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摘要：针对本工程过珠江盾构区间特有地层，结合珠江水系及复杂环境，根据掘进参数，盾构机开仓地质情况，通过盾构机过珠江段掘进经验，总结盾构过江存在的问题及采取应对措施，有效解决盾构机过江重难点。
关键词：下穿珠江；富水地层；管片上浮；泥质砂岩；泥饼
1工程概况
1.1工程概况
琶洲站~员村站盾构区间右线长1100.03m，左线长1096.75m，本区间段线间距为13.20m～17.0m，纵断面为V型坡，最大纵坡25‰，最小纵坡2‰，区间隧道覆土厚度15.14m~28.55m。本区间设计范围内共设1条联络通道，长约7.2m，采用矿山法施工。
区间左、右线下穿珠江，穿江的区间长度大约为单线625米，隧道标高为-14.06～-21.26m，河底标高最低为-1.4m，隧道顶与河底净距约为15.14～21.85m。
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图1 琶洲站~员村站区间平面位置图
1.2管片设计概况
本区间线路采用钢筋混凝土预制件管片砌圆形隧道，隧道外直径6000mm，管片宽度1500mm，厚300mm，采用错缝拼装。混凝土等级为C50。
1.3工程地质及水文情况
1.3.1工程地质
琶洲站~员村站区间地层情况由上至下主要有<1>填土、<2-1B>淤泥质土、<2-2>淤泥质粉细砂、<2-3>淤泥质中粗砂、<2-4>粉质粘土、<3-2>中粗砂、<4N-2>粉质粘土（可塑）、<6>碎屑岩全风化、<7-1>砂岩、含砾砂岩强风化、<7-2>泥岩强风化、<7-3>泥质粉砂岩、粉砂岩强风化、<8-1>砂岩、含砾砂岩中风化、<8-3>泥质粉砂岩、粉砂岩中风化、<9-1>砂岩、含砾砂岩微风化。
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图3 左线地质剖面图
根据琶洲站~员村站区间地质详细勘察报告，对本工程区间隧道经过的地层进行了统计分析，区间隧道主要穿越<9-1>微风化含砾粗砂岩，占隧道长度约61%~77%，整体判定为岩体完整，抗压强度试验显示较软岩为主，个别铁钙质胶结的砾岩天然抗压强度达到57.1MPa为较硬岩，个别岩石11.0MPa为软岩、<9-3>泥质粉砂岩，占隧道长度约7%~9%，该层不均匀风化现象较多，局部夹中风化岩块，最大单轴抗压强度22.1MPa，平均抗压强度13.1 MPa、<8-3>中风化含砾砂岩占约14.9%，本层为软岩，岩体较完整～较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ～V级，软化系数0.34，判断其软化性强、<7-3>强风化含砾粗砂岩占约2.6%，具体统计数据见下图。
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图4 地层统计饼图
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图6 琶员区间芯岩照片
1.3.2周边环境及水文
本区间场地穿越珠江东航道，线路在河道下方穿行的长度大约为625m，河底标高最低为-1.3m，隧道顶与河底净距约为13.0～20.8m，勘察时间2017.6.30～7.18为丰水期，水深约5.10～7.30m。
第四系松散层孔隙水主要赋存于海陆交互相的淤泥质粉细砂<2-2>、淤泥质中粗砂<2-3>及冲洪积粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>中，其含水性能与砂的形状、大小、颗粒级配及黏粒含量等有密切关系。<2-2>、<2-3>、<3-1>层透水性中等，<3-2>层透水性强，含水层较连续分布，富水性较好。因区间大部分地段含水层上部覆盖淤泥质土层，故具有承压性，局部地段砂层埋藏在地表浅表，为潜水，稳定水位埋深一般在2-4m，河道上的钻孔，因河水与地下水存在密切水力联系，稳定水位统一定为0m。
层状基岩裂隙水主要赋存于含砾砂岩、砾岩、粗砂岩、砂岩、泥质粉砂岩等红层沉积岩强风化带及中微风化带中，地下水的赋存不均一，因上部为残积土及全风化带起到隔水作用，强、中、微风化带的裂隙水为承压水。
地下水位：场地覆盖层砂层稳定地下水位埋深约3.50-5.05m，高程为3.00-5.09m；基岩稳定水位埋深约3.05m，高程约3.45-5.07m。
2盾构机选型
