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盾构设备在超硬塑粘土层掘进技术研究

近年来，随着我国城市建设步伐的加快，城市轨道交通工程的规模日益增大。地铁正在大规模的施工中，而且全国其他多个城市都在计划或准备修建地铁。江苏省地铁建设现已发展到5个地级以上城市和1个县级城市，成为全国地铁建设最多的省份。由于地铁施工安全风险较大，每个单项工程的地质情况、周边环境、规模要求各不相同，对设计方案与施工方案的合理性提出了较高的要求。盾构设备在不同土层掘进技术研究很有必要。笔者参与了无锡地铁1、2号线工程监督管理及施工，盾构在无锡市区主干道正下方超硬塑土层推进中，遇到刀盘极易产生泥饼等风险，通过调整掘进参数等对应措施，有效保证了盾构顺利安全推进。无锡地铁3、4号线建设准备工作正在进行，现将盾构设备在超硬塑粘土层掘进技术作一阐述，以便为类似工程提供经验借鉴。
1 工程概况
本项目为无锡地铁1号线GD01TJSG-13标，包括新光路车站、新光路站~金城路站区间、金城路站~清名路站区间，工程范围为一车站两区间。（表1）

2 项目技术特点和施工难点
无锡地铁1号线新光路~金城路~清名路区间隧道位于清扬路路面下，路面下各种管线密布，道路两侧为厂房和旧式民居等建筑。施工地质环境复杂在本次盾构掘进范围内存在6-1粘土层，本区间约75%掘进断面中存在6（1）层地层。
该层粘土土性参数与上海6-1粘土层大不一样。
本标段6-1土层描述如下：灰黄色，硬塑，局部可塑，含铁锰质结核，切面光滑，有光泽，韧性高，干强度高。塑性指数高（22.8），固结快剪指数高（C=53.78kPa），无侧限抗压强度高（138kPa）。新光路车站底板下卧在该地层之上。在基底清底时，发现该地层土质十分干燥，坚硬。
上海地区（6）层粉质粘土描述如下：暗绿～草黄色，可塑～硬塑，局部地层缺失，含氧化铁、有机质，密实度中等，塑性指数15（左右），固结快剪指数C=36（左右）。
在盾构试掘进中遇到许多问题：本隧道区间工程采用德国海瑞克技术支持，无锡海瑞克首次出厂的S-637,S-638土压平衡式盾构机。由于是无锡本地生产的第一、第二台盾构机，其本身性能与推进参数设定都需要在盾构掘进过程中试验调整产生。这对盾构司机的专业技术要求高，需要丰富的盾构掘进经验，以应付各种不确定因素与突发情况。由于无锡生产盾构机出厂时间推迟1个月，按无锡地铁业主要求，本工程区间必须按原定工期计划完成，因此工期紧张。作为无锡轨道交通工程的样板工程，在施工抢进度过程中，必须严格保证现场文明施工要求。工期与文明施工兼顾的情况下，大大增加了现场施工管理难度。在盾构试掘进中，我们遇到以下问题：
（1）由于第一次在无锡推进，经验不足，沿用了在上海推进中使用的保压推进，每一环推进时严格按照理论土压力计算值来保压，导致刀盘扭矩经常超过报警值，推进速度很慢（1cm/min-2cm/min），从推进速度、刀盘扭矩、螺旋机出土情况分析出，刀盘在100环左右时已经出现结泥饼状况。
（2）由于6-1层土层粘性较高，从螺旋机闸门口出来的土块大，经常将皮带机砸偏，导致停机修复皮带。大土块重量较大，在通过皮带输送轮时产生跳跃现象，导致推进时掉土现象严重。
