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摘要：无水砂卵石地层结构松散、胶结程度差、卵石强度高、粒径大小不等，且部分地层中含有少量大粒径漂石。卵石地层孔隙多被中、粗砂充填，盾构在此地层中掘进，土体塑性差，刀盘、刀具及螺栓输送机的磨损将会比较严重，盾构姿态控制困难，开挖面土压不易保持，地表沉降控制具有相当难度，容易发生安全生产事故。
关键词：无水砂卵石；盾构掘进；控制措施
1施工过程主要风险
（1）开挖面稳定及变形控制
砂卵石地层基本结构松散，胶结程度差，土体改良效果欠佳时土体的流塑性较差，致使土仓内不易实现连续的动态平衡，无法有效控制出土量。盾构在此地层掘进时，开挖面稳定将难以保持，致使地表隆沉幅度增大。盾构因刀盘扭矩过大而频繁跳闸保护后的重新启动会在一定程度上扰动周围的土体，进而增加地表沉降控制难度。
（2）土体改良不佳
砂卵石地层采用土压平衡式盾构进行施工，土压改良技术在一定程度上直接影响着工程的成败。渣土改良不良易造成：
①形成板结现象，刀盘开口被堵死，使得开挖的渣土无法进入土压仓，因此极易出现盾构推进过程中推力大、推进速度为零、频繁跳闸保护等问题。
②排出渣土变稀，卵石排出量变少，离析现象严重，土体塑流化改造效果差，地层沉降大。
（3）刀具磨损严重
砂卵石地层的盾构施工，磨损是不可避免的，但在此类地层中，如何控制刀盘、刀具的不规则磨损，有效减少开仓换刀次数，提高盾构掘进效率，降低盾构施工成本成为砂卵石地层盾构施工的主要难题之一。盾构在地层中掘进，靠近刀盘外侧的刀具会因冲击作用首先被磨损，而过大的扭矩及推力会加剧刀具的冲击磨损，同时，砂卵石地层分布不均匀，刀盘及刀具还出现了异常磨损，大大降低了盾构掘进效率，而且由于砂卵石颗粒之间的摩擦阻力大，在土体改良效果欠佳时难以获得良好的流动性，加之其本身含石英较多，使得切削土体时刀盘容易过热，会加剧刀盘、刀具、螺旋输送机的磨损。
地层中存在的大粒径卵石不仅增加了盾构施工中刀盘切削、破碎的难度，而且不易通过螺旋输送机直接排出，极易堆积在土仓内，对盾构施工造成不良影响。
（4）盾构姿态控制技术
由于砂卵石力学性质不稳定，卵石含量高，且分布不均匀，因此盾构姿态控制困难，容易发生盾构掘进方向偏离预定轴线情况。
（5）工期压力大
由于施工难度大，推进速度较慢，如何保证按完工是面临的一大难题。
2砂卵石地层盾构选型
（1）刀盘形式选择
区间隧道所处地层为无水砂卵石地层，土体渗透系数大，若在地面加固后进仓或做竖井换刀，检修代价较高，必须考虑适宜于砂卵石地层掘进的刀盘形式，加强施工过程控制，减小刀具及刀盘磨损速度，避免中途进行刀具更换或刀盘修补。
鉴于北京以往工程实例，认为砂卵石地层中刀盘开口率大，切下的土体易进入土仓，能降低刀具磨损；但开口率过大，刀盘的整体强度和抗冲击变形能力降低，易造成刀盘冲击变形，须经过校核计算。
大粒径进入土仓后，若螺旋输送机不能将其顺利排出，易在土仓底部大量堆积，造成刀盘扭矩增高甚至卡死，故刀盘的开口率大小还应兼顾螺旋输送机能排出的最大卵石粒径。能通过刀盘开口进入土仓的卵石粒径，应小于螺旋输送机能排出的最大卵石粒径。如果掘进过程中遇到个别无法进入土仓的超大粒径卵石，造成盾构无法正常掘进，则需要进仓或采取其他措施将其清除。
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（2）螺旋输送机选择
螺旋输送机主要分为有轴带式螺旋输送机和无轴带式螺旋输送机，对于富水砂卵石地层，有轴带式螺旋输送机利于防止喷涌，但在同直径条件下，受中心轴限制，能输出的卵石粒径较小。无轴带式螺旋能输出卵石粒径主要受螺旋输送机内径及螺距限制，内径越大，螺距越大，能输出的卵石粒径越大，但不利于防止喷涌。螺旋输送机内径受盾构机直径及所选用的主轴承直径限制，螺距主要受自身强度限制。
