兰州地铁1号线黄河隧道盾构施工难点及应对措施研究

兰州地铁1号线黄河隧道盾构施工难点及应对措施研究

王 飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

摘 要：兰州地铁黄河隧道为国内首条交通工程类下穿黄河隧道，地质条件极为独特。为解决盾构连续性长距离在大粒径高压富水弱胶结高硬度的砂卵石地层中如何安全顺利掘进下穿黄河，采用理论分析与现场施工反馈紧密结合的方法，研究盾构下穿黄河施工难点及应对措施。研究表明：土压盾构在穿黄施工中相继遇到刀盘卡机、刀具磨损、螺旋机喷涌、固结泥饼、地面塌陷等问题；泥水盾构相继遇到掘进困难、卵石积仓滞排堵管、破碎机故障频发、刀盘刀具管路磨损、泥浆击穿河床等问题，通过设备改造，优化掘进参数，做好区间降水、工法辅助、泥浆制配、渣土改良、刀具改进、气压稳定等工作，有效解决盾构在砂卵石地层中掘进的相关问题，确保黄河隧道顺利建成。

关键词：地铁；黄河隧道；盾构法；砂卵石地层；下穿施工

1 概述

砂卵石地层作为一种典型的力学不稳定层，其物理力学特性与一般黏性土、黄土、软土以及复合地层等存在较大差别。该地层主要特点为胶结较差、结构松散、自稳能力差、卵石颗粒点对点传力、单个卵石强度高、颗粒之间空隙大、渗透系数大、黏聚力小、内摩擦角大等，砂卵石地层采用盾构法施工为国内外工程界难题。目前各城市地铁建设如火如荼，盾构法所遇地层条件愈来愈多，类似于成都、沈阳、北京、兰州等城市，砂卵石地层分布广泛，地铁建设不同程度上要与砂卵石地层打交道。

纵观国内以砂卵砾石为主地层的盾构实施情况，通过沈阳、北京、成都等城市的地铁建设，已经对砂卵石地层盾构作业相关技术问题进行了一定深度的探讨，但各地域砂卵石地层特点不尽相同，盾构掘进所遇问题也不尽相同。

沈阳地铁地层条件以中、粗砂及砾砂层为主，地下水位埋深在7.0～9.0 m，下穿浑河段砂砾石粒径10～60 mm约占36%，粒径2～10 mm约占25%，粒径2 mm以下约占39%，最大粒径60 mm左右，整体看地层条件以较细颗粒为主，采用盾构法实施条件相对较好；北京地铁在城区西部砂卵石分布较为广泛，以⑤、⑦层砂卵石为主，尤其西南地区分布较为独特的无水大粒径砂卵漂砾石地层，具有大粒径漂石(最大粒径达900 mm)，卵石含量高，硬度大(20 cm砾石最大天然抗压强度达145 MPa)，间断级配，砾石胶结致密，全断面无水等特点，也是盾构界掘进的难题，所采用的盾构设备以辐条式刀盘、大开口率、高扭矩、高推速、强出渣输送能力为主要特点，在适应地层掘进的同时重点控制地面沉降[1-2]；成都地铁盾构穿越地层存在较大段落的富水砂卵石，地层特点也具有“三高”，即：地下水位高(水位埋深2.0～5.0 m)，卵石含量高(高达60%～71%，最大粒径达670 mm)，卵石单轴抗压强度高(50～150 MPa)。成都的砂卵石地层条件和兰州地铁黄河隧道最为相近，但成都砂卵石地层胶结程度相对好，自稳性好，地层渗透系数小，地下水流动性及补给性不高，加上成都地铁区间埋深普遍不大[3-4]，地下水的影响程度相对不高，导致成都地铁盾构的整体实施难度没有兰州地铁黄河隧道高。

以兰州地铁黄河隧道为工程依托，针对黄河上游段七里河断陷盆地内沉积的巨厚状砂卵石，采用盾构法施工下穿黄河所遇到的一系列相关问题，结合现场进展及所采取的应对措施，进行系统研究和总结，确保兰州地铁黄河隧道顺利建成，丰富砂卵石地层盾构施工技术并积累相关经验。

