丁勇
中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司 广东广州 510000
摘要：本文仅针对土压平衡盾构机在广西南宁地铁2号线富水圆砾层掘进的施工特点，根据工程施工经验和相关技术研究报告，从富水圆砾层盾构推进的速度、推力，刀盘的扭矩、转速，土体压力的控制、同步注浆工艺、出渣方量的控制等方面结合盾构机参数，详细分析富水圆砾层盾构推进相关参数的确定及过程控制，以实现盾构施工安全高效，避免盾构在施工中造成盾构机卡壳、刀盘卡死，地面沉降等诸多施工难题。
关键词：富水圆砾 盾构推进 技术研究
1 工程概述
南宁地铁2号线三十三中站～苏卢站区间设计采用盾构法施工，区间右线设计起止里程为YDK37+666.993～YDK38+732.104，长度为1065.111m。区间线路平面最小曲线半径为2500mm，最大纵坡为28‰。区间线路埋深10.2m～19.8m。区间衬砌采用钢筋混凝土预制管片，外径6000mm、内径5400mm，环宽1500mm按照转弯环类型分为标准环、左弯环及右弯环三种，转弯环管片最大楔形量为38mm。
三十三中站~苏卢站区间右线隧道洞身范围内主要地层为：圆砾层，局部粉土及泥岩层；隧道结构顶部覆土主要为粉土层、圆砾层；隧道结构下部主要为圆砾层及泥岩层。
图一：隧道纵断面图
区间隧道范围内地下水主要为第四系土层孔隙水，地下水主要赋存于圆砾⑤1-1中，水量丰富，透水性强。地下水稳定水位埋深为5.0～12.0m，标高为68.05～69.65m。
2 盾构掘进参数确定
盾构施工的关键技术是根据地质条件确定掘进参数，参数的确定直接关系到盾构施工的质量和进度。盾构法施工时应根据地质条件、水文条件、地层的变化结合相近地层的成功经验科学计算盾构掘进参数并在施工过程中严格控制和灵活调整，其中主要包括土体压力、出渣方量、刀盘扭矩和转速、掘进推力和速度、注浆方量和压力等。
2.1 土仓压力计算
土仓压力的设定是土压平衡盾构施工成败的关键，维持和调整土压力亦是盾构推进操作中的重要环节，这包含着推力、推进速度和出土量的三者相互关系，对盾构轴线和地层变形量的控制起主导作用。土仓压力设定采用水土合算公式P=∑rihik0i（其中r为土体的天然容重，h为土层厚度，k0为土体水平侧压力系数）进行计算，并根据实际推进情况及监测数据予以修正。
根据隧道纵断面图三十三中站至苏卢站区间均为27‰下坡，根据隧道断面分布进行分段理论计算得知第1环位置理论土压为0.81bar，第67环理论土压为0.89bar。
P01=∑rihik0i=（1.80×10.4×0+1.87×13.3×0.37+1.90×14.3×0.37+2.02×19.4×0.42+2.05×7.4×0.3）/5=0.81bar
P67=∑rihik0i=（1.80×14×0+1.87×13.8×0.37+1.90×5.5×0.37+2.02×8.4×0.42+2.01×7×0.43+2.01×12.1×0.40+2.05×13.6×0.30）/5=0.89bar
根据百米验收资料显示实际施工中实际土压力略低于理论土压力。
图二：百米验收土压统计
2.2出渣量计算
单环理论出土量V=πR2L=3.14×3.14×3.14×1.5=46.44m3（其中R为刀盘开挖半径3.14m，L为单环管片长度1.5m）。
三十三中站~苏卢站区间区间隧道洞身范围内地层主要以圆砾⑤1-1为主，局部隧顶为粉土③2、粉土③3、粉细砂④1-1。根据勘查资料显示，圆砾⑤1-1为稍密~中密，粉土③2为中密，粉土③3为密实，粉细砂④1-1为松散~稍密，结合隧道洞身范围内地层分部特点，可推断开挖土体为稍密~中密，松散系数较小。参考南宁地铁1号线类似工程施工经验，松散系数可取1.2~1.3，即为55.73m3~60.37 m3，可按照55m3~60 m3控制。施工中渣土外运采用18m3的渣土车进行，土箱高度约为1800mm，不考虑土箱内部结构，即为1m3/100mm，根据值班工程师记录，每环出土基本为3.5个土箱，装满的土箱渣土高度约为1600~1700mm，半箱土高度约为800~900mm，即单环出土量约为56 m3~60 m3。由于在富水圆砾层推进时容易发生喷涌造成超挖现象，所以必须对出渣量进行严格控制，根据在南宁富水圆砾层实际施工经验出渣量采用双重指标进行控制即体积方量与重量双重考核标准进行控制。
