0 引言

　　土压平衡盾构机在富水砾卵石层中掘进时，受高承压水头、砾卵石层石英含量高、易受扰动等因素影响，盾构施工过程中易面临螺旋输送机频繁喷涌、刀盘刀具磨损严重、刀盘卡死、地面沉降等问题。大东湖深隧工程3号—1号区间是长3.6km的复合地层盾构区间，为确保区间接收端1.3km富水砾卵石层在不具备换刀条件的情况下一次性顺利穿越，不仅针对上述穿越砾卵石层施工重难点采取了刀具调整、尾刷更换、参数调整、刀具磨损监测、注浆控制等措施，在前期的盾构设计中综合考虑了盾构机在该地层及岩层中的掘进能力，相关措施可为类似地层施工提供参考。

　　1 工程地质与水文地质条件

　　1.1 工程地质条件

　　大东湖深隧工程3号—1号区间位于长江一级阶地，隧道埋深29～35m，区间长3.6km，主要穿越(15)_c-1强风化含砾砂岩、(15)_a-1强风化泥质细粉砂岩、(15)_a-2中风化泥质细粉砂岩、(12)砾卵石、(4)₃粉细砂。接收前需穿越1.3km砾卵石层。

　　(12)砾卵石层饱和，中密偏密实状态，低压缩性，为长江古河道河床底部沉积形成，该层物质组分不均，砂、砾、卵石混杂，含量不一，以砾卵石为主，不均匀含30%～45%的粉细砂和黏性土，卵石一般粒径约为3cm，揭露最大粒径超过11cm，成分多为石英砂岩等，平均石英含量89.1%，渗透系数1.6×10^-2cm/s。

　　1.2 水文地质条件

　　本区间主要地下水为孔隙承压水，主要赋存于(12)砾卵石和(4)₃粉细砂中，其上覆的黏性土层可视为其隔水顶板，下卧基岩透水性较差，可视为相对隔水底板。孔隙承压水水量丰富，与长江有较密切的水力联系，其水位变化幅度受长江水位涨落影响。据武汉地区承压水长期观测结果，该地区承压水头标高一般在15.000～19.500m，位于隧底以上29～34m。

　　2 盾构针对性设计

　　投入1台小直径土压平衡盾构机，开挖直径4 250mm。为确保盾构机在富水砾卵石层及岩层中有良好的掘进性能，主要对盾构机的密封系统、刀盘系统、耐磨性能等进行了改进。

　　2.1 密封系统

　　1)主驱动密封

　　主驱动外密封采用1道迷宫、2道4指形密封、1道单唇口密封，内密封采用2道唇形密封，如图1所示，有效提升密封承压能力，以满足高压富水地层的使用要求。

　　图1 主驱动密封示意  

　　2)盾尾密封系统

　　根据区间水文地质特点，为提高长距离施工盾尾密封的可靠性，在常规3道尾刷设计的基础上，增加1道尾刷，采用4道环形钢丝尾刷+1道止浆板的设计，承压能力>1MPa，每排钢丝刷间距35cm，构成3个盾尾油脂仓，每个仓设5个注脂点，掘进中自动或者手动注入密封油脂，填充钢丝刷之间空隙，减少钢丝刷磨损。

　　3)铰接密封

　　铰接密封采用2道多唇聚氨酯密封，承压能力>0.75 MPa，后唇给前唇以支撑。

　　4)螺旋输送机密封及防喷涌优化(1)预留注入接口，必要时可向土仓壁和螺旋输送机内注入膨润土和高分子聚合物，以缓解螺旋机的喷渣压力。(2)螺旋输送机尾部预留口连接一个自制防喷涌装置，通过气动闸阀实现有控制地预排水，掘进之前对土仓进行泄压，缓解喷渣影响。

　　2.2 刀盘系统

　　主要针对复合地层刀盘开口率、泥质岩层中刀盘中心区域防结饼、刀盘刀具在复合地层中耐磨问题进行针对性设计。

　　刀盘采用辐条面板式结构，4个主梁与4个副梁形式，开口率为32%，开口均匀分布，中心部位设有面积足够的开口，增大开口率有利于卵石进入，避免卵石多次破碎，减小刀盘磨损。刀盘的刀具为滚刀与切削类刀具搭配，区间前段岩层掘进设置双联15.5寸滚刀4把，15.5寸单刃滚刀22把，刮刀26把，边刮刀8把，仿形刀1把。滚刀的刀座可实现滚刀与撕裂刀更换，穿越砾卵石地层时可根据施工需求，在滚刀刀箱上安装撕裂刀。刀盘面板采用复合耐磨板覆盖，在刀盘外圈梁布置2圈HARDOX500耐磨板+16把大圆环保护刀+整圈耐磨合金刀，提高刀盘耐磨性能。

