冯欢欢1,2，陈  馈2

  （1．中铁隧道集团有限公司，河南  洛阳  471000;2．盾构及掘进技术国家重点实验室，河南  郑州  450001）

[摘要]根据南昌地铁2号线一期工程2标段隧道工程特点，针对盾构施工过程近距离侧穿公路桥、下穿地表多种管线、穿越上软下硬复合地层及富水砂层等工程难点及可能出现的风险，从刀盘刀具配置、姿态控制技术、掘进参数优化设计、同步注浆系统、自动导向系统、渣土改良系统等方面进行适应性分析和针对性设计，有效确保了所选盾构能够较好地适应现有工程特点。

[关键词]地下工程；地铁；隧道；盾构；施工技术

[中图分类号]  U455.3 [文章编号]1002-8498(2016)09-0098-04

1  工程概况

 南昌市轨道交通2号线一期工程2标段位于南昌市红谷滩新区，沿南北方向设置，起讫止里程为ZDK23+747. 300-ZDK27+246. 501。根据设计要求，本标段区间隧道采用3台直径为6. 25m复合式土压平衡盾构进行施工。

1.1  区间线路特点

 该标段主要包含“3站3区间”，分别为国体中心站、岭北三路站、前湖大道站、国体中心站一卧龙山站区间、卧龙山站一岭北三路站区间、岭北三路站一前湖大道站区间，各区间线路特点如表1所示。

1.2  工程地质及水文条件

 1)地形地貌  拟建工程基本呈南北走向，位于红谷滩丰和南大道下方，属赣江一级侵蚀冲积阶地，地形开阔有起伏，地面标高19. 130~ 25. 320m。

 2)工程地质本标段沿线岩土层的分布，自上而下可划分为人工填土层①2（以填砂为主，混夹碎石、少量卵石，层厚0. 70~15. 20m，平均5.44m）、粉质黏土层②1（局部为软塑或硬塑状态）、淤泥质黏土层②2（含少量有机质、腐殖质，偶夹薄层粉细砂，层厚0. 60~8.70m，平均2.98m）、细砂层②3（局部松散状态，石英质，混10%~30%黏性土）、中砂层②4（呈饱和、稍密状态，石英质，混10%~20%黏性土，分选性较差）、粗砂②5（局部中密状态，石英质，混1 0%~20%黏性土）、砾砂②6（颗粒成分多为石英，含粉粒、黏粒5%~20%）、圆砾②7（颗粒成分多为石英，含粉粒、黏粒5%~25%）、粉质砂岩层⑤1（岩性主要为泥质粉砂岩，局部为泥岩或砂岩，泥质胶结，成岩矿物显著风化）。

 3)水文地质地下水主要以潜水为主，局部存在基岩裂隙水。潜水水位在地下2~4m，裂隙承压水位在11~17m，径流性弱，补给性较差。

1.3工程重难点分析

 本标段盾构施工的重难点主要体现为以下几个方面。

 1)近距离侧穿公路桥  ①本标段国体中心站一卧龙山站区间近距离穿越生米立交基础桥桩，桥桩为直径1m钻孔灌注桩，桩长31m，桩底进入中风化泥岩，桩性质为端承桩。隧道结构与桩身最小净距为2. 56m;②卧龙山站一岭北三路站区间近距离穿越丰和南大道4号桥基础桥桩，桥桩为直径1m旋喷桩，桩长23. 7m，桩底进入中风化泥质粉砂岩，桩性质为摩擦桩。隧道结构与桩身最小净距为2. 67m；③岭北三路站一前湖大道站区间近距离穿越丰和南大道3号桥，桥基础距离隧道顶约11. 96m。

 盾构近距离穿越桥桩过程中存在公路桥结构不均匀沉降而造成无法正常使用的风险。

 2)下穿地表多种管线  该区间隧道下穿DN600污水管（混凝土，YCK26+641. 55）、DN1 000

雨水管（混凝土，YCK26+670. 265）、DN600雨水管（混凝土，YCK26+765. 355）、DN200煤气管(PE，YCK27 +208. 04)。盾构在此区段掘进过程中，容易引起地面不均匀沉降、路面塌陷而造成管线损坏等风险。

 3)上软下硬复合地层  本标段隧道洞身上部穿越黏土、砂层，下部穿越中风化泥砂岩，且此区段岩面起伏，于隧道洞身范围内形成“上软下硬”。盾构在此区段掘进过程中存在刀具易损坏且换刀风险较大，以及掘进姿态难以控制、掘进困难等风险。

 4)富水砂层透水性强  本标段盾构区间部分地段隧道洞身及洞顶范围分布砂层，且砂层富水，透水性强，盾构掘进过程中容易产生喷涌、刀具磨损快、换刀风险大等风险。

2盾构设计概况

 所选盾构由主机、连接桥和5节台车组成，总体外形尺寸：直径6 250mm，长80m。主机分为刀盘、前盾、中盾、盾尾、皮带机、拖车、液压系统、油脂系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统、电气系统、循环水系统，压缩空气系统组成。主机外形尺寸：盾体总长8m，前体、中体、盾尾的直径分别为6 250,6 240，6 230mm。

