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成都地铁土压平衡盾构施工关键技术
发布时间：2013-10-21 09:48 来源：未知
1、工程地质及水文地质
成都地铁l号线区间隧道主要在含水量丰富、补给充足的强透水的砂卵石地层通过。隧道结构底板埋深约14.0m一21.0m，位于地下水位以下。隧道穿越地层卵石含量约占55%～80%，含少量大粒径漂石，一般含量为5%～10%。前期勘测阶段发现漂石最大粒径为670mm，施工中发现的漂石最大粒径为600mm。砂卵石的单轴抗压强度为55MPa—165MPa，最大值为209MPa。充填物为细砂及圆砾或细砂，中砂夹少量粘性土，稍密～密实。该区段卵石含水层渗透性较强，富水性较好，含水较丰富，渗透系数一般在(1.7～2.3)×10-4m／s。根据四川省地矿厅环境地质监测总站对成都市地下水动态长期观测资料，区间地下水位一般在4.lm～8.75m左右，实际施工中观测在8m—llm。
2、盾构类型的选择
从施工技术上来说，选用泥水盾构和土压平衡盾构都是可行的，但土压平衡盾构与泥水盾构相比有着实质的成本优势。另一方面，如选用泥水盾构，因采用泥浆管出碴，通过的最大粒径有限，隧道开挖面大于150mm的砂卵石均需进行破碎；而土压平衡盾构即使采用有轴式螺旋输送机也能通过300mm粒径的砂卵石，因此，土压平衡盾构在技术上也占有优势。
3、刀盘刀具设计
1)刀盘的结构设计成都地铁1号线使用了德国海瑞克公司制造的土压平衡盾构，刀盘结构见图l。刀盘标称直径6 280mm，厚400mm，从法兰盘底面到刀盘面板高度为l 200mm，刀盘总重约50t。刀盘面板上共设计有8个泡沫注入口，土舱的压力壁上预留了4个泡沫注入口备用。泡沫注入口也可以用来加水、膨润土等。刀盘有多个开口槽，以利于中心部位碴土的流动；刀盘开口率为25%，刀盘开口部分加焊隔栅及粒径限制器，只允许300mm以下粒径的碴土通过，以利于螺旋输送机的出碴。
2)刀具配置与优化刀盘上配置了4把中心刀（17”双刃滚刀）、32把17’单刃滚刀、28把切刀，8把周边刮刀。滚刀可以换装撕裂刀。
成都地层采用滚刀破岩的难点在于有的地段固结不好，砂层很松散，卵石和漂石在刀盘搅动下到处跑动，难以被滚刀压住，不仅不能被破碎，相反被推到滚刀旁边的卵石就象磨刀石一样对刀具造成磨损，直到卵石最终被刀盘或其他卵石连续挤压而破碎。对于松散的砂卵石，宜采用重型撕裂刀进行破碎。重型撕裂刀的破碎机理是利用撕裂刀随刀盘高速旋转产生的冲击惯性能力进行“锤击”破碎。，如果刀盘转速偏低或扭矩不足，则撕裂刀不能有效破碎卵石。
从1号线的施工实践看，平均掘进l00m就需换刀，同时还存在包裹性大的问题，造成对滚刀和刀盘的严重磨损。在富水砂卵石地层使用土压平衡盾构施工时，为提高施工效率，宜采取“排出为主，破碎为辅”处治理念。对粒径小于300mm的卵石可不经破碎直接排出，对粒径大于300mm卵石或大粒径漂石宜采用重型撕裂刀进行破碎。同时刀盘驱动宜采用节能、高效、动力刚性大的变频电机，从而有效提高破岩效率。
4、螺旋输送机优化设计
成都地铁l号线盾构工程区间隧道穿越的地层基本为全断面富水砂卵石，为防止喷涌，采用了有轴二级螺旋输送机。
从成都地铁l号线施工实践看，施工时由于碴土改良效果好，建立了合适的土压力，地下水虽然比较丰富，但尚未达到喷涌的程度。而且砂卵石地层中螺旋输送机磨损严重，拆除修复均极为困难。因此，宜优化为采用双闸门防“喷涌”结构的单级螺旋出碴（图2），螺杆宜采用基板加高强耐磨板双层焊接结构，螺旋机的前段采用配有隔离门的可伸缩式可拆卸结构。同时，在设计时宜抬高土舱内螺旋机的位置，以免�；甭咽褡÷菪斐善舳选�
5、带压换刀保压措施
成都地铁富水砂卵石地层盾构施工时，换刀相当频繁。在该地层换刀，可采用常压换刀和带压换刀两种方式。带压进舱换刀方式基本不影响地面环境，因此应首选。
富水砂卵石地层孔隙率大，带压过程中气体易逃逸，导致压力难以保持，进而影响施工安全。为有效填充地层孔隙，防止气体逃逸，在带压进舱换刀过程中，还应准备30m3/h的大容量空压机；并准备膨润土泥浆对盾构土舱周围的土体进行封堵。成都地铁盾构带压进舱用于封堵的材料为优质膨润土泥浆，配合比如表l所示。
6、碴土改良技术
