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成都砂卵石泥岩复合地层盾构掘进常见问题及处理措施探讨
黄 彭
（中铁城市投资发展集团有限公司，四川成都610000）
摘 要：目前成都地铁建设正处于井喷式发展阶段，在建及尚未运营的盾构区间有近100条，分布于成都市不同区域，而其中很大部分会涉及到复合地层，盾构在砂卵石泥岩复合地层中掘进存在参数多变、沉降、结饼等诸多风险。关键词：复合地层；盾构适应性；地面沉降；刀盘结泥饼中图分类号：U455.43文献标志码：A成都市复合地层复杂多样，最常见的为盾构刀盘上部为砂卵石，下部为泥岩地质。砂卵石地层富水、渗漏系数大、卵石间松散程度不一；泥岩地质为板块状，总体强度较高，局部遇水易出现软化。对于岩土性质存在差异，控制参数不同的地质，盾构掘进过程中需在总结经验的基础上加以应用。文章以成都地铁穿越砂卵石泥岩复合地层为例，通过对这一特殊地质条件下常见问题及原因分析，提出实施过程中的相应措施，为后续工程提供相应经验及参考。
1 成都复合地层基本情况
成都地区主要为岷江冲击平原，上部有人工填土层及黏粉土。中部砂卵石呈褐灰色、浅灰色，含量介于40%～85%，粒径主要分布在20～180mm，磨圆度较好，分选性较差，卵石间为细颗粒填充且分布不均，多数为中密、密实地层。下部泥岩为白垩系中统灌口组（K2），以中风化、强风化为主，抗压强度1.5～5MPa，软化系数为0.2左右。该复合地层中盾体断面多在砂卵石及泥岩地层中掘进。
2 盾构机适应性优化调整
盾构刀盘设置要在综合分析工程地质条件的基础上确定刀具类型及布置，成都市岷江冲击平原，地质中下层以卵石类土为主，考虑到经济性普遍使用偏重于卵石类设计的土压平衡盾构，对于出现的复合地层，需对盾构机进行适度改造。
（1）刀盘在砂卵石地层开口率普遍在28%～32%，在复合地层可将4把中心滚刀更换为2把齿刀和2把滚刀，同时将刀盘开口处格栅进行适度割除，按照经验，割除率20%较为合适，以上措施刀盘开口率可增加4%左右。
（2）卵石和泥岩对刀盘施加的强度不同，造成刀具会出现偏磨现象，需在刀盘面板及周边区域焊接合金耐磨条，刀盘转速度控制在1.4r/min以下；在盾构适应性评审前应考虑到换刀可能性。
（3）在刀盘外侧焊接2个活动形搅拌棒，均匀布置，同时在土仓隔板靠近中心位置设施1个固定形搅拌棒，增加刀盘前方土体流动的和易性。
（4）滚刀在设计应高出齿刀32mm，且高出面板175mm，刀盘周边滚刀适当增加，并减少刀间距，刀盘
作者简介：黄彭（1983—），男，工程师，研究方向：工程管理。
文章编号：2096-2789（2019）10-0107-02
下部刮刀背向间距可在原设计基础上适度放大，以减少在下部泥岩地层中对滚刀的影响。
（5）复合地层应注重加强渣土改良，成都市盾构刀盘泡沫注管道普遍为4路，其中设置2路膨润土注入通道（见图1），原双管单泵模式可更换为单管单泵，并考虑增加管路防堵装置，确保掘进过程中加水管路通畅。
图1 渣土改良管路系统
3 成都砂卵石泥岩复合地层掘进参数总结
复合地层根据砂卵石泥岩含量不同掘进参数选取范
围较大，结合成都地铁7号线掘进参数实测数据，得出数据（见表1）。在复合地层在掘进过程中需关注参数变化情况，尤其是刀盘扭矩及推力，如遇突然增高或长时间居高不下等情况，需判断是否出现结泥饼、渣土改良异常等情况；同时刀盘不同地层受力不均，地层扰动效应明显，刀盘转速、掘进速度及螺旋机转速均不宜过快。
表1 砂卵石泥岩复合地层掘进参数
刀盘转速推力刀盘扭矩掘进速度螺旋机转速（r/min）（t）（t·m）（㎜/min）（r）1.0～1.3
800～1200
240～360
40～60
4～7
4 复合地层常见问题及处置
4.1 掘进超方导致地面沉降
（1）主要现象。盾构刀盘掘进过程中，因扰动作用，地层应力得到释放，并向上传递，当地面支撑力不足时，出现沉降塌陷。成都渣土采取体积及重量双控标准，需每环根据行程情况进行换算，密实砂卵石单环出
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土量不得超过56m3，松散系数为1.16，出土量重量介于117～120t；泥岩地质单环出土量原则为61～63m3，可根据渣土情况进行适度调整。
（2）典型案例。成都地铁7号线某盾构区间进入复合地层后第421、422环出现喷涌，经对比计算共超方约13m3。后在巡视中发现在以上两环对应地面位置出现塌陷。
