龙建平
中国水利水电第七工程局有限公司 610213
摘要：本文将以实际工程案例为基础，对小半径无水大粒径卵砾石地层盾构施工技术的应用情况加以研究。文章先介绍案例工程概况和施工难点，然后从设备技术优化、土体改良和掘进参数优化等角度出发，对小半径无水大粒径卵砾石地层盾构施工技术要点进行论述，希望能为相关工作人员带来参考。
关键词：小半径；无水大粒径卵砾石地层；水利工程；盾构施工技术；盾构机
前言：盾构施工技术是一种全机械化施工方法，在水利工程建设当中应用广泛。基于盾构法构建输水隧道，可以有效保障施工质量和安全，还能够为提高施工效率提供支持。在实践工作当中，盾构施工技术的实用性与盾构机选用、土体环境有着直接关系，所以在水利工程当中，施工人员必须强调土体改良和机械优化。
1盾构输水隧道工程概述
1.1施工背景
案例工程的盾构输水隧道长度约为1.82km，两段盾构区间约为3.4km。在施工过程中，盾构机从西北方向东南方掘进，曲线半径的最小设计值为275m，曲长度为隧道总长的32.8%。盾构管片的外直径、内径、宽度、厚度分别为：3.8m、3.2m、1.2m和0.3m，以弯曲螺栓作为管片连接件。案例当中的盾构输水隧道位于河岸一级阶地，底部高程与埋深分别为57m和14m；隧洞置于卵石层，卵石粒径大多在4-12cm范围内，土层密实度较高，含泥量低但含砂量不低（5%-20%），虽然卵石有着良好的磨圆度，但是成分复杂且粒径大，级配不良。该区域含水层薄，地下水以潜水为主，不会对掘进施工造成影响。
1.2施工难点
在本次施工当中，必须穿越无水大粒径卵砾石地层，所以施工难度极高。结合施工区域的实际条件、施工要求，以及现有技术经验开展技术应用分析后，相关工作人员应该对以下施工难点加以重视：
第一，盾构施工机械。盾构施工主要依靠盾构机开展，无水大粒径卵砾石地层施工环节，盾构机械所承受的磨损压力较大。此时，刀盘、密封舱以及螺旋输送机都十分容易磨损，将会严重影响机械的正常施工，更会缩短设备使用寿命。
第二，施工条件复杂。案例施工环节，受限于土层条件和施工技术，难以保证土压平衡状态，而且卵石难以切割，渣土外排的难度也相对较高[1]。
第三，施工技术要求高。在无水大粒径卵砾石地层施工环节，盾构机掘进将会受到极大阻力，只有选定性能优越的机械才能保证施工顺利。而且，案例工程当中的盾构区间极长，盾构机的独头掘进风险相对较高。此外，本次施工需采取小半径曲线施工，但这一环节存在轴线控制难度大和管片易破损的问题，所以盾构技术应用标准极高。
2盾构隧道施工技术优化路径
2.1机械优化
优化盾构机参数可以提高盾构机的适用性，进而满足本次无水大粒径卵砾石地层施工要求。从实践角度来看，盾构机需要朝着增强渣土进入顺畅性、增强设备扭矩与推力、增强排渣能力和增强渣土改良有效性方向优化。在本次施工当中，建设单位将基于4.30mm土压平衡式盾构机施工，为提高施工有效性将从以下方面优化机械参数：首先，选用采取“幅条+面板复合式刀盘”打造刀盘结构，两种组成件各4件，使开挖直径达到4060mm并选用梅花形刀盘法兰和4支腿设计，还适当增加刀盘格栅；其次，增大设计扭矩，使其额定扭矩与脱困扭矩分别为2501kNm和2920kNm，还需让刀盘的推力与推进速度增加；再次，将螺旋输送机调整为基于液压驱动的无轴螺旋；最后，配备完善的土体改良系统，实现膨润土浆液以及泡沫的合理注入。
2.2土体改良
改良土体时，相关工作人员的工作重点应集中在改良其塑流化方面，这样一来可有效降低盾构机磨损率，为盾构机推进提供良好条件，更可以强化施工环节的地面沉降控制水平。此时，施工人员需要先确定土体改良的材料，并且保证材料应用有效性。