　　2.3 耐磨设计

　　除上述刀盘的耐磨设计外，螺旋输送机也进行了针对性耐磨设计。为确保大粒径卵石顺利通过，螺旋输送机最大通过粒径达195mm×380mm，螺旋轴叶片采用高锰铸铁耐磨材料，螺旋机前端筒体、第1,2节筒体内表面堆焊耐磨复合钢板，均提高了耐磨性。

　　3 穿越前刀具、尾刷更换

　　3.1 换刀原因

　　前期盾构机在强、中风化岩层中不换刀连续掘进1.4km后，边缘滚刀已经基本达到磨损极限，中心滚刀存在偏磨情况。

　　盾构机在1.3km长砾卵石地层中掘进刀具更易磨损，该区域地面为港渠，无换刀点加固条件，无法常压换刀，而小尺寸盾构机带压换刀工效低、风险大，也应尽量避免。故在穿越前进行刀具调整及更换，保障掘进顺利，避免在砾卵石层换刀，且该区间近距离下穿地铁4号线，更换刀具可为顺利下穿提供保障。

　　3.2 刀具配置调整

　　1)换刀点选取

　　在穿越前选取掌子面岩层风化程度低、渗透系数小，隧道上覆岩层较厚且地表无建(构)筑物的位置作为换刀点，采取补勘与抽水试验等措施进行验证。

　　2)刀具更换

　　砾卵石地层石英含量高，具有很强的磨粒性，刀具易磨损，且该类地层提供给滚刀类刀具摩擦力小，常规滚刀易出现无法启动而造成刀具偏磨的情况。

　　针对该地层刀具的调整主要为滚刀，如果将滚刀全部替换为合金类撕裂刀，会造成盾构掘进过程中刀盘扭矩增大、对地层扰动大等副作用，给近距离下穿的地铁4号线造成不利影响，故仅将极易偏磨的中心双联滚刀更换为撕裂刀。其他区域滚刀更换为单刃镶齿敷焊滚刀，该刀具通过在常规光面滚刀上镶硬质合金齿提升耐磨性，既避免了撕裂刀存在的弊端，且由于镶齿和敷焊的存在，增加了滚刀的“抓地”能力。

　　刀具调整如图2所示，将原来4把155mm中心双联滚刀替换成140mm撕裂刀，20把155mm单刃滚刀替换成155mm单刃镶齿敷焊滚刀(具备一定切削能力)，其他刀具不变。

　　图2 换刀示意  

　　其中单刃镶齿敷焊滚刀使用平头齿增加刀圈本体的厚度，提高本体的耐磨性。这种齿由于合金齿采用全部埋入式，提高了合金与基体的固齿强度，能够抵抗小砾卵石带来的冲击。其次刀圈在两侧覆焊耐磨层的基础上，还在两侧各覆焊28道高度为3～5mm的耐磨条，耐磨条与直径方向有一定夹角，可有效提高耐磨合金覆盖率，干扰岩土对刀圈同一地方冲刷而造成基体磨损过快的问题。

　　3.3 尾刷更换

　　因尾刷已经使用2.3km，为保障盾尾密封性能，在刀具更换后至穿越前选择合适位置进行尾刷更换。盾构机尾刷与管片相对位置调整至图3所示后停机保压。在盾尾后方采用双液浆注3道止水环，封堵后方来水，在盾体上的径向孔注入聚氨酯，形成盾体外临时封闭环，封堵前方来水，防止更换过程中出现漏水、冒泥等情况。同时为了防止盾尾被双液浆包裹住，在盾尾注入1道盾尾油脂(2m³)和1道聚氨酯(2m³)，如图3所示。

