富水砂卵石地层盾构机选型与参数优化分析_张文朋.pdf

建筑资讯建 筑 技 术 开 发6 Building InformationBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月富水砂卵石地层盾构机选型与参数优化分析张文朋1，秦 晋1，郑选荣2，岳雪茹2（1.中交二公局铁路建设有限公司，西安 710054；2.西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安 710054）摘要 针对西安地铁六号线长距离隧道盾构下穿富水砂卵石地层，结合已有的掘进技术经验，对选型主控因素进行了分析，确定了该区域盾构掘进选用土压平衡盾构机的选型方案。内容着重对6 m直径的V字坡隧道工程选用的盾构机外径、刀盘、刀具进行了理论计算与设计；结合现场实测数据的反馈，结果表明对盾构姿态、掘进速度、同步注浆等掘进参数不断优化，有效解决了刀盘结泥饼、刀具磨损等施工 问题。关键词 富水砂卵石地层；盾构选型；土压平衡盾构机；参数 中图分类号U 455.43 文献标志码A 文章编号1001-523X(2023)02-0006-03ANALYSIS OF SHIELD MACHINE SELECTION AND PARAMETER OPTIMIZATION IN WATER-RICH SAND AND PEBBLE STRATAZhang Wen-peng，Qin Jin，Zheng Xuan-rong，Yue Xue-ru AbstractIn view of the long distance tunnel shield of Xian Metro Line No.6 under water-rich sand and cobble strata,the main control factors of the selection were analyzed in the light of the existing experience in tunnelling technology,and the selection scheme of earth pressure balanced shield machine for shield tunnelling in this area was determined.The content focuses on theoretical calculation and design of the shield machine outer diameter,cutter disk and tools for the 6 m diameter V-shaped slope tunnel project;combined with the feedback of field measurement data,the results show that the shield attitude,boring speed,synchronous grouting and other boring parameters are continuously optimized,effectively solving the construction problems such as cutter disk mud cake and tool wear.Keywordswater-rich sand and pebble strata;shield selection;earth pressure balance shield;parameters西安城市轨道交通隧道区间工程在建设中不可避免地下穿复杂的砂卵石地层及既有建（构）筑物，在盾构下穿过程盾构机对土体产生扰动使得土体稳定性遭到破坏，施工的难度增大。盾构机选型是否适用，掘进参数优化是否合理决定着工程能否顺利完成。