比如，基于盾构机的膨润土注入与泡沫注入系统，实现添加剂（改良材料）有效注入，通过机械旋转搅拌实现改良材料与原土之间的深入混合，从而推动土体稠度、透水性、摩擦阻力和流塑性优化。这种优化方法优势明显，可以充分满足盾构机在无水大粒径卵砾石地层施工环节的实际应用需求。在优化环节，相关工作人员可通过调整添加注入点的方式提升土体改良效果；也可以通过严格控制注入量的方式，增强改良土体的施工便捷性[2]。
2.3参数改进
选择合适的参数，对于底层盾构施工而言极为关键，主要注意事项分别为控制注浆量、控制土压力、盾构推力、出渣量和刀盘参数。详细内容，如下所述：
2.3.1控制土压力
考虑到卵砾石地层是输水隧洞所处的位置，故在施工过程中，如果将土压平衡盾构机作为主要选择，应提前考虑设备刀盘的卡死问题，究其原因，主要是土压数值、盾构推力和刀盘扭矩之间具有正比关系，想要解决此类问题，应采取有效的措施，对刀盘磨损现象加以改善，通过控制盾构推进阻力的方式，确保掘进速度有效提升，本文建议有关单位在保证地表沉降要求与标准相符时，选择合适的欠压模式进行掘进。在这一阶段，还要将隧洞覆土厚度8-10m作为依据，将土仓上压力控制在上下，而对土仓下压力，则需控制在上下。
2.3.2控制出渣量
盾构机在掘进过程中，出渣量如果过大，会导致地面沉降问题的发生，因此，对出渣量进行控制，是保证施工质量的关键，以我国华北地区的地层为例，结合过往施工经验，在进行施工时，针对地层松散系数，应该将1.1-1.2作为主要考虑，同时将各环的出渣量控制在。但在实际施工阶段，还应将地层和地表沉降监测结果作为依据，对出渣量加以调整。
2.3.3控制盾构推力
在刀盘转速保持一定时，掘进速度和刀盘贯入度之间存在直接关联，简言之，就是掘进速度越大，刀盘贯入度越高，此时，在粒径大的密实卵砾石中施工，会导致卡刀盘等现象出现的概率加大。为此，在进行盾构施工时，应避免推进速度发生过大的改变，在结合施工经验后得知，在无水卵砾石地层中，盾构机的最大推力应该保持在以下。
2.3.4控制刀盘参数
考虑到无水卵砾石地层的稳定程度较低，如果刀盘的速度超过标准，会导致刀盘和刀具受到严重的磨损，与此同时，还会提高施工扰动土体的强度，对于土体自稳而言极为不利。基于施工经验，认为在施工阶段，需要以为标准控制刀盘转速，对于扭矩的控制，应该以为宜。如果刀盘的扭矩大于75%，应及时检查土体改良效果，并在此基础上，优化刀盘的参数。
2.3.5控制注浆量
在盾构施工阶段，控制注浆量尤为关键，基于施工经验可知，实际注浆量应该为理论注浆量的1.5倍，简言之，就是各环同步注浆量不得低于。此外，还要做好二次补浆，管片两侧上半圆范围是补浆位置，同时将双浆液作为二次注浆阶段使用的原料。
2.4盾构隧道施工的最终效果
在采取上述优化措施后，盾构施工速度显著提升，解决了传统施工方法存在的缺陷，如刀具严重磨损、大粒径卵石地层无法有效掘进、螺旋机卡停频繁等现象，在优化后，盾构推进的速度为39环/d。并且，管片错台、轴线偏差均与设计要求相符。由此可见，本次盾构隧道施工的效果极为显著。
结论：综上所述，基于盾构施工技术在小半径无水大粒径卵砾石地层当中构建输水隧道难度极高，机械参数、掘进方法以及施工环境都会对正常施工造成严重干扰。为此，相关工作人员必须全面掌握盾构施工技术、优化盾构机应用参数性能，并实现土体改良与掘进参数优化，才能保证施工的安全性、高效性，打造高品质盾构隧道工程。
参考文献：
[1]李鸿.大粒径卵石地层隧道直接式泥水平衡盾构机关键技术研究[J].科技创新导报,2020,17(35):48-51.
[2]马文辉,杨成永,彭华,等.卵石地层中盾构下穿盾构隧道的设备改造及施工控制[J].桂林理工大学学报,2021,41(01):105-110.