隧道与地下工程器
Ｔｕｎｎｅｌ＆ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
无水砂卵石地层盾构施工技术
杨祥亮，郭玉海，叶旭洪
（北京市政建设集团有限责任公司，北京
１０００４５）
摘要：北京地铁４号线国家图书馆站至动物园站盾构区间隧道总长１
３３９．８
ｍ，为全断面无水砂卵石地层，线路水平方
向呈“Ｃ”形，设计最小曲线半径为３５０ｍ。施１＝中通过采取对土体塑流化改良，盾构掘进参数优化等措施，隧道全线贯通仅用了６５ｄ，同时，各项指标均达到优良工程标准。
关键词：盾构施工；无水砂卵石地层；小半径曲线；土体塑流化改良
中图分类号：Ｕ４５５．４３
文献标志码：Ｂ
文章编号：１００９—７７６７（２０１１）０２－００８７—０３
ＳｈｉｅｌｄＥｘｃａｖａｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＤｒｙＧｒａｖｅｌ
ＹａｎｇＸｉａｎｇｌｉａｎｇ，ＧｕｏＹｕｈａｉ，ＹｅＸｕｈｏｎｇ
Ｓｔｒａｔｕｍ
目前轨道交通建设飞速发展．在轨道交通线路的选择上．由于受规划及建筑物的制约．线形越来越复杂。这将使小半径曲线隧道线形的应用越来越多（１１。无水砂卵石地层中的盾构施工远比在黏土、砂性土等地层困难．在此种地层中的小半径曲线施工与常规的盾构施工相比存在着较大的特殊性，同时受到施工工期的限制，要求快速、优质地完成。因此对无水砂卵石地层小半径曲线隧道快速施工的研究有着重要意义，对今后砂卵石地层中曲线隧道快速施工有一定的借鉴作用。ｌ工程背景
北京地铁４号线是一条贯穿北京南北的轨道交通线路．其中国家图书馆站一动物园站区间总长ｌ
３３９．８ｍ。
仅局部夹砂或黏性土透镜体，见图２所示。
动物园站
图ｌ国家图书馆站至动物园站区间隧道平面图
无水砂卵石地层盾构施工是国内外罕见的施工难题：首先，刀盘（刀具）和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重；其次，盾构机密封舱内建立土压平衡状态比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；再次．大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；最后，盾构掘进时的刀盘扭矩、推进阻力都远远大于其他地层，对设备能力要求较高。
无水砂卵石地层小半径曲线快速施工除需克服上述困难之外，还必须解决曲线施工的难点：
１）小半径曲线隧道轴线较难于控制，特别是在无水砂卵石地层中掘进时，盾构机的刀盘扭矩和推进阻力都很大，以前该种地层的地铁施工曾出现极限推力
该区间隧道水平方向大致呈“Ｃ”形。设计最小曲线半径３５０ｍ，曲线长度约占区间全长的８５％左右，见图１所示。由于４号线与地铁２号线在西直门站相接，该区间段自国家图书馆站向动物园站一路下扎，落差近
７．５
ｍ，竖曲线最小半径５
０００
ｍ，竖曲线同平曲线叠加
构成了一条立体空间的长距离急曲线地铁隧道。
根据工程地质勘察报告．盾构主要穿越的地层为卵石圆砾层，杂色，密实，湿～饱和，重型动力触探Ⅳ６３．５＝３３～９０。剪切波速Ｖ｜－２９４．１～４７５．６ｍ／ｓ，属低压缩性土。最大粒径２８０ｍｍ，一般粒径１０－－－３０ｍｉｌｌ，粒径大于２０ａｌｉａ颗粒含量约为总质量的１４％（现场砂石筛分试验结果），中粗砂充填，母岩成份为辉绿岩，
２０１１＃第２■（３一）￥２９巷啼荭笈木一ＥＴ８７
器隧道与地下工程