杨辉等1针对大开口率刀盘盾构机施工时地面沉降难以控制、刀盘易卡死等问题提出了解决方案，确定了适用的盾构机选型方案；张伟等采用理论分析对盾构机选型参数进行计算，通过现场地表沉降监测数据与盾构机系统自身反馈数据相关性进行分析，基于研究成果提出了合理的掘进参数；吴恒生对盾构全断面富水砂卵石地层长距离掘进施工参数选择、渣土改良、同步注浆等技术进行了总结；罗锡波等通过SPSS软件相关性分析了V字形坡的存在对掘进速度与各掘进参数间的相关性影响。目前，修建的V字形坡隧道工程越来越多，但针对富水砂卵石地层V字形坡长距离掘进盾构机选型、掘进参数优化研究较少。以西安地铁六号线隧道工程为例，对V字形坡长距离掘进砂卵石地层盾构机选型进行深入研究，针对盾构机外径、刀盘、刀具进行理论计算与设计，对盾构机姿态纠偏、掘进速度控制、同步注浆配合比优化等，保证全断面富水砂卵石地层长距离在V字形坡内掘进过程中土体稳定并降低施工风险。1 工程概况1.1 工程简介及水文地质条件以西安地铁六号线田家湾站穆将王站区间工程为依托研究，区间起讫里程为Z（Y）DK43+200.700Z（Y）DK44+699.375，总区间左线长1 497.264 m，右线长1 496.920 m，研究盾构区间的剖面示意下穿段采用V形坡。田穆区间隧道直径为6 m、管片厚0.3 m、环宽1.5 m，隧顶覆土范围9.616.4 m。盾构下穿浐河，漫滩段水位埋深1.005.70 m，钻探揭露该场地内地下水属于潜水类型；洞身范围穿越地层较复杂，包含粉质粘土、卵石、圆砾等，盾构主要穿越地层为砂卵收稿日期：20221201作者简介：张文朋（1989），男，河北邢台人，工程师，主要研究方向为土木工程施工技术。建筑资讯建 筑 技 术 开 发 7Building InformationBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月石层，卵石粒径一般约3090 mm。砂卵石层具有富水性良好、渗透性强、饱和抗压强度大、自稳性差等 特点。1.2 工程重难点分析（1）穿越地层复杂，盾构长距离下穿全断面卵石层，由于卵石自稳性差、易富水等特点施工时易引起如刀盘结泥、渣土滞排、停机等施工难题。（2）盾构下穿浐河，隧顶距河底最小约7.9 m，河底无砌筑使得盾构下穿时河床冒顶、塌陷的风险增加，引发透水，而渗透性大的渣土具有触变性，难以与水体固结，进而引发喷涌、沉降现象。（3）隧道左、右线侧穿穆将王人行天桥、立交桥的桩基础，左右线距天桥、立交桥桩基础的最小水平距离约1.05 m。盾构在掘进时需控制盾构掘进速率，否则易造成桩基础破坏、基础异常沉降等。2 盾构选型主要参数分析2.1 盾构选型影响因素分析盾构机的选择至关重要，遵循可靠、安全、适用、经济的原则，选定适合本工程的盾构机。盾构选型主控因素对比情况见表1。表1 盾构选型主控因素对比情况项目主控因素土压平衡盾构泥水平衡盾构地层特性中密、密实卵石层，级配不均适用，但多用于粘粒含量高的土层，施工过程中需预防刀盘结泥饼、喷涌现象适用，多用于粗颗粒地层，需要预防坍塌、碎石机、刀盘刀具磨损等突出问题渗透系数K5.810-5 m/s；介于10-4 m/s与10-7 m/s之间适用，需对掌子面加泥，维持开挖面稳定适用，但砂卵石层含砂率低、泥膜性质不稳，开挖面易失稳、塌方渣土处理出渣效率高，渣土直接外运出渣效率相对土压平衡盾构机低、难处理施工场地条件有限不需要渣土处理设备，需要的场地小需要大量的泥水分离设备，场地面积大经济与环保场地、设备成本低，可利用渣土回填泥浆外运处理成本高、易对环境造成污染综合以上主控因素评价，土压平衡盾构机相较于泥水平衡盾构更适用于本地层条件，具有耐磨损、效率高、成本低等优势，经比选与专家论证，最终选用中交天和THDG16133、THDG16129两台土压平衡盾构机。2.2 盾构掘进施工参数计算2.2.1 盾构机外径确定V形坡盾构工程有多个边坡段及转弯段，在盾构掘进过程中需要控制隧道轴线的偏离，预留足够的盾尾间隙，避免施工时盾构机卡机或管片损伤。盾构机外径采用式（1）计算。