（3）由于盾构机在6-1土层中推进一直保持满负荷运转，还经常会出现扭矩过大等报警停机，设备上一些部件（例如土压计、双梁行走轮、皮带输送轮等等）磨损非常快。
3 在无锡超硬塑6-1粘性土层中推进工艺
（1）欠压推进。盾构推进的原理是盾构刀盘切削土体，切削下来的土体进入土仓，再由螺旋机排出。如土仓内压力小于土体压力，产生压力差，刀盘正前方土体将会更容易进入土仓，而不是粘结在刀盘面板上。本区间约75%掘进断面中存在6-1层地层。在区间右线推进时，由于第一次在无锡推进，经验不足，沿用了在上海推进中使用的保压推进，每一环推进时严格按照理论土压力计算值来保压，导致刀盘扭矩经常超过报警值，推进速度很慢（1cm/min-2cm/min）。后在左线推进时吸取了右线的经验，采用了欠压推进，每环土压力设定保持在0.6Bar-0.8Bar（地面无重要建筑物），效果明显好转。通常推进时计算土压力公式：
平衡压力设定值以推进第10环为例，按水土合算原则计算所得土压力为：
正面土压力：P=k₀γh
P：土压力（包括地下水）
γ：土体的平均重度（从地面至计算点高度范围内所有土层平均重度）
h：隧道中心埋深
k₀：土的侧向静止土压力系数
在上海地区盾构推进时，由于地层以淤泥质粉质粘土、粉土、粉沙为主，为了避免地面沉降过大，经常将土仓压力保持在理论计算值的120%左右。在无锡6-1地层推进时，由于6-1层土体自立性很好，不易坍塌，我们将土仓压力降低至理论计算值的40%-80%。然后根据2次/d的地面沉降监测报表由技术负责人来调整下个班组施工时土压力设定值，如地面沉降过大，则升高土仓压力，反之则保持。
（2）推力不宜过大。在上海推进时，在盾构千斤顶保持大推力作用下，切口前方流塑或软塑土体会被“挤”进土仓，在刀盘转动下更加促进切削。而在无锡6-1地层推进时我们发现，由于6（1）层土粘性很大，如果推力过大，刀盘与土体接触过于充分，刀盘面板上开口容易被土糊住。在盾构正常推进时推力不宜过大。
（3）尽量缩短停机时间。刀盘在转动时，切口前方土体不断进入土仓，保持运动状态。如停机时间过长，刀盘和土体保持静止状态，糊在刀盘表面的土体很难进入土仓。
4 盾构机设备改造
（1）改造项目1：盾尾油脂泵、集中润滑泵位置
由于盾尾油脂泵、集中润滑泵位置过于接近皮带机末端出土口，导致时有土块及泥浆飞溅入桶中，泵体污染严重。
目前已将盾尾油脂泵、集中润滑泵移至驾驶室后方，远离出土口。
（2）改造项目2：同步注浆操作平台
由于盾构机操作室与同步注浆平台不在台车同一侧，在盾构掘进时需要2人分别操作。盾构司机无法及时根据PDV上反映出的技术参数调整注浆量、注浆压力。
目前已将同步注浆操作平台改造至操作室内，操作盾构机与同步注浆工作全部由盾构司机完成。
（3）改造项目3：刀盘开口
在市场上海瑞克盾构机刀盘多为面板式刀盘，开口率较小。本标段采用S-637、S-638盾构机刀盘开口率为27%。目前刀盘开口率已无法更改，更改需牵涉复杂的刀盘力学计算。在推进时又硬又粘的6-1层土容易堵塞刀盘上的开口，土无法有效进入土舱。海瑞克公司已给出了刀盘改造图，经审核通过后再对刀盘进行改造。
5 外加剂的使用
