摘要：本文以沈阳市地铁一号线一期土建第十五合同段小什字街~滂江街站盾构区间为背景，针对沈阳全断面砂砾地层这一特殊地质条件，研究全断面砂砾地层盾构施工技术，包括盾构机选型、盾构进出洞土体加固方法、全断面砂砾土体改良、盾构机掘进参数确定等施工技术问题。
关键词：全断面砂砾层盾构机选型 竹筋笼灌注桩土体改良掘进参数
Abstract: this article with the shenyang subway no.1th line of a civil contract section 15 small what word street ~ pang river street station shield interval as the background, gravel stratum in shenyang, whole section of this special geological conditions, the whole section gravel stratum shield tunnel technology, including shield JiXuan type, shield in and out of the hole, whole section soil consolidation method gravel soil improvement, shield tunneling machine parameters such construction technical problems.
Keywords: full section of shield JiXuan gravel pile soil reinforcement cage type bamboo improved tunneling parameters
中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：
前言：
随着盾构法研究的深入、工程应用的增多，盾构法施工技术得到了显著提高，但受地区环境和地质条件的限制，各地区在盾构法施工工艺和技术的掌握上也各不相同，上海、北京、广州等地区由于涉及盾构工法较早，在软土和硬岩地质中的施工经验相对较丰富，但全断面砂砾层中盾构技术目前国内还很少遇见，缺少相关经验参数。本文针对沈阳全断面砂砾地层这一特殊地质条件，研究全断面砂砾地层盾构施工技术，包括盾构机选型、盾构进出洞土体加固方法、全断面砂砾土体改良、盾构机掘进参数确定等施工技术问题。
1工程概况
沈阳市地铁一号线一期土建第十五合同段工程系沈阳市地铁一号线工程的重要组成部分，其中小什字街~滂江街站盾构区间隧道位于于沈阳市大东区沈海立交桥南端，大致呈东西走向，穿行于中捷友谊厂厂区、珠林路、老龙口酒厂厂区、小东路之下，双线隧道总长3051.588m。该区间位于曲线半径最小为350m、最大为700m的曲线及直线上，线路纵向呈“Ⅴ”形坡，最大纵坡25‰。隧道结构为普通环错缝拼装形式，隧道内径φ5.4m，外径φ6.0m。采用外径为6240mm的加泥式土压平衡盾构机。
本区间地层结构组成为： 杂填土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、圆砾。区间盾构掘进地层为④-4砾砂、④-4-5圆砾、④-5圆砾、④-5-3中粗砂，勘察报告所含颗粒最大粒径约为110mm，施工中实际发现个别粒径达到400mm。地下含水层渗透性好，补给充分，为第四系孔隙水，主要赋存于③~4砾砂、③~5圆砾、④~4圆砾、④~4砾砂、④~5圆砾、⑤~4砾砂、⑤~5圆砾层中，地下水对盾构施工及周围环境存在不良影响。
2、全断面砂砾层施工盾构机选型
2.1盾构机选型考虑要素
根据地质情况有针对性选择合适的盾构机是盾构隧道施工成败的关键，本区间盾构穿越地层主要为砾砂、圆砾和中粗砂，盾构机在此地层中施工较为困难，首先，由于砂砾石的塑流性和抗渗性差，使得排土难以顺畅，从而无法满足掘削面稳定的要求，盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难；其次是在这种地质条件下，刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损较为严重，盾构机能否长距离在砂砾石地层中顺利掘进。再次本区间地下水类型为第四系孔隙水，局部地区地下水富集，对盾构机的密封和螺旋机的防喷涌提出考验。因此盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘形式，刀具形状及耐磨性，加泥系统，螺旋机的等方面认真研究，保证所选机型能在沈阳地质情况下顺利施工。
