～6×10-4m/s，砾砂的平均粒径为0.546～0.728mm，处于泥水盾构与土压盾构皆可选择的区域。

泥水盾构在控制地表沉降方面优于土压盾构，但地面需占据较大面积场地，且成本较土压平衡盾构机更大。

在政府“还路于民”的大环境下，很难给泥水盾构提供适用的场地。

根据郑州、成都等城市的经验，通过有效地渣土改良，土压平衡盾构机同样能适应于全断面中粗砂及圆砾地层。

结合西安地铁建设的场地条件及成本控制情况，选用土压平衡盾构机是可以满足施工要求的。

4.2 主轴承驱动功率及额定扭矩的选择全断面砂层掘进时，盾构机的致命性的先天缺陷往往表现为扭矩不足。

我们在正常掘进时一般用到盾构机脱困扭矩的0.5～0.6，脱困扭矩一般设计为额定扭矩的1.2倍，因此我们一般用到额定扭矩的0.6～0.72倍进行掘进。

为应对四号线北段全断面砂层扭矩大的特点，各标段均采用了低速情况下，额定扭矩在6500kN·m以上，脱困扭矩在8100kN·m以上的主轴承驱动功率。

主轴承驱动要提供8000kN·m以上的刀盘扭矩，不仅与主驱动的总功率相关，也与主轴承直径息息相关。

经过二号线、四号线的经验积累，并参考国内一些失败的经验数据认为，电驱的主轴承驱动功率应不于800kW，液驱的驱动功率应不小于945kW。

当主轴承直径小于3m时限制了液压马达或驱动电机的数量，会制约刀盘扭矩大小，主轴承直径应不小于3m。

4.3 刀盘类型及开口率的选择刀盘型式选择的一般原则为：当应对单一地层时，一般选用幅条式刀盘；当应对硬岩或复杂多变地层时，一般选用复合式面板刀盘。

四号线在应对全断面砂层时出现了幅条式及面板式共存的局面，两者互有优劣，幅条式在砂层中受到的摩擦阻力较小，掘进过程中刀盘扭矩相对于面板式要小，但要求时刻保证土仓为“全压”，稍有疏忽容易出现大的沉降，面板式刀盘开口率位于40～44%不等，在砂层中受到的摩擦阻力较大，需要主轴承提供更大的刀盘扭矩，但由于面板能形成对掌子面的支撑，在保证沉降的前提下，可以实现“欠压快推”。

4.4 刀具类型及刀具高差的选择砂层的石英含量高，四号线北段砂层石英含量平均达到75%以上，而且标贯值大，平均50击以上，对刀具的磨损较大，要求刀具具有较强的耐磨能力。

在全断面砂层掘进，选择刀具的要点为：刀具体量大、圆钝。

在全断面砂层或其他磨损较大的地层掘进时，先行刀应可在土仓内更换，先行刀应选择优质合金，刀具的合金高度应高于切刀或刮刀，形成对切刮刀的保护。

5 掘进参数的选择5.1 膨润土配合比的选择采用膨润土进行渣土改良的方案，一方面能起到润滑、另一方面起到粘聚砂粒的效果。

改良后的渣样坍落度在120±20mm时，改良效果较好；采用经验法时，用手握渣样能从指缝间流出，用手掂砂，能掂起来却又不完全离开手掌，同时达到这两个条件时效果较好。

通过砂样试配试验，得知粘度不小于35S才能起到很好的改良作用。

试验人员前期对各个配比进行了粘度、比重的测定，并与砂样进行试拌，膨润土浆液发酵时间在24小时附近效果最佳。

从表1可知，1：7～1：9的膨润土配比满足砂样试配时的粘度要求，粘度依次递减。

经试验，测定砂层的饱和含水率为20%，用各个配比的膨润土浆液与不同含水率的砂样进行拌和，当含水量小于16%时采用1：9，当含水率大于16%时采用1：7的膨润土浆液。

按渣样的粒径进行配比选择时，当渣样中含砾砂或圆砾成分较多时，应选用粘度高的浆液，当主要成分为中、粗砂时可选用1：9的浆液。

5.2 凤-凤区间掘进参数推力（T）：1200～1600；推进速度（mm/min）：40～70；扭矩（kN·m）：3500～4500；出渣量（m3）：52-55；同步注浆（m3）：6-7；泡沫剂使用量L/环：63；膨润土注入量（m3）：4.8；土仓上部土压（bar）：0.3。