D=D0+2(x+t1+t2)（1）式中：D为盾构机外径；D0为管片外径，管片外径取6 000 mm；x为掘进时相应曲线半径所需的最小盾尾间隙，本工程最小盾尾间隙30 mm；t1为盾尾钢板厚度，盾尾钢板厚度取60 mm；t2为盾尾密封刷安装所需厚度，取45 mm。结合已有的掘进参数，采用式（1）计算确定田穆区间盾构机外径为6 270 mm。2.2.2 刀盘设计为使刀盘开挖富水砂卵石层时掌子面保持稳定，延长盾构掘进距离，减少刀具的更换频率，本标段选用的土压平衡盾构刀盘设计（图1）：（1）采用辐条面板式，中心区域采用“圆辐条+中心圆筒”搭接设计，增加中心区域的强度与刚度；（2）保证刀盘有足够强度的情况下，设计刀盘开口率为60，提高渣土带压进仓的效率，减少刀盘结泥饼现象。图1 刀盘结构设计2.2.3 刀具配置刀具在切削砂卵石土体时磨损异常严重，选用刀具时应注意：（1）选用耐磨的合金矿物材料镶嵌在刀具表面；（2）设计时需将刀刃的高度调节至合理范围内；（3）选用硬度较高的先行刀使其更易切削卵石。参考类似富水砂卵石地层盾构机刀具设计，结合施工场地条件，刀具设计分别如图2、图3所示。图2 切刀设计建筑资讯建 筑 技 术 开 发8 Building InformationBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月图3 先行刀设计3 盾构下穿施工安全控制措施与优化3.1 盾构姿态控制盾构以V字形坡形式推进时，现场施工人员应严格盯控盾构掘进姿态。浐河地下水丰富、渗透性强，刀盘掘进时对土体产生扰动而引起沉降，管片极大可能出现上浮、开裂等，因此需要始终保证盾构机在规划曲线内推进。在采取纠偏措施中，为了避免盾构机对土体产生过大的扰动，盾构姿态纠偏量应在5 mm/m以内，而针对管片上浮，纠偏量应在10 mm偏差范围内。3.2 掘进速度控制在富水砂卵石地层条件下，掘进速度受V形坡度影响较大，盾构机掘进速度在下坡段的增幅明显大于上坡段。本工程采用土压平衡盾构机，通过对10 m始发段、90 m试掘进段的掘进参数进行取值后，调整掘进参数最终确定正常掘进速度为4060 mm/min，刀盘旋转速度为1.3 r/min，以保证土体稳定与施工安全。3.3 同步注浆控制砂卵石地层中盾构掘进时，及时注入浆液填充盾尾间隙可有效控制地表沉降，增强隧道防水能力。根据施工经验与地层条件拟定同步注浆初步配合比见 表2。表2 初步拟定的同步注浆配合比（每m3的配比）kg水泥粉煤灰砂子膨润土水18038078060450同步注浆的浆液压力、注浆量可分别采用式（2）计算。mnDDQ)(412221-=p（2）式中：Q为注浆量；D1为盾构机外径；D2为管片外径，管片外径取6 000 mm；m为管片长度，每环管片长度取1500 mm；n为同步注浆注入率，取值范围为2.02.5。根据田穆盾构区间地层条件以及施工经验，采用同步泥浆初步配合比施工，现场施工情况发现浆液无法达到本标段地层施工所要求的强度。结合盾构始发段、试掘进段的掘进参数，对浆液配合比进行优化，优化后同步注浆配合比见表3。表3 优化后同步注浆配合比（每m3的配比）kg水泥粉煤灰砂子膨润土水21050015030100采用优化后的同步注浆量进行施工，通过现场实测数据分析，有效控制了地层沉降与管片上浮问题。同时通过以上同步注浆相关公式计算，结合本标段实际地质情况，注浆量一般为理论注浆量的1.52倍，每环注浆量Q则需要控制在68 m3/环内以确保施工的安全。4 结束语（1）根据地层特性、渗透系数等方面综合评价，选用土压平衡盾构机掘进，对刀盘、刀具进行设计，确定刀盘旋转速度1.3 r/min确保开挖面土体稳定与施工安全。（2）在盾构下穿施工安全控制措施方面，本文论述了V形坡在掘进速度、盾构姿态方面对盾构掘进参数的影响，针对V形坡盾构掘进施工提出相应的控制措施，避免盾构机对土体产生过大的扰动，纠偏量需要控制在5 mm/m以内，而针对管片上浮，纠偏量应在10 mm偏差范围内。（3）按以往施工