根据琶洲站~员村站区间地质详细勘察报告，本工程区间隧道经过的地层进行了统计分析，区间隧道主要穿越<9-1>、<7-3>、<8-3>，局部位于<9-3>；左右线隧道洞身中、微风化地层占比达90%以上（左线<8>以上地层91.8%、右线<8>以上地层95.9%），掌子面稳定，且地层渗透性差（＜5*10^-6m/s），且隧道顶与河底净距约为15.48~21.36m，隧道整体埋深较深，根据始发场地空间受限，不能满足泥水盾构配套设置，采用土压盾构即能保证安全也能保证效率。
2.1刀盘配置
刀盘整体开口率为32%，刀盘的转速范围为0～4.5r/min。面板上共设计有6个碴土改良喷口，泡沫喷口6个（单管单泵），其中2个膨润土喷口与泡沫喷口共用，添加剂注入口设计时考虑了防堵和清洗管路的需求，即刀盘喷口设计为背装式结构，可实现喷口的快速更换和清理。
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图7 盾构机刀盘图纸
2.2推进系统
推进系统是由20组油缸组成的，其中单缸10组，双缸10组，共30个油缸。单个油缸的最大推力为1330 kN，单个油缸的推进行程为2200mm。主轴承直径3000mm，配置三排圆柱滚子，有效使用寿命≥10000小时；配备9组液压马达，额定扭矩6230kNm，脱困扭矩7449kNm。
2.3刀具配置
中心双联镶合金粒可更换滚刀4把、单刃镶合金粒可更换滚刀31把、正面刮刀32把、撕裂刀12把，边缘刮刀8把，滚刀备用包含光面重型滚刀及楔形齿滚刀，滚刀伸缩量175mm，刀间距90/100。
图11 楔形滚刀
3盾构机过江段关键参数
盾构机过江段掘进有效关键参数，根据试掘进采取参数，推力11000kn~15000kn，扭矩2200kn.m~3800kn.m，速度10~25mm，贯入度18~33mm，刀盘转速1.3~1.8rap，过江段参数变化曲线如下：
图15 转速曲线图
4盾构机过江段主要问题原因分析及对策
4.1管片上浮
4.1.1问题原因分析
（1）根据开仓情况，管片上浮原因由于盾构机位于过江段，地下水极其丰富，存在向上的浮力的作用。
（2）管片与岩层之间的空隙存在地下水，同步注浆注入的浆液容易被稀释，加长了浆液的凝固时间。
（3）根据计算管片自重约为201kN，砂浆浮力为F=ρgV=1825×9.8×42.30=758.14kN，且隧道下坡段竖向20.171‰的下坡，上部千斤顶比下部千斤顶的力更大，会产生一个向上的分力，成型管片下部受到的力比上部受到的力更大，引起管片上浮。
（4）根据同步注浆浆液配比，优化前砂浆配比：水泥：粉煤灰：水：膨润土：砂=190kg：430kg：430kg：25kg：200kg，配比初凝时间12~14小时，收缩率20%较大，在凝结时间内，管片通过地下水快速上浮，二次注浆不及时导致管片未及时控制而上浮。
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图16 管片前后上浮量对比曲线图
4.1.2对策
（1）优化同步注浆的砂浆配合比，合理模拟浆液在富含地下水环境下的凝固时间，优化后砂浆配比水泥：粉煤灰水：膨润土：砂=120kg：300kg：250kg：50：400kg，将浆液初凝时间控制在4h以内，收缩率控制在10%以内。
（2）加密二次注浆的频率，及时二次注浆，管片脱出盾尾三环进行二次注浆，控制来水从而控制管片上浮。双液浆初凝时间在富含水地层初凝时间尽量控制在1min以内，注浆压力为0.3~0.4MPa，注浆量为每个孔位0.5~1.0m³，原则上为“少量多注”。
（3）管片螺栓多次复紧，减少管片的松动，避免错台。
（4）在脱出盾尾后第三环，11点和10点位的管片吊装孔安装顶托，隔环设置，撑住管片。
（5）盾构推进在保证管片盾尾间隙及管片质量前提下采用垂直姿态采取下压形式预留上浮量。
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图17 砂浆优化前 图18 砂浆优化后 图19 管片顶托
4.2刀盘结泥饼
4.2.1问题原因分析
（1）过江地层地质情况基本位于<8-3>、<7-3>、<9-3>泥质砂岩地层，隧道穿越大部分为<8-3>、<9-3>，当盾构机在该地层中掘进时，泥质粉砂岩地层遇水软化和刀盘掘进挤压形成泥团堆积附着在刀盘及刀盘牛腿上，不断碾压后形成的在施工过程中容易在刀盘中心区和土仓中心区形成较厚的“泥饼”。
（2）珠江地下水系丰富，刀盘切屑松散泥岩遇水融化，形成高稠度泥块，通过刀盘搅动形成“泥团”，掘进渣土改良不充分不及时，泥团形成泥饼。
图21 刀箱结泥饼
4.2.2对策
（1）增大刀盘开口率，最大限度改造刀盘开口面积，减少刀盘不受力构件避免泥饼的形成，可通过刀盘改造或割除刀盘开口格栅型式来加大刀盘开口率，本区间通过有效割除开口格栅32块，增大面及由原来32%增大至35%。