在上海、南京、苏州等地推进时，土体改良外加剂一般使用水或着膨润土泥浆。而在无锡6-1地层中推进，上述两种外加剂并不适合。由于6-1地层塑性指数大，土体坚硬，如加水改良，不能击碎大块土体，仅仅可以起到润滑作用，更会产生“磨刀石”效应，极易磨损刀盘上的先行刀、刮刀。膨润土泥浆的效果同水，仅仅起到润滑作用，并不能击碎大块土体，对土体进入土仓无作用。在本区间推进中，项目部主要采用过3种添加剂（泡沫剂），分别为康达特、顺富通和埃尔克。使用泡沫剂的优点：
（1）降低刀盘扭矩,提高掘进速度。加注泡沫剂能减少刀盘与土体的摩擦,降低扭矩,并减少刀盘上粘土的粘着,有利于排土机构出土,降低刀盘所需的驱动功率。
（2）击碎大块土体。在刀盘前方注入泡沫剂与水的混合液，混合液渗透进大块土体中，在进行发泡的过程中混合液体积增大，将土体击碎，小块土体更容易进入土仓从而顺利排出。
（3）保证挖掘过程的压力,防止压力变化。泡沫剂的持续加注能防止地下隧道内压力的变化,提高隧道开挖面的稳定性,同时也可防止水从土壤疏松的地方渗入。改善渣土的流动性,保持开挖面的稳定。在粘土层中,土体较干,摩擦力大,透水性高,流动性差,不能很好地传递压力。在开挖中注入泡沫并充分搅拌,可以改变土层的成分,以保证土的流动性和减少土的透水性,使开挖面保持稳定。
（4）提高排土效率。由于泡沫有表面吸附作用,在与土体接触后会把土体悬浮起来,可以很容易地通过土渣运输系统运出工作区域,大大提高了排渣和运渣的效率。通过泡沫剂的使用,大大降低了刀盘的扭矩,达到稳定开挖面土体、改良土体塑流性能、降低刀盘扭矩、提高掘进和出土效率的目的。
6 技术改进后取得的实际效果
盾构在无锡6-1超硬塑粘土层中掘进施工，无借鉴经验。本项目通过盾构推进时各类技术参数的改良以及施工组织安排的调整，经过摸索、研究，总结出了以上一整套施工技术，取得了很好的效果。
（1）根据在超硬塑粘土层中推进实际情况进行设备改造。一般购入盾构机此类大型设备之前，施工单位会将即将施工区域的情况提供给设备厂商，由设备厂商来根据实际情况在设备出厂前进行配置。但在施工时仍会有不适应现场条件的情况发生。在施工过程中进行设备的改造既能提供施工功效，也能促进施工成品质量良好，同时还能方便施工。在无锡6-1地层推进时进行设备改造后，设备故障率明显减少，直接缩短了非正常停机时间，大大提高了功效。
（2）在超硬塑粘土层中推进时泡沫外加剂的使用及配方改良。在软土地层进行盾构推进施工时，很少应用到泡沫外加剂进行土体改良。即使用到，也是配合水或者膨润土泥浆进行土体改良。此次盾构推进过程中全程使用泡沫外加剂进行土体改良，并且研发出在6-1超硬塑粘土层中改良土体的配方及技术参数，为将来在此类土层中外加剂的添加提供了参考。
（3）盾构推进参数的改进与优化。在另一区间金城路~清名路区间推进过程中，我们通过盾构推进参数的改进与施工工序优化，盾构推进速度明显加快，工期提前计划62d完成，节约了大量成本。地表沉降、管片错台、管片渗漏等工程质量问题都得到很大的改善。不仅确保施工顺利进行，满足业主各项施工节点要求，同时质量上满足设计图中所规定的技术要求，项目部施工管理效率明显提高。项目总工程师与盾构司机将已经取得的盾构在较大粘性土层中掘进施工技术，多次指导运用于无锡地铁其他标段盾构掘进与进出洞施工，获得了无锡地铁建设同仁的一致肯定。
盾构隧道施工法是集机械制造、土木工程、信息工程为一体的综合性的系统技术。因此,我们还需要进行不懈的开发、研究和积累,以图形成我国独立的机械制造、隧道设计、施工管理技术。