碴土改良的目的是降低碴土的内摩擦角，降低刀盘的扭矩，增加碴土的流动性，渗透性，从而达到堵水、减磨、降扭及土舱保压的目的。成都地铁土压平衡盾构配有泡沫注入系统和膨润土注入系统等2套碴土改良系统（见图3），2套系统共用l套输送管路，所有管路经旋转接头均可到达刀盘面板和土舱，共同对碴土进行改良，改良效果完全能够满足本工程的需要。
1)泡沫系统泡沫系统通过螺杆泵泵送泡沫剂与一定比例的水混合，经过泡沫发生器高压空气吹压发泡产生大量的泡沫，通过管路输送到刀盘前面、土舱或螺旋输送机内与碴土混合。施工中使用了国产TWL39型泡沫剂。泡沫溶液的组成为泡沫添加剂3%～5%，水95%～97%。每掘进l环，泡沫剂的注入量为35L～50L。
2)膨润土注入系统将膨润土（泥浆）输送管道打开，通过膨润土（泥浆）输送泵将泥浆或者膨润土压入刀盘、土仓和螺旋输送机内，压人膨润土（泥浆）的量为出碴量的IO%～20%。
7、掘进参数的选择
土压平衡盾构具有3种工作模式，即土压平衡模式、敞开式和半敞开式。富水砂卵石地层稳定性较差，地下水丰富，因此采用土压平衡模式进行掘进。
盾构掘进参数随不同的地质条件、不同的施工阶段而改变。盾构在富水砂卵石地层掘进过程中，为了防止地层扰动过大、保持土体的强度及自稳性，掘进时刀盘转速不宜过高，否则易造成地层失稳、地表沉降量超限等严重危害。根据成都地铁l号线盾构掘进施工经验，在富水砂卵石土地层中，盾构主要掘进参数见表2。
8、地表沉降控制
8.1地表沉降监测
1)地表变形的发展过程根据现场监测数据其变形规律可以分为5个阶段。盾构在卵石层中掘进时，因已建立起了良好的土压平衡，且地下水位较深，施工引起的第1阶段变形比较小，都在±0.5mm之内，盾构施工引起的变形主要发生在2、3、4三个阶段，表现为盾构掘进时对前方掌子面及周边土体扰动、盾尾空隙的土体应力释放所引起的变形等，其变形约占总变形值的90%左右；第5阶段因同步注浆比较及时、饱满，在盾构脱尾后，变形较小，约占总变形的10%左右，其变形在刀盘通过测点30m～40m后基本就趋于稳定。
2)纵向沿隧道中线地表沉降盾构在砂卵石地层中施工时，右线隧道中线地表沉降量基本都在-4mm～-14mm之间，多数沉降稳定在-6mm～-l0mm之间；左线隧道中线地表沉降变化基本都在-8mm～-20mm间，多数沉降稳定在-10mm～-15mm之间。
3)横向地面沉陷槽和影响范围 根据现场监测数据绘出盾构掘进时地面横向沉陷槽和影响范围见图4。沉降槽曲线基本沿隧道中线呈正态分布，一般在轴线处的沉降值最大，隧道洞径范围是其沉降的主要范围，离隧道中线5m处的沉降值基本占峰值的65%左右；轴线5m—10m为次要沉降区，距隧道中线IOm处的沉降值占峰值的10% N15%左右，其单线沉降槽宽度为20m左右（约3倍洞径）。
从实测沉降结果可以得出：盾构在卵石圆砾层中掘进时，引起的地表沉降控制较好，远小于规范的限值。盾构在卵石层中掘进时，虽因刀具、刀盘受到不均匀的作用力，增加了盾构姿态控制的难度，但因参数选择合理，建立丁良好的土压平衡，并通过对碴土进行改良和加大注浆量，盾构各掘进参数在监测的反馈指导下设置较好，地面沉降得以有效控制。
8.2建（构）筑物沉降监测
地面建（构）筑物的沉降规律与地表沉降规律基本一致，最大沉降速率发生在盾构脱尾阶段。其沉降规律为在主要沉降影响区的房屋（盾构隧道轴线两侧5m范围内）沉降大，大多在-10mm～-15 mm之间；主沉降区外沉降值基本都小于-3.0mm，距隧道轴线较远(l0m以上)地段，盾构掘进对房屋基本没有影响，其沉降变化量在-lmm以下。另一方面，新的、基础较好的房屋沉降相对较小，且房屋由于基础的作用，沉降比相应位置的地表略小。
9、结束语
成都地铁盾构工程所处的基本地质条件是富水砂卵石地层，与其它城市地铁工程相比，具有地下水位高、卵石含量高、地层强度高的特点，加上成都地铁施工所处位置高楼林立、商业发达，交通繁忙、人流密集，要多次下穿河流及大量不同时期修建的多种建（构）筑物。所处的地质条件和施工条件都极为困难，技术复杂程度要远远高于国内其它城市。通过成都地铁l号线的盾构施工实践，基本摸索出了适应于富水砂卵石地层土压平衡盾构的施工经验，成功解决了盾构施工的碴土改良、带压换刀时保压和地面沉降控制等技术难题，为富水砂卵石地层盾构的地质适应性设计提供了参考。