依照沈阳地区工程地质、水文条件及沈阳市地铁施工的特点，参考国内外类似盾构工程经验，通过与多个国外盾构机设计制造厂家的交流和论证，遵循安全可靠、适用、经济、先进的原则，本区间隧道选用日本川崎重工生产的φ6.24m复合式土压平衡盾构机。
盾构机总长度为62.6m，设备包括盾构机和后备台车两个体系，其中盾构机主体长度为7.6m，牵引部分长度为15m，后备台车长度为40m。该盾构机是以沈阳地区典型地层为基础而设计的，采用了当前国内外较为先进的制造技术。
针对全断面砂砾层的复杂地质条件,我们配置了非常有效的特殊刀盘和刀具。此盾构机刀盘开口率为60%辐条形式，且刀具都镶有硬质合金的刀头、刀具密度较高，具有高强度、超耐磨的主要特点。此外为了进一步保证施工安全与质量，在刀盘圆周、刀盘辅条、刀具支座、土仓内侧和螺旋机叶片上增加堆焊了网状硬质合金耐磨层。
2.2 复合式土压平衡盾构机的适应性
根据工程全断面砂砾层的施工情况，我们就所选盾构机一些主要部件的适应性做一些研究。
（1）刀盘
对于刀盘，考虑到要在砂砾层中要长距离掘进，又要能顺利排除较大砾石，该盾构机采用高耐磨柱状辐条式刀盘，刀盘材质选用高强度钢SS400。在辐条后设有搅拌棒，使砂、土、砾石流动顺畅，不易堵塞，保证有较好的掘进性能。刀盘的驱动方式采用10台45kw变频电机驱动，刀盘扭矩最大可达4950kN*M。
在开挖卵石过程中，卵石地层对刀盘磨损通常很大，刀盘结构的保护是通过在刀盘前面和外缘焊接硬化表面。土仓内的搅拌棒也是通过焊接硬化表面加以保护。
（2）刀具
根据沈阳地层的特性和不同刀具的挖掘特点，从提高掘进效率和保护刀具方面考虑设置了不同种类和不同布置方式的刀具：
该盾构机采用了96个超耐磨平面刮刀,它可以快速地对砂、卵石进行切削。对于中粗砂、卵石层等地层的开挖,同时采用了30个超耐磨贝形刮刀,防止刀盘辐条及平面刮刀过度磨损。为了能够有效地进行开挖,在刀盘周边上配置有12个高强度、越耐磨的先行刀。根据经验证明,平均掘进速度为3O-50mm/分。在刀盘周边，装有2把仿形刀，通过液压系统驱动，可满足在曲线段施工时的纠偏要求。
（3）加泥系统
三个加泥口可通过安置在渣土仓内的加泥管,使添加剂与渣土快速混合,从而促进渣土的流动，达到快速排土的目的。同时还可通过调整渣土仓内的压力来有效的防止地下水的喷涌，保证正常的施工作业。加泥剂的加入，也将大大减小刀盘扭矩，减少刀具与开挖面的摩擦，从而大大提高刀盘和刀具的使用寿命，这对于沈阳地铁的长距离盾构掘进是必不可少的。
（4）盾构密封
盾构密封主要分为主轴承密封、盾尾密封两方面.
主轴承设计寿命为9000小时，有两套密封系统密：外密封系统是通过带有永久性失脂润滑油脂润滑和渗漏控制三重唇形密封系统进行来实现的。密封支撑直接和轴承通过螺纹连接固定在一起，并且作为主轴承结构的一部分从而充分保证同心度；内密封系统将小齿轮区和空气之间进行密封。通过2台油脂泵，密封油脂不断流动保护密封系统。
本盾构机的设计不仅高效而且可靠性高。盾构机盾尾密封一般有刚性密封和柔性密封。对于沈阳地区的具体情况，本盾构机采用内注密封油脂式钢丝刷柔性密封系统即可满足隧道施工要求。盾构掘进时，向盾尾连续注入优质盾尾密封油脂，可保证在0.5MPa的压力下，盾尾不会出现渗漏水和渗漏泥浆。
（5）螺旋输送机
螺旋输送机是加泥式土压平衡盾构机的重要组成部分，考虑地下水压力较高时造成喷涌，螺旋输送机设计双闸门系统，前后出料门均可以根据需要通过液压系统随时关闭。
盾构在全断面砂砾层中推进条件下，螺旋输送机的磨损将比较严重。故此我们在螺旋叶片表面覆盖有堆焊的硬质合金耐磨网，外缘则焊接碳化钢条加以保护，下如图所示：
螺旋输送机改造后照片
2.3 实际效果
全断面砂砾地层1526米盾构隧道贯通后，盾构磨损情况简介：
（1）盾构机平面刮刀（计96把，新刮刀立面高度为70mm）：平均磨损13mm。
（2）中间贝型刮刀（刀盘辐条先行刀，计43把，新刀立面高度为110mm）：平均磨损18mm。
（3）刀盘周边先行刀（计12把）：平均磨损35mm。
（4）盾构机刀盘外圆局部磨损、螺旋机中段磨损程度为一般、土仓壁搅拌棒局部磨损。