2 黄河隧道概况

兰州地铁1号线一期工程(陈官营—东岗段)全长26 km，线路在“三滩”地区2次下穿黄河，形成奥体中心—世纪大道(2 133 m)和迎门滩—马滩(1 907 m)2座黄河隧道，均采用双洞单线结构形式，串联七里河、安宁、西固三大主城区。本工程为黄河上第一条交通工程类隧道，亦是黄河上第一条地铁盾构隧道。

2.1 工程及水文地质条件

黄河隧道位于七里河断陷盆地内，巨厚状砂卵石地层，地下水位于地面以下5～8 m。场地自上而下分别为第四系全新统杂填土(Q4ml)、黄土状土、中砂、2-10卵石，第四系下更新统的3-11卵石。黄河隧道平面及地质纵断面如图1、图2所示。

图1 兰州地铁黄河隧道平面

图2 黄河隧道地质纵断面

隧道穿行3-11卵石层，该层粒径大于200 mm的漂石、大于20 mm的卵石平均含量64.53%，一般粒径20～60 mm，盾构掘进发现最大粒径650 mm，中粗砂充填。如图3、图4所示。

图3 黄河岸滩出露砂卵石

图4 盾构掘进渣土颗粒筛分

卵石层内胶结体随机分布，泥质胶结为主，钙质胶结次之。随机选取盾构掘进出渣进行筛分，颗粒5 cm以下的卵石占68%，颗粒5～15 cm的卵石占25%，颗粒15 cm以上的卵石占7%。

2.2 工程特点及难度

隧址处砂卵石地层卵石含量55%～75%，颗粒级配不均，卵石一般粒径20～50 mm，最大粒径650 mm，平均饱和抗压强度60～120 MPa，最大饱和抗压强度达200 MPa，细颗粒较少，石英含量70%～90%，地下水丰富，最高承受38 m水头，地层渗透系数55～60 m/d，地下水补给迅速，属强透水地层，隧道围岩综合分级为Ⅵ级。兰州地铁黄河隧道的砂卵石地层独具特点，采用盾构法长距离连续性穿河施工具有很大的工程难度。

3 黄河隧道总体设计及施工组织

3.1 黄河隧道线位

平面需考虑地铁线网规划、两端车站、桥梁以及陆域建(构)筑物等线形控制因素。结合冲刷影响分析，考虑上下游河势，两穿黄河隧道采用双线同侧于上游绕避河中桥墩，其中：奥—世黄河隧道右线距深安大桥桥墩40 m，左右线间距20 m，穿河段为直线；迎—马黄河隧道左线距银滩大桥桥墩50 m，左右线间距18 m，穿河段位于R=1 200 m的曲线上。

纵断面主要考虑黄河冲刷影响，在最大冲刷线下预留一定安全距离，兼顾两端车站、区间附属及线路坡度等因素综合确定。根据自然冲刷、一般冲刷及桥墩处局部冲刷得出河道冲刷影响包络线，隧道任一点与最大刷深按不小于1D(D为隧道洞径)控制[5]。奥—世、迎—马黄河隧道位于黄河河底以下的结构埋深分别为23～25 m和22～27 m，相对地表最大埋深为37 m。

3.2 盾构设备选型

决定盾构设备选型的主要因素为地层、地质及水文条件。兰州地铁黄河隧道位于3-11卵石层，平均渗透系数55～60 m/d(6.94×10-4 m/s)，从地层渗透系数考虑盾构设备选型，应优先选择泥水盾构，如图5所示；地层砂卵石粒径以20～250 mm为主，如图6所示，左侧的黄色区域为黏土、淤泥质土粉细颗粒区，属土压盾构适用的颗粒级配范围；深色区域往右为卵砾石粗颗粒区，属泥水盾构适用范围；两区域中间地带为粗砂、细砂中等颗粒区，既可采用泥水盾构、也可将地层改良后采用土压盾构施工[6-7]。