 1)刀盘设计  刀盘直径6 250mm，装刀开挖直径6 280mm，其主要结构特征：①刀盘开口率为37%；②刀盘表面设有5个注射口，可以注射泡沫添加剂。在刀盘连接板中心区域增加1个泡沫注入口，增加刀盘中心内黏性土的流动性，在掘进时可以有效防止刀盘中心泥饼的产生，每个泡沫注射口装有注射口保护刀；③刀盘使用的材质为Q345C；④刀盘背部焊有4个搅拌棒；⑤刀盘周边焊有耐磨条，刀盘的面板焊有格栅状的Hardox耐磨材料，充分保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性能。

 2)刀具配置  ①刀盘设计可安装38把滚刀，共38个刀刃；②刀盘设计弧形刮刀32把，切刀52把，外缘保护刀6把；③刀盘上使用的刀具距面板高度为滚刀175mm、切刀140mm。

 3)主要动力配置  ①刀盘主驱动采用液压驱动形式，共有8个液压马达，刀盘驱动系统功率945kW，提供工作扭矩5 000kN.m，脱困扭矩6 000kN. m;②推进油缸由32个组成，沿盾壳圆周分4个区，顶部3对油缸1组、左侧4对油缸一组、右侧4对油缸一组、底部5对油缸一组。通过调整每组油缸的不同推进压力和速度来对盾构进行纠偏和调向。推进系统功率90kW，其可提供最大推力为42 575kN；③螺旋输送机直径820mm，功率200kW，可提供220kN -m的最大扭矩，转速为0～21 r/min无级调速，最大出渣能力可达380m3／h。

3  盾构适应性分析及针对性设计

3.1  近距离侧穿公路桥及下穿管线

 1)同步注浆系统  盾构采用同步注浆系统，可以使管片外面的间隙及时得到充填，有效保证隧道的施工质量及防止地面沉降。盾构配有4台液压驱动系统的注浆泵，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入开挖直径和管片外径之间的环形空腔。注浆压力及流量可连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控制室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据。

 2)自动导向系统  盾构安装了一套自动导向系统，该系统能够对盾构在掘进中的各种姿态以及盾构的路线和位置关系进行精确测量和显示。操作人员可以及时根据导向系统提供的信息，快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整，进而有效保证盾构掘进方向。该系统具体组成如下：①自动全站仪  Leica TCA1202-S型自动全站仪具有更稳定操作系统、更出色的自动测量功能，更广阔的工作温度；②壁挂式工业计算机  工业触摸式壁挂计算机，高分辨率显示，高耐磨屏，更低能耗，更高稳定性；③设计的R型和B型控制箱控制箱可以进行稳定的无限通信，并且内置电池可给全站仪持续供电达10d;④盾构姿态自动测量软件  适用于DS2000盾构自动导向系统。

 3)渣土改良系统  刀盘面板上共有6个泡沫出入口，包括在刀盘内部的中心设置1个泡沫入口，各注入口为独立管路，一旦堵塞能够及时发现，可以通过中心旋转体接通高压油路进行疏通。土仓周边设有4个膨润土注入孔，可以添加膨润土或加水。添加材料既可以通过中隔板注入土仓内，也可以通过布置在刀盘面上的泡沫孔直接注入开挖面。通过调整这些添加材料的注入，可以达到很好的渣土改良效果，从而增加渣土的流动性，有效防止渣土固结成团形成泥饼。盾构配有2套渣土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者各用1套输送管路，能够高效完成盾构在土层、残积土层及全风化带掘进过程中的渣土改良工作，有效防止“泥饼”形成。①泡沫系统盾构配有4套泡沫发生系统，用于对渣土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成。在盾构采用半敞开模式掘进的过程中，泡沫系统不仅可以改良渣土，而且可以通过泡沫及气压平衡掌子面水压，从而阻挡掌子面来水，起到稳定掌子面的作用；②膨润土系统  在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、土仓和螺旋输送机内，达到改良渣土的目的。根据实际需要，可以在膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。

 4)超前注浆系统  在中部盾壳圆周上设有12个预留管道供超前钻机钻孔及注浆用。根据地质情况和需要，可在管片安装机头部安装超前钻机，对盾构前方进行钻孔和注浆作业，加固地层。

3.2  上软下硬地层掘进适应性

 1)刀盘刀具  刀盘的周边有耐磨条，刀盘的面板焊有格栅的H ardox耐磨材料，刀盘周边设有24把保护刀，充分保证刀盘在泥岩或石英含量较高的沙层中掘进时的耐磨性能，充分适应掌子面软硬不均对刀盘造成的局部偏磨。刀盘上的滚刀刀座和齿刀刀座相同，安装方式也相同。这样的设计可以满足滚刀和齿刀的互换性要求。滚刀高出面板175mm，切刀及刀盘保护刀高出面板135mm，滚刀与切刀相差40mm充分保证了滚刀先破岩、刮刀切削软土的效果。135mm的高出量能够使刀盘面板前的渣土顺利进入刀盘内，提高开挖效率（见图1）。