针对全断面砂砾层的复杂地质条件, 根据所选机型加之对其局部改造，经过在沈阳地铁小什字街~滂江街1526m右线隧道区间连续掘进施工中途未更换刀具，其余系统运行顺畅，收到良好施工效果。
3、全断面砂砾层盾构进出洞土体加固
3.1 土体加固方法选择
在盾构始发、接收前，端头井土体一般采用水泥搅拌桩、旋喷桩、注浆法，SMW工法、冷冻法等措施进行地层加固处理。选择哪一种方法要根据地质等具体情况而定。针对全断面砂砾层地质情况，我们考虑了多种加固方案，最终采取降水+竹筋笼加固方案最为合理经济。
通过周边降水后土体工作面分析，发现此类地层具有自稳性强、土体密实等特点。见下图。
降水后地层立面图
3.2进出洞竹筋笼灌注桩加固设计方案
由于端头井地质条件较好，采用管井降水配合竹筋笼挡土桩进行盾构进出洞加固处理。降水完成后，施工两排Φ1200mm@1200mm钻孔灌注桩，实现挡土的目的，桩体混凝土标号C30，钻孔灌注桩分A、B两种类型，A型桩为全素混凝土桩，B型桩内插Φ100mm毛竹筋笼，毛竹筋笼桩采用了16根φ100毛竹作为受力筋，并沿圆周均匀布置，混凝土净保护层厚度40mm。见下图：
竹筋混凝土桩加固平面图
竹筋混凝土桩加固立面图
3.3竹筋笼灌注桩施工
竹筋笼灌注桩工艺流程与钢筋笼灌注桩类似，不同的是用竹子代替了钢筋。其流程：平场地、铺设工作平台、安装钻机、压套管、钻进成孔、安放竹筋笼、放导管、浇注混凝土、拉拔套管、检查成桩质量。参见下图.
竹筋笼制作加工现场
3.4竹筋笼制作、施工注意事项
（1）安装钻孔机的基础如果不稳定，施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良现象，因此要求安装地基稳固。对地层较软和有坡度的地基，可用推土机推平，在垫上钢板或枕木加固。为防止桩位不准，施工中很重要的是定好中心位置和正确的安装钻孔机，对有钻塔的钻机，先利用钻机的动力与附近的地笼配合，将钻杆移动大致定位，再用千斤顶将机架顶起，准确定位，使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上，以保证钻机的垂直度。钻机位置的偏差不大于2cm。对准桩位后，用枕木垫平钻机横梁，并在塔顶对称于钻机轴线上拉上缆风绳。
(2) 清完孔之后，就可将预制的竹筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，灌注时混凝土不要中断，否则易出现断桩现象。
(3)由于毛竹直径上下不均匀，竹筋笼绑扎过程中要注意将整根竹子中间部分绑扎到桩体中心受力最大的位置，从而有利于保证桩体稳定。
（4）施工中由于竹子是中空结构而且竹子的直径大因此其浮力远大于钢筋的浮力，在插入泥浆过程中很难直接插入。为此我们想到了将竹筋笼下部添加重物及将竹体钻孔等手段减小浮力，从而顺利地将竹笼安装到位。
3.5 施工效果
洞门混凝土凿除后，正面土体完全暴露在表面。经现场观察，洞门的土体整体稳定性很好，无任何部位土体的塌落及漏水现象。而且由于当时现场其他原因的影响，土体暴露持续时间达到了36个小时，也未见正面加固土体发生任何变化。见右图。 洞门凿除后正面土体情况图
本工程盾构穿越桩体过程中，在加泥量6~7m3/环、掘进速度5~10mm/min时，盾构总推力9000~10000 KN、扭矩2000~2400KN-m、地表沉降0~-3mm。施工参数较为正常，竹筋混凝土被盾构刀具顺利切割。实践证明，竹筋混凝土的应用，既提高了灌注桩桩体的抗剪能力，起到了保证端头井土体稳定的目的，同时也使盾构机能够顺利切削桩体，达到了盾构穿越加固区域过程中减少刀盘、刀具磨损的目的。
4、全断面砂砾地层盾构施工土体改良技术
由于盾构穿越地层主要为砾砂、圆砾和中粗砂。由于砂砾石的塑流性和抗渗性差，使得排土难以顺畅，无法满足掘削面的稳定，盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难；同时在这种地质条件下，刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损较为严重。因此，土体改良技术在全断面砂砾地层上盾构施工尤为重要。
4.1 土体改良技术
盾构机在全断面砂砾地层掘进时，由于土体的内聚力小，影响刀盘对土体的切削和螺旋机的输送，因此，需要在推进过程中对刀盘进行加泥。通过多种添加剂的试验筛选，最终确定选用钠基的膨润土泥浆为土体改良剂，膨润土泥浆对刀盘磨损有很大保护作用，能有效的预防和控制喷涌现象。