图5 地层渗透系数划分盾构选型

图6 地层颗粒级配划分盾构选型

但从图5、图6可看出，无论是按地层渗透系数还是按颗粒级配划分，采用盾构设备的条件都不是绝对或唯一的，都有一些重叠区域或空白区域。根据地层渗透系数条件，3-11砂卵石地层适宜采用泥水盾构；从颗粒级配划分，部分颗粒范围经地层改良后可采用土压盾构，部分颗粒范围适宜采用泥水盾构，还有部分颗粒范围属于空白区，当颗粒直径在150 mm以上甚至更大时，即便是泥水盾构也将不是非常适用，这也恰恰说明了大粒径砂卵石、漂石地层是盾构设备掘进的难点。

当地层水压大于0.3 MPa时，宜采用泥水盾构，此时土压盾构的螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，易发生渣土喷涌；如确要采用土压盾构，则需进行地层改良，并增大螺旋输送机长度或采用二级螺旋输送机，尽量防止喷涌。

根据兰州地铁黄河隧道的地层地质特点，考虑施工安全为最主要因素，下穿黄河河道段应采用泥水平衡盾构，岸滩陆域段可采用泥水也可采用土压平衡盾构，随着掘进埋深及水压的增大，宜采用泥水平衡盾构。在高水压、强透水、高硬度、粒径不均的砂卵石地层中采用泥水及土压盾构同时施工，也为两种机型在同一套砂卵石地层中掘进的适应性、相关设备配置以及各机型最佳适用条件提供了对比和借鉴。

3.3 黄河隧道施工组织

奥—世穿黄隧道采用1台泥水平衡盾构和1台土压平衡盾构，其中：世纪大道—中间风井属岸滩陆域段，采用1台土压平衡盾构由世纪大道站始发，奥体中心—中间风井属下穿黄河河道段，采用1台泥水平衡盾构由奥体中心站始发，分别掘进至中间风井接收吊出，往返施工左右线；迎—马穿黄隧道采用2台泥水盾构，从迎门滩站始发，下穿黄河河道后掘进至马滩站接收[8]。黄河隧道施工组织平面如图7所示。

图7 黄河隧道施工组织平面

4 盾构施工重难点问题及应对措施

4.1 土压平衡盾构

4.1.1 掘进所遇问题

土压盾构由世纪大道站始发，向黄河岸边中间风井掘进。世纪大道站为地下两层，盾构始发埋深10.5 m，地下水位为地面以下8～10 m，盾构在3-11卵石地层以27‰坡度向下掘进。自始发后掘进至638环期间，施工较为顺利，最高月进尺244环，最高日进尺17环；在638环以后，此时隧道埋深超过25 m，拱顶水头高度超过15 m，盾构掘进逐渐靠近黄河，埋深及水压逐渐增大，在高水压、强透水、弱胶结的砂卵石地层，受限于地表局部段落无法打设降水井或埋深逐渐增大降水效果受损等影响，掘进愈发困难。

若采用欠压掘进方式，卵石地层常规渣土改良后与地下水结合效果不明显，受高压水头影响，螺旋机喷涌严重，出渣不连续，喷涌后土仓保压失效，地层塌方致使刀盘被卡，进而地面沉降过大甚至塌陷。粒径较大的卵石进入螺旋机后也容易导致螺旋机被卡。

若采用满仓掘进方式，增加土仓内的土压稳定掌子面，同时加注高浓度膨润土渣土改良，一定程度上改善了地面沉降过大、螺旋机喷涌等问题。但此时盾构推进速度慢，大量卵石随刀盘长时间转动作用，卵石无必要的破碎率提高，刀盘刀具磨损严重，土仓内切削下来的砂卵石和泥浆及各类添加剂等长期满仓碰撞搅动，摩擦发热，不仅耗能费机，且在土仓和刀盘位置容易固结泥饼，导致彻底无法掘进。土压盾构螺旋机喷涌、刀具磨损及土仓内易结泥饼区域如图8所示。