（3）原因分析。①上部砂卵石地层渗透性大，易造成喷涌导致土体流失，出土量不受控。②土压控制偏低，螺旋机转速与掘进速度不匹配，同时局部渣土改良不到位。③刀盘上下部孔隙率及渗透系数存在较大差异，不同盾构拖出盾尾后同步注浆压力不足，且浆液凝固收缩后，未及时进行补注浆。
（4）解决方法。①对超方量超过计算值5%的位置或经监测沉降数据异常位置进行地面处理，一般在刀盘对应地面位置打孔，若未发现空洞须扩大打孔范围。找到后，对于较小孔洞可直接打袖阀管注浆；对于较大孔洞（深度4m以上）需对地面进行混凝土回填，同时盾构机仓内注入膨润土。②在沉降明显位置每3环在1、11、12点位置选择一处开孔（开孔深度1～2m），对管片拱顶120°范围内进行深孔注浆。③加强掘进时渣土改良。加水量4～5m3，泡沫原液使用为3%，发泡率12～15倍。④断面加密或监测范围扩大，增设监测点位；增加监测频率，至少2次/d。
（5）预防措施。①通常采用泡沫及膨润土混合改良模式，砂卵石占60%以上时，泡沫添加比在6%左右；当膨润土量一定时，砂卵石含量越少，泡沫添加量将增加。也可减少泡沫用水参量，适当增加膨润土量；调短同步注浆初凝时间，每4～6环设置一道双液浆止水。②复合地层一般出现喷涌就会存在超方，根据经验在盾构螺旋机上安装4个球阀，在出现涌水迹象的情况下，通过球阀往螺旋机内添加聚合物，同时控制好螺旋机开放程度；增加膨润土用量，同时减少泡沫系统用水量，形成泥膜，防止喷涌的发展。在土仓内增加存留渣土量，通常以不超过40%为原则。③增加同步注浆及二次注浆的注入量。将注浆压力调整至4.5bar，同步注浆量原则上不少于6.5m3/环；在拖出盾尾后4～7环位置顶部位置进行二次注浆，开孔深度为70～100cm，注浆压力调整到6bar以上。④在盾构掘进通过后30d内，需联系有资质的检测单位对影响范围内地面进行地质雷达扫描。4.2 刀盘结泥饼
（1）主要现象。在盾构机刀盘、面板、土仓区域形成压缩黏状土，盾构总推力、扭矩显著增加，盾构推进困难；改良注入口发生堵塞；渣土温度升高，和易性差；螺旋出土口出现喷涌现象。
（2）典型案例。成都地铁7号线某盾构区间掘进至523环复合地层后盾构机持续出现异常情况，掘进速度急速下降到仅5mm/min，渣土温度明显升高，总推力增加到15000kN以上，并伴随有少量喷涌现象。
（3）原因分析。①刀盘上部局部砂卵石地层粘性颗粒及碎屑含量偏大，下部泥岩遇水软化被切削成较小颗粒，在盾构压力，温度等作用下，渣土被挤压吸附于刀盘及土仓壁上，形成泥饼。②复合地层上下土体不同，对渣土改良剂的适应性不同，同时人员经验及判断因素容易造成参数控制不准确，导致渣土局部改良不到位。③出
2019年第10期
现较长时间停机，前期渣温偏高，且处于运动状态，停止后渣土在水的作用下迅速冷却，仓内土体流动性变差。
（4）解决方法。①对于地面有构建筑物或判断结饼状态较轻微的情况下，可用泡沫孔注水进行冲洗，同时向土仓内注入压缩空气进行渣土置换，如效果不明显，可采取从土仓和刀盘注入分散剂进行浸泡的方式，通过渗透将将大块的土体进行分散、分离。经现场多次试验，当分散剂原液与水比例为1∶10时，泥饼将在20h达到分解效果。注入时降低刀盘转速且每隔0.5h转动一次刀盘，使分散剂刀盘上分散均匀。一般分散剂浸泡24h后可进行试掘进，如仍有结饼现象，可进行再次浸泡，并增加分散剂原液浓度。②在结饼较为严重的情况下，应考虑人员进仓直接进行泥饼清理，开仓前应将盾构机尽可能掘进到地面无建构筑及管线、地质相对偏好的位置，如刀盘前地质情况较差，需采取相应加固措施(见图2）。
图2 现场泥饼检查清理
（5）预防措施。①将刀盘中部1路泡沫管路改为添加水，使水能够在渣土到达刀盘开口前充分混合，降低因摩擦产生的热量。对搅拌棒可适量加长200mm左右，加强渣土混合流动性。在停机前向土仓内注入足够的膨润土，抑制泥饼的生成。②盾构机掘进速度应控制在30mm/min以内，刀盘的转速适度提高到1.5r/min以上。刀盘正向切削20圈后，进行反向旋转半圈。③在泡沫中添加分散剂，浓度在3‰左右，每环（按1.5m）注入量约5m3，并实时分析渣样，适度进行调整。④对地质情况进行必要补勘，对掘进前端地层进行分析，采取对应措施。
5 结束语
上述为上部砂卵石下部泥岩复合地层盾构掘进过程中常见问题分析及处理方法，可供相关研究人员参考。城市地铁施工面临新问题层出不穷，可能会因为小疏忽引发大危险，复合地层施工重点在于提前确定盾构机配置、施工工艺，积极预防、及时发现问题的征兆，及时分析处理，做到地层环境、设备、管理操作三者协调，这样才能从根本上提高施工水平。
参考文献：
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