Ｕｎｎｅ…圳Ｕｎ
ｅｒｑｒｏｕｎｏｎ
Ｅ…ｉｅ…ｉ
ｑ
Ｈ外．号Ｉ＆杠仝断面尤水砂卵百地崖巾掘进施ｌ世｝盯辅“优质泡沫．彳能更奸的对肝构川罔、川ｊ｝进
ｉｒ但护
吲沁浆相比泡沫ｊ｝有更耗更易Ｊ。扩敞的特
＾．上仓内加＾啦台荇池沫的泥浆之后．ｊ】丑过川缸的旋转搅拌．ｒ，ｆ“他池椿泥浆与土体颗粒ｊ±｝行充分的接触．订利ｆ进一些殴菏十体之Ｍ的枉状构造．泡沫可ｍ吸附存十体劓，牡表ｍ，”ｒ“降低土傩颗札之ｍ】以及ｐ体颗粒与刀赫ｗ具ｕＪ的“接胯镶阻力，这种混合添加材料吖“蜓好地改善Ｌ体的螭流性提高土体颗粒之间的黏难力，尤儿是泡诛吸附和卵砾石表面后可以使周…册小颗靴时若＿石块表面．使得大块“块ｎｆ
接近３７５０ｔ极限扭矩逃到５１００
ｋＮ
ｍ的光倒
以被众多小颗粒包裹．如此以米就跋小了行块与百块之间的直接接触面．降低丁石块之ｌｎＩ的摩擦．很容易通过螺旋输送机排．１１从而提高丁碴Ｌ的甥流性ｍ”．所以盾构推进过程中必须时时根据实际排川渣土的塑流性状况、川傩＊Ｉ睁的岛低以及推力的大小米蒯整加挺加池沫的培删时奠能降低十体的渗透睢。另外，泡濠川其比重小、搅拌负倚轻可以降低刀盘的旋转扭矩，且史容易将十体搅拌均匀．从而达到既能平衡开挖面土压，卫能连续向外顺畅排土的目的。２．２塑流化改造材料试验
施工前先进行材料选择，之后在现场取土样．对各种蛆流化改造材料进行试配试验：自先进行材料的性能试验．确认进场材料的町川性；片次．进行塑祈ｃ化政造效果的判断，判断因素包括
１）保持渣上和易性的能力：
２）增加蜘削上体的塑性流动性的能力：
３）使开挖由土体及蜘削Ｆ的土体儿有良好的止水性能力：
４）防止切削土渣黏附在Ⅳ盘及螺旋输送机内，避免阿寒现象的能力：
５）减轻机械负荷降低刀盘扭矩的能力：６）剥刀盘、螺旋输送机等部位减磨、冷却的能力
２
２）扯盾构如此大的水力下．雌以＃，制已Ｊ止形隧道管＂柏质扯＂砌符片拒拼装ｊ¨很可能四为推力过火造成应力集中而杖破ｑ、』“生碎袋或移位等情况．同时扭矩Ｅ［大很容易ｌＩ己’ｆ：刀穗抱死的情况，造成川魏启动同难．无法保持Ｌ胜平衡．进Ⅲｆｉ发生地层塌陷或地【自ｉ口Ｃ降的危险
３）在全断脚砂卵☆地层一改件掘进距离之长、在北京詹第一次，
“对眦ｒ艉ｄ，通过仆析以及总结已拍ｊ进医问隧道的经验，着重从两方ｍｊ采取措施２土体塑流化改良
盾构掘进过程ｒ｜｜，砂卵石地崖・Ｉ－ｗ具腑捌严重刀靡推力扭矩人．对地层扰动大而通廿对砂卵石的塑流化改造既能减少月』｝席损．降低扭矩、推力．同时可鞍好地控制地层０ｃ降
２
足Ｌ体的蠼流
化改良，二是盾柑掘进参数的进步优化
１选择塑流化改造材料
普通泥浆丰要ｈ膨润上、润滑剂、流化剂以及水
组成，但是穿越尤水砂卵☆地层时如粜采州加八普通泥浆的措施，ｎＩ能会Ｈ为泄浆黏度小够造成土体颗粒之间离析翊流化群度怔造脱ｒ压不稳定排溃困难．进而造成，Ｊｍ扣舡推进ｍ山等参数的变大为适应这种地联，我们弩虑改良泥浆主要有以下几种由式使用高分敞度泄浆、增加泥装中黏土含嚣、加人有机或无机增黏剂等。而简单增加泥浆黏土古量和使用细分散泥浆对于改善渣土的坦流性虽特有定效果．但是对于月具的保打ｔ技果不理想』ｍ且使用管路压送的难度很大，所以我们选川ｒ加人有机或尤机增黏剂的方式，此种泥浆黏度大润滑效果虾操作方法简单．泥浆性能指标稳定目完±ｎｒ以采Ｈ｛管路压送．
３选择加泥加泡沫的注入点
根据以往施工经验．在砂卵石地层中施『时盾构