图8 盾构螺旋机喷涌、刀具磨损及土仓结泥饼

4.1.2 现场解决措施

(1)刀盘被卡及应对

①地表回填混凝土形成盖板后出渣

刀盘卡死后，采用螺旋机间歇出渣转动刀盘，将土仓排空，于地表根据刀盘位置采用地质钻机在刀盘正上方前后左右各6 m范围进行探孔，及时充填足够方量的C25早强细石混凝土，凝固后在刀盘上方形成板壳体，可阻止上部土体及地表坍塌[9]。

②土仓内注入惰性浆液换填脱困

利用惰性浆液置换土仓内的渣土，边出渣边从底部注入惰性浆液，多次置换后将砂卵石排出，土仓内剩余膨润土及添加剂等，再左右尝试转动刀盘恢复掘进。此外，通过添加惰性浆液及分散剂等，还可有效防止土仓内结泥饼。

③地面打围护桩脱困

因掌子面坍塌使得盾构刀盘被卡，利用旋挖钻机在刀盘前方20～30 cm处打设围护桩，也可采用锚杆钻机在刀盘前密布打设1排φ150 mm孔，孔深超过盾构机刀盘底部，套管跟进不拔出，利用套管自身刚度支护防止掌子面塌方。成孔时兼顾将刀盘前方土体松动，打设完毕后尝试左右转动刀盘恢复施工。

④土仓保压盾体回缩

盾构掘进过程中保证铰接油缸行程在100 mm以上，当刀盘卡住时，往土仓内注入膨润土浆液保证掌子面稳定，再通过铰接回缩，使刀盘与掌子面分离开，多次尝试后恢复刀盘转动。这也是解决刀盘被卡最为经济快速有效的办法。

(2)螺旋机被卡及应对

盾构在砂卵石地层中掘进，因卵石粒径过大多次出现螺旋机被卡，穿黄隧道土压盾构采用双螺旋机，被卡后不能实现伸缩，通过清理螺旋机观察口的渣土恢复转动；但人工清理耗时费力，将二级螺旋下部拉丝限制块解除改造，实现了双螺旋的伸缩，被卡后正反转螺旋并辅助自行伸缩，可较快恢复螺旋机正常转动。

(3)螺旋机喷涌及应对

螺旋机喷涌属盾构施工中非常严重事件，可引发一系列问题，必须积极预防，妥善处理。

①气压辅助

向土仓内注入空气保压，置换土仓内渣土，形成土仓上半部气压下半部渣土，气压既保证掌子面稳定，又可通过高压气体在卵石地层的逃逸排挤地下水，能有效防止螺旋机喷涌。长期停机时要不断补充高压气体防止地下水汇聚，使土仓及掌子面附近渣土呈较干状态，可避免螺旋机喷涌，顺利恢复掘进。

②加强沿线降水

刀盘被卡时，通过打设管井降低水头高度，削弱地下水在刀盘位置的汇集，可增强地层稳定性，有利于刀盘成功脱困。沿线水头降低后，盾构在掘进中刀盘扭矩降低、速度提高，大大缓解了螺旋机喷涌等难题，同时也降低超方量，保证施工质量。

(4)刀盘刀具磨损及安全换刀应对

盾构在砂卵石地层中掘进其刀盘和刀具的磨损率相对较高，在高压富水砂卵石地层中常压换刀风险较大，要么进行降水，要么对掌子面封闭加固。因地层渗透系数较大，研究采用衡盾泥膜护壁保压。衡盾泥是改良性黏土浆体与塑化剂按一定比例混合反应，产生具有一定和易性的塑性浆体，在水中不易被稀释，浆液稳定，无机材料，绿色环保。通过拌制衡盾泥注入土仓，不仅增加卵石和易性，减小刀盘和刀具磨损，而且衡盾泥膜形成有效护壁，人员可安全进仓进行设备检修及换刀等作业，大为提高盾构掘进效率[10-13]。衡盾泥的制配、效果检验及现场泥膜护壁效果如图9所示。

