摘 要：南宁地铁3号线土建工程市博物馆站～青秀山站区间始发段砾石地层含大粒径卵石，直接式泥水盾构机掘进过程中易出现排浆管堵管、出渣不畅、频繁开采石箱清渣等施工难题。为解决上述难题，通过对隧道穿越地层的综合分析，对盾构机刀盘刀具进行自适应优化，对掘进参数进行调整，对设备进行优化改造，总结出适应该地层的施工技术，为类似工程提供借鉴。
关键词：砾石地层；大粒径卵石；直接式泥水平衡；盾构掘进；施工技术
1 工程背景
南宁市轨道交通3号线02标11工区青秀山站~市博物馆站区间位于南宁市良庆区，区间起点里程DK20+229.618，终点里程DK22+220.6，采用2台泥水盾构施工，施工平面示意图见图1。区间左线、右线隧道长度分别为1987.1m、1990.8m，线间距为13m~33.2m，隧道埋深8.8~61m。
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图1 施工平面示意图
2 地质条件
隧道穿越地层地质详堪资料揭示，隧道主要穿越地层为砾石、泥岩、泥质粉砂岩、钙质泥岩等复合地层，如下图2所示。其中砾石为中密~密实状，粒径为2~30mm，层厚1.90~28.00m；泥岩成岩程度较深，呈半岩半土状，风干开裂，遇水易软化，天然状态下单轴抗压强度为1.03~7.39MPa，属A2类膨胀土；泥质粉砂岩为粉砂质结构，呈半岩半土状，天然状态下单轴抗压强度为0.92~3.56MPa；钙质泥岩已固结成岩石状的半成岩，天然状态下单轴抗压强度为1.40~4.15MPa。
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作者简介：陈潇（1985-），男，广西博白人，本科，工程师，学士。研究方向：主要从事轨道交通工程的建设管理工作。
图2 隧道地质剖面图
隧址区地下水主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和基岩裂隙水。
其中上层滞水主要赋存于人工填土层和浅部粉土、砂土层中，分布不均匀、水位不连续、高低变化很大。第四系松散岩类孔隙水主要分布在邕江低阶地亚区和高阶地亚区。碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下伏古近系半成岩的粉砂岩和泥质粉砂岩中，该层地下水具承压性，富水性弱，属弱～中透水层，水位埋深1.6～18.5m。基岩裂隙水主要赋存于泥质硅质岩全风化、强风化带内，受大气降水及地表水体补给，水量随季节变化较大。
3 盾构机针对性设计
本区间为南宁轨道交通3号线最长区间，为关键性控制工程，地质复杂，地层起伏变化较大，泥岩占比高达70%，刀盘易结泥饼，根据盾构机适应性分析，本区间采用2台泥水平衡盾构机，泥水仓由气垫式改造成直接式，提高排渣效率。盾构机简介如下表1所示。
表1 盾构机简介
盾构机类型 主驱动 刀盘 开口率 开挖直径/mm
左线 中船装备34号泥水盾构机 变频电机驱动 六牛腿、六主梁+六面板复合式刀盘 40% 6280
右线 中铁装备314号泥水盾构机 液压驱动 四牛腿、四主梁+四面板复合式刀盘 45% 6300
盾构机刀盘开口在整个盘面均匀分布，能够实现碴土径向方向的顺利流动，使碴土在刀盘中心区域不易形成因流动不畅而引起的堵塞和堆积，保证刀盘掘进过程中碴土顺利进入泥水仓，有效提高出渣效率。刀盘结构见图3，刀具配置见表2。
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a）左线中船34刀盘 b）右线中铁314刀盘
图3 盾构机刀盘
表2 盾构机刀具配置
中
4 始发段掘进参数控制及设备优化改造
4.1 掘进参数
盾构始发段穿越砾石层，自稳定较差，地下水位较高，为确保掌子面稳定及提高排浆管携带大粒径砾石能力，根据实际掘进情况、仓内液位的波动情况、地面沉降监测等确定掘进参数，如下表3所示。
表3 盾构掘进参数
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4.2 盾构机姿态
结合拼装管片姿态与人工复合姿态对比，砾石地层成型管片平均上浮量为20～30mm，盾构机掘进垂直姿态控制在-20～30mm，每环纠偏量控制在6mm以内。
4.3 同步注浆及二次注浆
同步注浆采用注浆量及注浆压力双重控制，每环注浆量控制在5.5～6m3，注浆压力控制在0.3～0.35Mpa，确保壁后空隙填充密实，同步注浆配合比如下表4所示。
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表4 同步注浆配合比
二次注浆通过盾尾平台自备KBY-50双液注浆泵在管片拖出盾尾后4～6环进行，采用水泥水玻璃双液浆作为注浆材料，浆液配比为1：1，二次注浆压力为0.3～0.4Mpa，单孔注浆量为1～1.5m3。通过同步注浆和二次注浆，有效解决了泥水盾构机穿越砾石地层管片易上浮、地面沉降难控制的难题。
4.4 设备优化改造
通过进排浆管流量计算重新匹配P2泵功率，将原排浆管直径200mm调整为250mm，提高可最大携带砾石直径。
第一次改造采石箱内部结构，增加横向钢筋格网，间距150mm，利用钢筋网将采石箱分为二层，使排浆管路内大于150mm砾石头留在采石箱内，小于钢筋格网的砾石可正常循环至分离设备分离，大块砾石通过开采石箱进行人工清理，由于横向钢筋格网强度较低，实际施工过程中易变形。采石箱内部结构及第一次改造见图4。
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a）采石箱内部结构 b）第一次改造采石箱
图4 采石箱内部结构及第一次改造图
第二次改造采石箱内部结构，将横向钢筋格网改为横向钢板格网，间距150mm，满足实际施工强度及刚度要求，但由于钢板格网上部存渣数量有限，每掘进一环需开采石箱3-5次，掘进效率较低。第二次改造采石箱见图5。
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图5 第二次改造采石箱
第三次改造采石箱内部结构，将横向钢板格网改为竖向钢筋格网，间距150mm，通过实际施工验证，强度满足要求。同时增大采石箱容积，提高采石箱存渣量，将原将采石箱仓门螺栓连接改造为简易连接，确保快速开关仓门进行人工清理大块砾石，减少因开采石箱影响盾构掘进时间。第三次改造采石箱见图6。
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a）增加竖向钢筋格网 b）简易式仓门连接
图6 第三次改造采石箱
经过三次改造采石箱，使每环掘进开采石箱次数降低至1次，人工开采石箱清理渣土开关仓门时间节约0.5h，大大提高了掘进效率。
5 结论
该施工技术的成功应用，开拓了一套直接式泥水平衡盾构机遭遇大砾石掘进施工技术，在南宁轨道交通3号线土建施工02标11工区市博物馆站～青秀山站盾构施工中得到成功运用，大大减少了排浆管堵管及开采石箱清理砾石次数，提高了掘进效率，降低了施工成本，取得了良好的经济效益和社会效益。其研究成果对今后地铁或类似工程的建设提供了重要参考，同时对提高我国隧道和地下工程领域的总体技术水平也有着十分重要的意义。
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