砂卵石地层盾构施工，对设计加工阶段螺旋输送机的磨损问题也应充分重视，施工过程中，盾构到达接收井后须及时检查更换螺旋输送机前端和螺旋钢桶内侧的耐磨条或堆焊耐磨材料。螺旋钢桶壁磨损严重要及时补焊甚至更换。
（3）膨润土注入系统
盾构刀盘被卡死的情况在砂性土及黏性土中发生的概率较低，但在砂卵石地层（尤其是大粒径卵石）的发生概率较高，主要是因为砂卵石地层的细颗粒、粘性颗粒含量较低，加入膨润土浆液较稀时，卵石和砂子易发生离析，螺旋输送机只带出砂和小粒径卵石，大的卵石留在土仓，沉积在刀盘底部，随掘进距离增加，沉积在刀盘底部的卵石达到一定数量时，刀盘摩阻力矩增加，无法正常转动，甚至卡死。
3主要施工控制措施
（1）无水砂卵石地层土压控制
无水砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，基本特征是结构松散，无胶结，呈大小不等的颗粒状，若土仓内土压过低，掌子面压力不足，会在刀盘前上方产生较大的空洞区域，砂卵石松动，开挖面产生塌落区。但若土仓土压高，会造成刀盘扭矩大，推力大，不利于掘进控制，切下的土体不能顺利进入土仓，会大幅度增加刀盘及刀具磨损。
在砂卵石地层施工，土压控制需综合考虑刀具磨损和点沉降，通过掘进过程中的监控量测，不断修正土压控制值，不能一味追求高土压。砂卵石地层粘结力较小，对沉降反应敏感，盾构掘进对地层的影响很快反应至地表，但又很快稳定，只要累计沉降在允许范围内即可，不应单纯以单个沉降点的速率来进行判断。
（2）泡沫、膨润土液添加
穿越砂卵石地层，一般采取同时向刀盘切削面加注膨润土液和泡沫来改善土体的流动性。但加注量并非越多越好，也非越少越好，而以刀盘扭矩不高，螺旋输送机能将砂子和卵石一起排出土仓为宜，若加入量过大，产生离析，且由于土体内的粘性颗粒含量增高，容易产生泥饼在刀盘中心。
（3）同步注浆控制
砂卵石地层，由于扰动后的土体较松散，渗透系数较大，注入的浆液易渗入土层孔隙，同步注浆量应适当加大，若发生超挖，应记录超挖刀盘里程，尽量快速掘进，盾尾到达该里程的前后两环，根据超挖土量增大同步注浆量，调高同步注浆压力，可有效减少地表沉降。
（4）其他措施
①砂卵石地层施工，刀盘卡死主要发生在盾构长时间停机后，故保证均衡连续施工是控制的关键点所在。
②每次停止掘进前，向切削面和土仓内加注土体改良材料，搅拌均匀后停机。开始掘进前也要加入，搅拌均匀后开始掘进。
③加强后配套及常用配件管理工作，注浆材料及时供应，避免频繁停机。
④在无水砂卵石地层掘进，考虑膨润土使用量加大，配置速溶型桩基膨润土，缩短浸泡膨化时间。
⑤严格控制刀盘扭矩及掘进速度，推进速度不要过快，减少刀具磨损。
4结束语
砂卵石地层如何降低刀盘扭矩及刀盘磨损，卵石顺利排出是关键，在强度满足前提下，采用大开口率的刀盘和无轴带式螺旋。做好土体改良工作及膨润土注入系统利用。若累计沉降在允许范围内，保持低土压推进对降低刀盘刀具磨损有利。
参考文献
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[3]杨祥亮，郭玉海，叶旭洪.无水砂卵石地层盾构施工技术[J].市政技术，2011，29（02）：87-89.
论文作者:杨彬,耿晓亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：卵石论文; 盾构论文; 地层论文; 粒径论文; 磨损论文; 刀具论文; 螺旋输送机论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;