在实际施工过程中出土量统计如下表所示，单环出土量最小值为52m3，单环出土量最大值为61m3，平均值约为57.59m3，松散系数为1.24，与设定值基本一致。
图三：出土量统计表
2.3刀盘转速及扭矩
根据经验盾构在富水圆砾层施工时因砂卵石自稳性差，如果刀盘转速过高将会对土层产生很大扰动，不利于地表沉降控制，同时也加速了刀具的磨损，给开仓换刀带来很大风险。因此合理控制刀盘转速及扭矩将有效控制出渣量及地表沉降，减少刀具的磨损、延长刀具使用寿命、提高经济效益，减少开仓换刀施工风险。按照前期施工经验，刀盘转速基本控制在1.0-1.2rpm左右，刀盘扭矩一般为控制在2500~3500KNM。
图四：刀盘扭矩统计表
2.4推进速度及推力
理论上只要有足够推力盾构施工就可以获得足够的掘进速度，但是由于在刀盘转速一定情况下，当推进速度过大时刀盘贯入度也随之增大，在粒径较大且密实的砂卵石地层中极易造成刀盘卡死无法转动的情况，而推力的大小又须依据推进速度来调整，推力过大会引起刀盘掌子面土压极剧升高，对地表扰动加大同时在圆砾层中存在积仓风险，刀盘扭矩也会升高。因此盾构推力的大小要综合刀盘扭矩、推进速度、出土量围绕着土仓压力随时调整，根据前期施工经验富水圆砾层施工推力基本为1000-1300t左右；推进速度基本为30-50mm/min。
2.5同步注浆控制
盾构施工过程中同步注浆是填充盾尾间隙防止地表沉降的重要施工工艺，同步注浆的注浆方量、注浆压力、注浆速度都需严格控制。
同步注浆量V=π（R2-r2）L=3.14×（3.142-32）×1.5=4.05m3（其中R为刀盘开挖半径3.14m，r为管片半径3.0m）。考虑浆液的损耗及填充扩散，填充系数取1.2-1.8，即为4.86~7.29m3/环，实际注浆方量按照7m3/环进行控制，同步注浆的压力控制在3.0~4.5bar。
2.6二次注浆参数控制
在实际施工过程中砂卵石地层施工时需及时做二次补浆完全填充盾尾间隙，消除地层发生变形的空隙，进而有效的控制地表沉降。二次注浆应根据盾构推进实际情况进行如下控制：
1）在盾构正常掘进时，二次注浆在当前环后推12-14环处进行跟踪注浆，即在12-14环上方120°范围内利用管片上方三个吊装孔对管片进行二次跟踪注浆，并且每隔10环做一道闭水环，但是在实际施工中须根据出土情况、推进情况判断掌子面涌水情况，可能3-5环就要做闭水环二次注浆。注浆参数：注浆采用双液注浆较适宜，水灰比为1：1，水玻璃浓度为20-25波镁度，水泥浆和水玻璃体积比为2：1，初凝时间控制在40s左右，注浆终压控制在4-6bar。
2）由于富水圆砾层盾构推进过程中，出土较难控制易发生喷涌、超挖，当盾构推进出现超挖情况时需及时做二次补浆，即在盾构推过当前环3-4环后，在管片上方利用注浆孔及时对管片进行二次补浆，注浆参数为：水泥浆水灰比2:1-1:1，水玻璃浓度25-30波镁度，水泥浆和水玻璃体积比为1:1-2:1，初凝时间控制在20s以内，注浆终压控制住4-6bar，同时需根据地表沉降观测及时做二次跟踪补浆或选择地面注浆防止地表塌陷事故的发生。
3结语
通过以上经验数据分析盾构在富水圆砾层掘进时盾构姿态不易控制，刀盘扭矩变化较大，尤其是在富水地层容易发生喷涌，土体自稳性差，渣土不易改良容易发生喷涌、超挖，且地表沉降速率极其敏感，施工中应注意掘进参数的控制及渣土改良，严格控制出土方量及同步注浆，过程中实施二次补浆，保证注浆方量达到设计要求。