机ｈ虚适当增加泥浆、泡沫的注ＡＥ１．一般设卉水步于１０个的泥浆注人点（同时也口ｎＨ为泡涑添加Ｅ１）和３个泡沫注八点。加泥口主耍在☆尾膨月虫Ｌ１个．土仓密封隔板Ｌ２～３个刀盘辐条Ｋ２～３个螺旋输送机上２个，盾壳Ｉ：不少于３个：泡沫添加ｎ在刀盘辐条ｆ：２个、鱼Ｊ《月ｒ１个．ｃ１『根据宴陬型流化改造的情Ｍ，相应增加密封舱隰扳ｌ的加泡沫口。
８８｛＃矗‘Ｈ盯Ｚ０１１Ｎｏ
２（Ｍｎｒ）ＶｏｌＺ９
２．４合理控制注入量
控制加入泥浆、泡沫的比例在砂卵石地层盾构掘进施工中非常重要。合理的比例和注入量能改善土体塑流性到最佳状态．比例不当不仅解决不了土体塑流性改良作用，反而可能起负面作用。在实际推进中应根据地层砂卵石含量和卵石粒径来调整泥浆和泡沫的注入比值。根据以往类似地层的施工经验。泥浆和泡沫加入量基本接近于１：１～ｌ：１．３之间。加入总量一般控制在土方开挖总量的３５％左右为宜。３盾构掘进技术参数优化３．１土压力控制
正常掘进土压应预先根据隧道埋深、地质情况以及地层的含水状况进行计算．一般控制在０．０４～０．１２
ＭＰａ
之间。但是考虑到土压的数值和刀盘扭矩以及盾构推力成正比的关系，为了尽量降低刀盘的磨损、减小盾构的推进阻力，提高掘进速度，应在满足地面沉降要求的前提下适当控制土仓压力维持在稍低的数值。３．２盾构推力控制
为在无水砂卵石地层中实现稳定快速的掘进．盾构推进时应保证速度的均匀性。这就要保证盾构机的推力要大于阻力。无水砂卵石地层中掘进理想推力应该控制在２３
０００
ｋＮ以下，当推进阻力超过该数值采取
向盾构侧壁外注入泥浆以降低盾构壳体与土体之间磨阻力。
３．３刀盘参数控制
为保证快速掘进，必须保证刀盘扭矩在合理的范围内，同时尽量降低刀盘的旋转速度，初步控制在
０．６７和０．７８ｒ／ｍｉｎ，如此可以获得较大的旋转扭矩。当
刀盘的扭矩超过７５％时，首先应该检查泥浆和泡沫的质量与注入率，在以上因素正常的前提下再适当地调整刀盘的旋转速度。每次盾构掘进前，在满足刀盘正常施工的前提下，尽量减少刀盘空转的时间以减少刀盘的磨损。
３．４螺旋输送机控制
要实现快速推进，必须保证螺旋输送机正常的工作状况．一方面控制好螺旋输送机排土闸门的开度。应根据渣土塑流性情况进行确定：另一方面螺旋输送机的转速必须与土仓内的土压力及推进速度相匹配。太快则无法保证土压，太慢则无法满足排土要求。造成土压过高。操作时尽可能选用手动控制，随时调整螺旋输送机的转速。同时应采取单独向螺旋输送机内注入泥浆和泡沫混合液的方式，尽可能的降低螺旋输送
隧道与地下工程器
Ｔｕｎｎｅｌ＆ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
机的扭矩，以减少螺旋输送机的磨损。
３．５注浆控制
盾构施工中，同步注浆和二次补注浆对控制盾构姿态和成形隧道的轴线位置有着不可忽视的作用．在曲线段施工过程中，要根据盾构机本身相对于设计轴线的姿态选择用不同位置的注浆孑Ｌ和浆液配合比．即采用与盾构偏离轴线的方向同侧的注浆孔．并稍稍提高浆液混合后的凝固时间，比正常掘进时提高５～８
ｓ．
目的是为了通过浆液的快速凝固迅速填充管片与外周土体的间隙，并适当调整注入压力（控制在管片问不产生大的错台为宜），利用浆液注入的作用力强行将管片向轴线方向靠近，从而减少管片成形的偏差量。４施工效果
通过增加向盾构壁外加泥的措施，即在盾构壳体预留泥浆注入口，将泥浆注入到盾构壳体与土层的间隙中，在盾构壳体与土体之间形成一层黏稠、润滑效果良好的泥膜。使盾构推进阻力由３７００ｔ降至１６００～
２０００
ｔ之间．一方面增加了推进千斤顶编组选择的空
间，另一方面使推进速度大大提高．可达到７０
ｍｍ／ｍｉｎ。
国家图书馆站一动物园站区间隧道贯通仅用了６５ｄ．