（1）膨润土介绍：膨润土是以蒙脱石为主的含水粘土矿,公学分子式为:Nax(H2O)4 (AI2-xMg0.83) Si4O10) (OH)2,由于它具有特殊的性质。如:膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等等,所以广泛用于各个工业领域。
（2）拌制泥浆过程控制：在地层中含水量不超过17%（质量比）的前提下，加入比重为1.06的膨润土浆液，能起到改良土体的效果。根据膨润土特性，膨润土浆液在经过12小时发酵后润滑效果是5倍于未发酵的浆液，故我们所配制的膨润土浆液全经过12小时以上发酵处理。我们配有2个20m3配制罐和3个20 m3发酵池，，完全能保证每天所需的的膨润土浆液（十二小时按掘进10环，每环注入6 m3计算）。
（3）加入泥浆效果：膨润土浆液能起到润滑土体和使松散的土体聚合在一起，使之具有良好的和易性，便于螺旋机出土顺畅。下图为加泥前后土质情况比较图。
加泥前后土质情况比较图
4.2 土体改良施工
（1）加泥速度
根据改性膨润土浆在砂砾中的适应性试验，得到注浆量为砂砾体积的20%时，砂砾塌落度达到15cm。因此，推进过程中改性膨润土浆的注浆率至少为20%。
盾构刀盘直径：D1=6.2 m
在盾构推进过程中，采用连续注浆的方法。设：盾构推进速度为v1，注浆速度（用浆液液面下降速度表示）为v2
考虑到在注浆过程中膨润土浆在砂砾中的渗透性以及浆液向四周的扩散性，设定注浆安全系数γ = 1.0。
实际注浆速度的计算为： v2’ = (1+γ)v2 = 1.3v1
因此，盾构在砂砾中推进时，将连续注浆的速度设定为盾构推进速度的1.3倍。
（2）加泥率与推进速度关系
当沙砾中的注浆率增大时，盾构机的推进速度也增大，但是，当注浆率在20%时，盾构机能获得较为理想的推进速度40mm/min左右。因此，建议盾构机在砂砾中的推进速度为4.0cm/min。
（3）加泥量的控制
施工期间，通过对刀盘扭矩变化与加泥量关系及盾构推力变化与加泥量关系的分析，得出：当加泥量小于6方时，刀盘扭矩和盾构推力随着加泥量的增加而减小，当大于6方时，加泥量对刀盘影响较小，故每环最佳加泥量在6方左右，既经济效果又好。
4.3实际效果
连续完成1526米的单线掘进，通过成功地选择盾构机刀盘形式和加泥等辅助措施的应用，使得隧道掘进取得了良好的效果。刀盘刀具整体完好，刀具最大磨损量2.5cm，全盘刀具无脱落现象。地面沉降也得到了很好的控制，沿线地面最大沉降量-22mm，建筑物最大沉降量-15mm。
5、全断面砂砾地层盾构掘进参数确定
通过100米试掘进施工和正常1426米施工过程，我们随时总结施工经验，及时调整各类施工参数，以达到最佳施工效果。我们验证了施工中各类参数的调整对施工的影响。得出的主要施工参数如下：
（1）土压力：可采取欠土压施工控制在理论土压力的75%-80%左右；
（2）掘进速度：可控制在4cm/min左右；
（3）排土量：严格控制出土量考虑综合因素控制在43 m3左右；
（4）注浆压力、注浆量：根据土层及埋深情况压力控制在0.3MPa ，根据地层渗透系数大等特点注浆量控制在理论量的160%以上一般在4.5 m3 以上；
（5）加泥量：根据地质特点和不断实践加泥量控制在开挖面土体的20%左右；
通过一系列参数控制，使得掘进过程中扭矩控制在总扭矩的52%左右（最高80%），推力控制在总推力的42%左右（最高75%），起到了保护刀盘连续掘进的目的。
6、建议和体会
在沈阳地铁一号线十五合同小~滂盾构区间工程施工中，通过成功的进行盾构法在全断面砂砾层中的盾构机选型、进出洞土体的改造创新、渣土改良、施工参数确定的应用等技术的研究和应用，不仅确立了在沈阳地质条件下盾构隧道施工技术，而且为国内类似地质条件下的盾构施工提供了很宝贵的经验。
针对当前国内盾构法隧道工程施工及设计现状，结合我们在沈阳地铁盾构全断面砂砾层施工过程中总结的一点经验，有几点建议供参考：
（1）建议盾构机设计制造时充分研究标段详细的地质资料，针对地质情况重点设计制造盾构机，特别是一些关键部件。
（2）施工过程中应充分认识渣土改良的重要性，一定要保证加泥质量和数量，确保减少刀盘的磨损，最大程度保护刀盘。
（3）根据盾构推进不同阶段，调整平衡压力等参数，可以采取欠土压施工，从而减小扭矩和推力，来保护刀盘。
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