5.3 凤-元区间建议掘进参数推力（T）：1200～1600；推进速度（mm/min）：40～60；扭矩（kN·m）：3500～4500；出渣量（m3）：52；同步注浆（m3）：7；泡沫剂使用量L/环：63；膨润土注入量（m3）：5；土仓上部土压（bar）：0.6。

当土仓压力被动土压力Kp时，地面将会隆起；当Ko<土压<Kp时土层相对稳定。

因此，取静止土压力系数Ko作为计算时的侧压力系数，当埋深10m时，计算的土仓上部压力为0.56Bar，后期的土压可以在现有基础上适度提高。

6 左右线刀盘、刀具、螺旋机磨损统计6.1 左线磨损情况统计（1）凤城九路站～凤城十二路站左线盾构刀盘掘进时间总计686小时（正转346.2小时、反转339.8小时）。

（2）2016年3月22日由辽宁三三工业有限公司的技术人员采用汉威Hs616e 超声波检测仪，统计磨损情况如下：a.刀盘正面耐磨板最大磨损量为1mm（面板上14mm的耐磨堆焊均清晰可见），刀盘外圈耐磨板最大磨损量3.6mm，个别位置的耐磨层有小块脱落现象。

b.刮刀有5处耐磨合金块脱落，需对合金块脱落的刮刀进行更换。

c.撕裂刀磨损严重：由于泡沫管7路堵塞后只剩1路，使得渣土改良效果不好、掘进速度慢，刀盘长时间运转，渣温高，对刀具磨损较为严重。

4cm的合金頭均磨损3cm～4cm，需全部更换。

d.螺旋筒内叶片与螺旋筒间隙尺寸为35mm，叶片单边磨损量为5mm。

6.2 右线磨损情况统计（1）凤城九路站～凤城十二路站右线盾构掘进551环，共计826.817米，刀盘掘进时间总计441小时（正转223小时、反转218小时）。

（2）2016年4月2日由辽宁三三工业有限公司的技术人员采用汉威Hs616e 超声波检测仪，统计磨损情况如下：a.刀盘正面耐磨板最大磨损量为1mm。

b.撕裂刀磨损严重，4cm的合金头均磨损2cm～3cm，需全部更换。

c.螺旋叶片单边磨损量为5mm。

6.3 左、右线刀具磨损汇总根据表2，我们可知，刀具为有规律地磨损，即与刀具走过的轨迹成正比。

左线共统计刀具66把，其中有6把刀的磨损速度大于0.05mm/km，占总量的9%，全盘刀具平均磨损速度为0.035mm/km；右线共统计刀具60把，其中有6把刀的磨损速度大于0.05mm/km，占总量的10%，全盘刀具平均磨损速度为0.036mm/km。

平均磨损速度代表了刀具的磨损规律，小于2倍中误差的保证率为92.4%。

6.4 磨损速度与时间的关系时间287h-磨损速度0.029mm/km；时间411h-磨损速度0.036mm/km；时间686h-磨损速度0.035mm/km。

从上可知，当刀盘运转时间小于300小时时，刀具磨损较慢，平均速度为0.029mm/km，当超过400小时后，磨损速度趋于稳定，基本保持在0.036mm/km 左右。

当一个轨迹上只有1把刀时，磨损速度略大于2把刀，2把刀磨损速度略大于3把刀，但数值相差不大。

当一个轨迹上只有1把刀时，磨损速度为0.043mm/km。

其中3把刀与1把刀的磨损比例为0.82，与小松试验值0.68稍有差别。

7 左右线沉降值统计凤-凤区间左线施工过程中，共发生地表沉降超预警值-21mm为5次，其中有3次超过了控制值-30mm。

345环沉降最大，沉降最大值为-54mm；405环沉降最小，沉降最小值为-0.3mm。

左线沉降平均值为-14.2mm。

右线施工过程中，共发生地表沉降超预警值-21mm为4次，其中有2次超过了控制值-30mm。

右线405环沉降最大，沉降最大值为-49.26mm；331环沉降最小，沉降最小值为-0.73mm。

右线沉降平均值为-10.4mm。

盾构施工引起的地表沉降可分为四个阶段：刀盘到达的前方因土仓压力不足以抵挡掌子面土压产生第一阶段沉降，盾体上方因刀盘轮廓大于盾体直径留有空隙产生第二阶段沉降，盾尾脱出后管片与土层之间的空隙没有得到及时填充产生第三阶段沉降，盾构经过后用于填充的浆液凝固产生收缩以及土体的二次固结引起工余沉降为第四阶段沉降。