 盾构的单刃滚刀刀具可以开挖200MPa以下的各种岩石，远高于本项目岩石的最高强度，满足在上软下硬地层的正常掘进，且刀盘的刀具可根据具体地层进行组合，刀盘的前面及后面设置泡沫注入口，在硬岩掘进时可以注入适量的泡沫、水或膨润土，以降低刀盘的扭矩、减小刀盘、刀具的磨损和提高出渣效率。

 2)姿态控制适应性  盾构掘进过程中上软下硬导致刀盘受力不均而导致姿态不易控制，对此盾构具有以下适应性：推进系统的油缸在圆周方向分为4组，每组可以单独调整其推进速度而改变盾构的掘进方向；盾构的中盾和盾尾为铰接连接，这样可以减小盾构的长径比，从而使盾构的姿态容易改变。盾构采用自动导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，从而可以对盾构的姿态随时进行灵活调整，保证盾构在上软下硬等软硬不均地段保持正确的姿态。

 3)带压换刀装置  盾构掘进过程中上软下硬地层极易造成刀具损坏，本标段隧道上部开挖地层多位于黏土层、砂层。常压换刀容易造成塌方，为了降低换刀风险，本盾构中设置带压换刀装置，以有效确保盾构停机换刀期间的地面安全。

3.3  富水砂层掘进适应性

 1)配置齿刀  刀盘上设有软土及软岩开挖的切刀及刮刀，满足中砂层地质条件下的掘进要求，而且滚刀可以更换为齿刀（见图2），满足砂层的开挖。

 2)完备的土压控制功能  盾构在土仓压力隔板的不同高度位置安装5个土压传感器（底部左右各1个，中部左右各1个，顶部1个）可以对土仓内不同位置的土压随时进行监控；螺旋输送机的出土速度实现无级变速，容易精确控制出土量。盾构在土压平衡模式下掘进时有严格的土仓压力管理规定，通过控制系统可以对土仓压力、掘进速度、螺旋输送机出渣速度、泡沫等填加材料的注入量及参数进行全自动或手动控制，确保在掘进过程中能达到良好的动态压力平衡效果。

 3)掘进参数设计选择合理的掘进参数，以减少盾构掘进对砂层的扰动而引起地表过量沉降。在本地层施工时，盾构的推力≤15 000kN，扭矩≤3 000kN.m，刀盘转速1.2~1.8r/min，根据渣样的变化和刀盘扭矩的变化调整泡沫的参数和注入量，保证渣土的改良，盾构的出土量必须与掘进速度相匹配。

 4)严控注浆量  严格监控同步注浆的质量，保证同步注浆的质量和数量，每环≥6m3浆液，控制注浆压力≤0. 4MPa，必要时利用1号拖车前的二次注浆系统，进行二次补注双液浆。保证同步注浆质量缩短浆液胶凝时间，减少地层应力损失，以控制地表沉降。

 5)预防喷涌  盾构在螺旋机上安装4个450mm球阀，可以通过这几个球阀向螺旋机内添加聚合物，在螺旋机内形成“土塞”，使渣土得到改良，且控制好螺旋机后闸门开度，以防止喷涌。盾构上还装有膨润土系统，它是独立的管路控制，通过在场地上发酵的膨润土，通过电瓶车运入隧道转入罐内，通过该系统控制注入土仓与渣土相搅拌，形成“泥膜”，进行渣土改良，防止水喷。设置好泡沫参数，在连接桥调试泡沫质量，通过泡沫发生器打出来的泡沫形成“锯齿状”能够黏附于管片上，再打进土仓，通过气泡膜能够对水形成一定阻力，防止喷涌。

4  结语

 该区间内隧道洞身穿越黏土地层时易造成刀盘和土仓结泥饼，要充分考虑渣土流动性问题，进一步加强渣土改良；另外，要高度重视盾构推进油缸的分区控制，以避免盾构叩头，引起地表不均匀沉降。基于盾构适应性分析结果可知，所选复合式土压平衡盾构性能优越。由盾构工程施工情况来看，通过采取相应的措施后，基本能够适应该工程特点。同时，为进一步降低盾构施工风险，提出如下建议。

 1)采用滚刀与撕裂刀可互换型刀箱，刀盘盘面适当增加贝壳刀，适当减小滚刀启动扭矩，并进一步完善刀具磨损检测措施。

 2)穿越软弱砂层和上部不能自稳的上软下硬地层时，采用土压平衡模式掘进，并采用优质泡沫和膨润土泥浆进行渣土改良，以避免结泥饼和喷涌。

 3)在松散的软弱地层施工时，要合理进行推进油缸分区控制以避免盾构叩头。