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图22 割除前 图23 割除后
（2）渣土改良，过江段渣土使用泡沫水进行改良，泡沫浓度3%，每环使用量不小于35L，根据出土情况及掘进参数及时判断渣土改良效果，及时进行调整，决定是否加水以提高渣土改良效果，避免泥饼形成。
（3）采用盾构掘进辅助气压模式，根据区间地层为泥质砂岩，自稳性较好，可选择采用辅助气压，辅助气压模式即土仓下半部为土上半部为压缩气体，在土仓上半部设置两个不受影响的气压检测仪器以观测压力变化及气渣界面高度，顶部为岩层气渣界面高度不效于土仓1/3，须精准控制盾构机土仓压力来合理调节稳定掌子面，气压调节可通过自动保压系统，或设置三通气管调节，应控制好气渣界面，避免了“拉风箱式”冲击掌子面失稳。
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图24 辅助气压平衡机理
4.3刀具磨损
4.3.1问题原因分析
（1）滚刀由于刀箱结泥饼导致启动扭矩增大，刀具硬度大韧度底，单轴抗压强度小在砂岩段掘进，一旦贯入度大容易刀圈崩裂，球齿刀段齿。
（2）本区间隧道通过6次开仓换刀，选用3种不同类型型号刀具，更换滚刀类型有球齿滚刀（耐磨性等级为4级，耐冲击性能等级为2级，适用于单轴抗压强度＜90MPa的磨砺性岩层）、光面滚刀（耐磨性等级3级，耐冲击性能等级3级，适用于单轴抗压强度＜120MPa的岩层）、破岩性楔形滚刀（耐磨性等级为6级，耐冲击性等级为3级）三种刀具，根据开仓刀具磨损情况，光面滚刀存在崩圈，球齿滚刀刀圈崩齿数量较多，而楔形齿滚刀大部分正常磨损，综合分析，在易结泥饼地层，形成刀箱结泥饼增大滚刀启动扭矩，当启动扭矩偏大时滚刀刀圈与岩面相互作用力使刀圈崩裂，而球齿刀圈球齿与母体焊缝是个薄弱点，容易崩裂。
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图25 刀圈崩裂 图26 球齿崩齿 图27 楔形齿刀
（3）选择不合适的掘进参数，根据本地层泥岩特性，刀箱容易结泥饼，刀具裹住在推进时若采用大推力，大贯入度时极容易导致刀圈崩裂。
4.3.2对策
（1）合理选用滚刀刀具类型，根据滚刀各性能参数结合现场刀具使用适应分析结果得出，在泥岩地层可通过选用耐磨性高，耐冲击力大的楔形齿滚刀。
（2）盾构机过江前应做好过江准备工作，选择合适地层经常开仓检查刀具磨损情况，做奥刀具更换。
（3）合理选择盾构掘进参数，调整关键参数，根据本地层为泥岩的地层强度，采用小推力，低贯入度、低速度、高转速的掘进参数进行掘进，即保护刀具减少开仓换刀保证掘进效率，合理采用入度为8~12mm，速度18~22mm，转速1.6~2.0掘进。
4.4喷涌
4.4.1喷涌问题原因分析
（1）过江段掘进螺旋机出土容易螺旋机后闸门出现喷涌现象，导致土仓压力波动较大，拼装机下方泥渣清理量大。
（2）珠江地下地层与珠江水存在水压联系，岩层裂隙水连通进入土仓，使土仓内地下水增多，盾构机在停机后恢复掘进过长由于土仓水增压导致出土时喷涌。
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图28 螺旋机喷涌 图29 螺旋机底下泥渣
4.4.2对策
（1）管片在脱出盾尾后采用“三环一注浆，十环一封环”从而封堵后方来水。
（2）保证盾构机连续掘进，避免盾构机长时间掘进，如果盾构机无法连续掘进需要停机时须提前做好停机保压措施，在盾尾后面3~5环做好二次注浆止水环，并在盾体径向孔注入高粘度泥浆有效封堵盾尾后方来水。
（3）根据埋深计算水土压力，在合理压力设置范围内采用辅助气压，向土仓注入高粘度泥浆，多次搅拌形成泥膜，注入气压，保持上半部高气压稳定，从而封堵裂隙水及后方来水的进入。
（4）在喷涌时，利用双级螺旋输送机的防喷涌特点进行紧急处置。即通过Ⅰ、Ⅱ级螺旋输送机闸门的有序启闭，使Ⅰ、Ⅱ级螺旋输送机交替排渣，避免渣土喷涌。
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图30 对策后螺旋机出渣口示意图
5小结
针对本区间特有泥岩地质及水文情况，地层自稳性较强为前提，通过对本工程盾构机下穿珠江掘进施工存在常见的主要问题进行阐述分析，针对性的采取措施得到有效控制进行总结，琶员区间是十一号线本标段所有盾构区间最先始发掘进的盾构区间，其余各区间地质情况均相近，总体大同小异，通过本次总结期望以指导后期各工区盾构施工及对过江盾构施工起到借鉴作用。
参考文献：
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