并创造单月掘进６５３环的地铁盾构施工记录。轴线偏
差均控制在±５０ｍｍ以内．地表沉降最大值仅为８ｍｍ。
管片错台最大值为７．５ｍＩｉｌ，其他各项指标均达到优良
工程的标准。５结语
１）无水砂卵石地层盾构推进阻力大，不利于轴线的控制，通过对土体的塑流化改良。不仅可以显著降低推进阻力、降低刀具磨损，还有利于砂卵石的顺利输送，满足了快速施工的要求。
２）普通泥浆对无水砂卵石地层的改良效果并不明显，该工程采用的新型添加材料及泡沫。土体改良效
果明显提高，可在今后类似工程中采用。词
参考文献：
【ｌ】王梦恕．我国地下铁道施工方法综述与展望叨．地下空间，
１９９８，１８（２）：９８—１０３．
【２】胡显鹏，袁大军，等．无水砂卵石地层土压平衡盾构添加剂
研究【Ｊ】．都市快轨交通，２００６（Ｓ）：５８—６０．
【３】杨乃刚．泡沫在土压平衡式盾构施工中的应用叨．建筑机械，
２００５（８）：８３－８６．收稿日期：２０１０—１０－－０９
作者简介：杨祥亮（１９７８一）。男，北京市人，工程师。硕士，主要从事盾
构施工技术管理工作。
２０１１年２期（３一）．ＩＳ２９．ｔ－啼荭数术一盯８９
无水砂卵石地层盾构施工技术
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
杨祥亮， 郭玉海， 叶旭洪， Yang Xiangliang， Guo Yuhai， Ye Xuhong北京市政建设集团有限责任公司,北京,100045市政技术
MUNICIPAL ENGINEERING TECHNOLOGY2011,29(2)
参考文献(3条)
1. 王梦恕 我国地下铁道施工方法综述与展望[期刊论文]-地下空间 1998(02)2. 胡显鹏;袁大军 无水砂卵石地层土压平衡盾构添加剂研究 2006(S)
3. 杨乃刚 泡沫在土压平衡式盾构施工中的应用[期刊论文]-建筑机械 2005(08)
本文读者也读过(10条)
1. 周秀普 无水砂卵石地层盾构隧道施工地层变形分析[会议论文]-2004
2. 宋修元. Song Xiuyuan 砂卵石地层下盾构过浅覆土路段施工措施[期刊论文]-铁道建筑技术2011(4)
3. 邓亨义. 徐雪莹. 陈明娟. Deng Hengyi. Xu Xueying. Chen Mingjuan 富水砂卵石地层盾构隧道施工泥浆的研究与应用[期刊论文]-中国工程科学2010,12(12)
4. 孔恒. 张汎. 李辅孝 砂卵石地层盾构隧道关键施工技术[会议论文]-2005
5. 章龙管. 陈馈 成都地铁富水砂卵石地层盾构适应性分析[期刊论文]-建筑机械化2010,31(4)
6. 井景凤. 王综勇. JING Jingfeng. WANG Zongyong 砂卵石地层中某盾构区间过桥区段的方案优化[期刊论文]-隧道建设2011,31(2)
7. 孔恒. 张汎. 汪波 砂卵石地层盾构隧道关键施工技术[会议论文]-2005
8. 陶建. TAO Jian-xun 成都砂卵石地层盾构施工技术措施[期刊论文]-山西建筑2009,35(10)9. 刘纯洁. Liu Chunjie 双圆盾构小半径曲线施工技术研究[期刊论文]-建筑施工2010,32(5)10. 崔学忠. 陈强 小半径、大纵坡、浅覆土立交盾构隧道的施工对策[期刊论文]-四川建筑2008,28(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_szjs201102022.aspx