上软下硬地层泥水盾构掘进施工技术

张正，王迪，刘双红 , 李冬

【摘要】本文结合叠滘站~中山公园站区间（简称“叠中区间”）左线地质条件及施工现场实际情况，分析上软下硬地层泥水盾构机掘进控制，通过刀盘冲刷泵对刀盘冲刷、采用分散剂或草酸浸泡土仓和刀盘，开启采石箱搅拌器掘进分析其可行性，提出了在该类地层掘进施工风险控制的对策，并对该类地层的施工有关情况进行了总结，为以后类似工程提供相应的借鉴。

【关键词】上软下硬、刀盘冲刷泵、采石箱搅拌器。

1、工程概况

佛山市城市轨道交通三号线工程3205-2标叠滘站～中山公园站区间（以下简称“叠中区间”）采用盾构法施工，左线长982.657m。隧道拱顶覆土10.494m~23.075m。

叠中区间左线隧道洞身穿越地层主要为：<2-3>淤泥质中粗砂、<3-1>粉质砂层、<3-2>中粗砂层、<3-3>砾砂层、<6>全风化碎屑岩、<7-2>强风化泥岩、<8-2>中风化泥质粉砂岩。

图1 叠滘站～中山公园站区间左线地质纵断面图

2、上软下硬地层泥水盾构掘进重难点及采取措施

叠中区间上软下硬主要是指洞身整个断面上部是自稳性很差的砂层，下部是强风化泥岩层，泥岩强度低，遇水搅拌就变软，且粘性很高。盾构机在掘进过程推力出现超过24000KN，速度只有3-10mm/min，盾构机姿态上飘、结泥饼严重，泥岩积累在采石箱，环流不畅出现滞排，频繁开采石箱，掘进不连续，地面沉降过大。

针对施工中的重难点，采取相应的对策有：

（1）在掘进速度低，推力大，泥水分离站只出砂，不出泥岩的情况下，对土仓按试验比例注入分散剂或草酸，进行24小时泡仓，恢复掘进时泥水分离系统明显能筛出大量泥块，且掘进速度也增大了一点，故在该地层掘进需进行计划性泡仓，提高掘进功效。

（2）掘进过程中盾构机参数持续恶化，分散剂或草酸泡仓效果甚微时，提前计划开仓事宜，选好开仓位置，尽量避开重要建（构）筑物，在交通量少或无车辆的区域进行开仓作业。

（3）对盾构机自带的90KW的P0.1刀盘冲洗泵进浆口进行改造，把原有设置在采石箱上冲洗泵进浆口改管路至盾构机环流系统中的进浆管，尽管原进浆口设有格栅，但冲洗泵管任被采石箱中的泥块给堵死，上软下硬掘进过程中，用优质的泥浆对刀盘及土仓进行冲洗，使仓内泥岩块能冲刷变小，泥浆环流变得顺畅，盾构机掘进效率也得以提高。

（4）采石箱开启搅拌叶掘进，原本由于泥岩块在采石箱滞留问题，一环掘进中采石箱需开启4-8次，时间全部浪费在清理采石箱上，致使每天只能掘进拼装1环，功效极低，开启采搅拌叶推进后，采石箱开启次数缩减了一半，掘进效率提高一倍，但唯一存在的问题使采石箱密封性能很容易破坏，导致漏浆严重，隧道清理困难，在采石箱密封问题上现任无法解决。

（5）硬地层掘进遵循“低转速、低贯入度”的掘进原则，把控好盾构机过程控制：

①适当提高仓压至静止水土压+0.3bar，刀盘转速宜控制在1.3-1.5 rpm，速度控制在5-15 mm/min，速度过快，切削下来大块泥岩，容易导致采石箱滞排，尽量保持连续掘进。

②进浆泥浆比重在1.12~1.15g/cm³，粘度为24-25s。

③同步注浆保持在8m³/环，浆液初凝时间控制在4.5h左右；当盾尾后地表沉降超过控制值-30mm时，则在盾尾和盾体径向孔注入厚浆。

④严格干渣量统计，判断是否存在超排情况。

⑤盾构机不往前推进时不转动刀盘，避免对掌子面的扰动。

⑥掘进时盾构机操作手时刻注意仓压波动情况，盾构机仓压波动≥0.2bar时，及时开启机外旁通模式，视情况对采石箱或土仓进行逆洗，土仓逆洗控制在半分钟内，避免造成土仓顶部泥浆管堵塞问题，3次由于滞排问题开启旁通模式或逆洗模式，便开采石箱。

⑦采石箱清理完成，关闭后，复推前开启机外旁通，把旁通模式的几路管道全部环流一次，管路流量稳定和P2.1泵进浆口压力稳定后，方可切入至掘进模式，保证管路内滞留空气全部排出。

3、注意事项

（1）分散剂或草酸进行泡仓时，考虑土仓泥浆存量，采用筛分出来的泥岩块放入通过分散剂或草酸不同的稀释程度进行浸泡，记录好泥块分解程度及浸泡时间，选出最优方案。

（2）掘进过程中盾构机姿态变化，随时通过铰接油缸和推进油缸调整姿态，做到勤纠偏，小纠偏，避免姿态失去控制。

（3）每环掘进做好渣土排量统计及地表监测情况，适当增大同步注浆量，盾尾后8环及时跟进二次注浆，如地层损失过大，地表沉降不受控制，便做好地面注浆准备，进行地层填充注浆。

（4）做好循环泥浆质量控制，比重控制在1.15 g/cm³，粘度在25s左右，优质的泥浆有较好的挟渣能力。

（5）掘进启用刀盘冲刷泵时，中心以上的管路尽量保持关闭，只开启中心和下部管路对刀盘及土仓内进行冲刷，避免上部砂层扰动过大，地面沉降过大。

4、结语

叠中区间左线通过上软下硬地层盾构施工经验，通过合理的辅助措施, 有效提高盾构机在上软下硬地层的掘进效率，也使人警醒，盾构机始发前，应根据详勘地质情况对盾构机的各项功能进行系统的适应性分析，尽管不能在地层上或掘进参数上有效的解决问题，可以在设备上进行适当改造提高盾构机的掘进功效，例如：

①在该上软下硬地层掘进时，加长刀盘上的主动搅拌棒，使得土仓内的粘土充分搅拌，便不会使得大块泥土在土仓或采石箱中滞排；

②采石箱中的进浆口和出浆口管道直径一致，从土仓中环流出来的渣土能有效的通过采石箱的进、出浆口，有效的减少采石箱次数，提高掘进功效，不会把时间浪费在开采石箱上；

③尽管采石箱进、出浆管路直径不一致，始发前，在土仓内的出浆管上焊接一个控制渣土一定直径通过的格栅，也能有效减小采石箱开启的频率，从而提高盾构机的使用效率。

④合理考虑刀盘开口率，密集的刀具配置及隔栅会使泥岩进仓不顺畅，易容使刀盘结泥饼

故盾构施工一定要遵循“地质是基础，设备是关键，人是核心”的原则，规避一些能解决而未解决的问题。

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