　　图3 注止水环  

　　在倒数第1环管片的吊装螺栓之间焊接支撑型钢，使该环管片保持原有椭圆度，选取4个伸缩度一致的千斤顶，采用同样长度的钢丝绳穿过管片螺栓孔与千斤顶连接，均匀缓慢地将倒数第1环管片拉至2道尾刷露出，如图4所示，尾刷更换完毕涂抹油脂，利用千斤顶将管片环向后推与倒数第2环管片连接。每推进200mm，测量前后两环管片螺栓孔的对准情况。

　　图4 盾构管片分离示意  

　　4 穿越中施工措施

　　4.1 掘进参数及姿态控制

　　1)盾构在砾卵石地层中应保持连续掘进，减少盾构机停顿时间，避免停机造成复推后喷涌及地表沉降增加。

　　2)盾构采取保压模式掘进，利用气压辅助土压平衡，在土仓内保留1/3～1/2仓位左右的渣土，可在保证土体稳定的前提下实现快速掘进，盾构掘进速度控制在45～60mm/min。

　　3)盾构掘进过程中主要按照土体埋深考虑静水压力以及适当的土体压力，以土压平衡状态下的土压力计算值为盾构掘进施工的土压设定值，根据出渣量进行微调，调整量为0.02MPa。

　　4)增大砾卵石地层中掘进的贯入度，通过减少刀盘转动圈数，降低刀具磨损，贯入度设置为40mm/r。

　　5)出渣量采取质量与方量双控的原则进行控制，避免超挖，当出渣量过小时，在下一环适当减少土仓压力;当出渣量过大时，应加大土仓压力，并在盾尾通过该区域时增大同步注浆量，同时关注地表沉降，如果沉降预警，则继续加大土仓压力，直到地表沉降控制在允许范围内。

　　4.2 刀具监测

　　运用刀具状态监测系统，该系统可实时监测盾构施工中滚刀的转速、磨损量、刀盘温度等参数，并结合盾构施工开挖地层条件，辅以盾构操作参数，实时预测滚刀寿命，综合判定盾构刀盘工作状态，为盾构施工提供指导。该监测系统的运用，避免了富水砾卵石地层中的开仓验刀，有助于及时调整盾构施工参数，延长滚刀使用寿命。

　　4.3 渣土改良

　　本区间砾卵石层渗透系数1.6×10^-2cm/s，为进行有效渣土改良，综合使用了泡沫、膨润土及高分子聚合物。其中泡沫具有润滑冷却和减摩的作用，可有效降低刀盘扭矩，减少刀具的磨损，稳定土压及提高出土效率，为主要使用的改良剂。经试验，本地层中泡沫浓度控制在2.5%，发泡率设置在10%～12%，流量控制在220～250L/min。

　　膨润土形成低渗透性的泥膜，有利于给工作面传递密封土仓压力，提高密封渣土和易性，减少喷涌的发生，在喷涌较频繁区段需搭配使用膨润土。若在掘进过程中发生严重喷涌，应立即采用高吸水性树脂类聚合物迅速吸收土层中的水分，稳定掌子面。

　　4.4 注浆控制

　　砾卵石层为含水层，孔隙比大，易受施工扰动，造成地表沉降。在施工时应保证同步注浆量，并及时进行二次注浆避免发生较大的地面沉降。

　　1)同步注浆从隧道顶部两侧注浆，注浆量主要取决于管片与土体之间的空隙体积，砾卵石层中注浆量按2.0倍扩散系数进行控制，浆液初凝时间控制在3～4h，配合比如表1所示。

　　表1 同步注浆材料配合比 

　　表1 同步注浆材料配合比

　　2)二次注浆二次注浆采用双液速凝浆液，初凝时间1min左右。双液浆采用水泥浆∶水玻璃=1∶1(体积比)的混合浆，注浆压力为0.5～1MPa。

　　5 结语

　　大东湖深隧工程在3.6km超长区间内盾构一次性穿越1.3km富水砾卵石层施工过程中，针对容易出现的刀盘严重磨损、不均匀沉降、喷涌等问题，通过前期的盾构选型及针对性设计，施工过程中的刀具调整、尾刷更换、参数调整、注浆控制等措施，盾构日掘进10～16环(1.2m/环)，更换的单刃镶齿敷焊滚刀在掘进1.3km后，最大磨损量仅10mm，盾构施工扰动小，监测结果显示近距离下穿4号线造成的最终沉降仅2.0mm，区间地面沉降控制在3mm以内，实现了安全、高效掘进。