图9 衡盾泥制配、检验及掌子面泥膜护壁

4.2 泥水平衡盾构

4.2.1 掘进所遇问题

泥水盾构在砂卵石地层中掘进规避了土压盾构的一些问题，但也遇到了自身独有的问题，主要有：砂卵石地层掘进困难，大粒径卵石积仓滞排，卵石堵塞落石箱、中继泵及管路等，碎石机故障频发，刀盘刀具及出渣管路磨损严重，泥浆击穿河床无法保压，掘进参数不宜选取等。整体看，泥水盾构在埋深及水压较大时，其掘进适应性和安全性相对较好，但上述问题会严重影响掘进效率，需结合现场情况研究探索解决。

4.2.2 现场解决措施

(1)卵石积仓滞排及应对措施

穿黄隧道大粒径卵石含量高，容易在刀盘与吸口之间、前闸门与碎石机之间堆积，造成滞排，使正常的泥水循环无法建立，造成渣土无法顺利排出开挖仓，往复形成恶性循环，加重积仓情况。卵石容易积仓滞排的区域及现场堆积情况如图10所示。

图10 卵石积仓滞排情况

针对卵石堆积仓底滞排，原刀盘背后搅拌棒与泥浆门平距约310 mm，尚无法完全充分搅拌。将刀盘背后改造增设加长型搅拌棒，使其与泥浆门距离缩短为190 mm，可大大增强土仓底部的搅拌能力，有效减小卵石积仓滞排几率。同时加大吸口处V3、V4出浆管冲洗流量，增加泥浆黏度及比重以更好的悬浮卵石，多次尝试冲洗与反冲洗，促使卵石翻腾避免堆积。一旦滞排需人工带压进仓，对气垫仓堆积部位进行清理。

(2)落石箱、中继泵及管路等堵塞及应对措施

泥水盾构采用泥浆环流系统往复循环，靠泥浆悬浮裹挟卵石排渣，在级配不均、粒径较大的砂卵石地层中，卵石容易堵塞落石箱、中继泵及管路等，从而影响环流系统运行导致无法正常掘进。穿黄隧道施工期间，高峰期每环管片掘进需清理落石箱6～8次，正常状态基本每掘进1环就必须清理落石箱1次，掘进难度较大。盾构掘进过程中砂卵石堵塞落石箱、泵口及格栅管路情况如图11所示。

图11 砂卵石堵塞落石箱、泵口及格栅管路情况

不同粒径卵石同时作用发生堵塞处理起来费时耗力。加强落石箱内的泥浆冲洗与反冲洗防止卵石堆积；人工拆解P2.1泵取出被卡的卵石，并打开落石箱门进行人工清理。当卵石粒径相对较大时，控制掘进速度不宜超过15 mm/min，否则一旦掘进过快，切削下来的卵石因环流系统携排不及时必将导致堵塞，欲速则不达。同时对碎石机后部及落石箱前部的格栅进行改造，控制卵石通过粒径最大为250 mm，减小卵石堵管情况。

(3)碎石机故障率高及应对措施

本地层卵石含量高达75%，粒径大硬度高，碎石机工作负荷大，与卵石频繁碰撞极易磨损，故障率较高。常见故障为接头漏油，油缸内、外泄、销轴脱落，颚板脱落等，如图12所示。掘进中合理切换碎石机工作模式，当大粒径卵石含量较高时，采用破碎为主、摆动为辅；当大粒径卵石含量较低时，采用摆动为主、破碎为辅，降低碎石机工作频率。施工期间带压进仓封闭泥浆门，常压开仓对碎石机经常性检查、保养或部件更换等，对关键受力构件接头部位特殊焊接加固。

图12 碎石机销轴端磨损、伸缩油缸受损后导致漏油

为减小进入盾构设备的卵石粒径，使大粒径卵石尽量在刀盘前方破碎，减小碎石机工作负荷，增加碎石机使用寿命，对刀盘适当改造，开孔处增加格栅，限定刀盘允许通过最大粒径为300 mm，掘进时控制刀盘转速(0.8～1 r/min)及推进速度(8～15 mm/min)减小刀具磨损。尽量实现“刀盘破碎+碎石机破碎+管路排渣”三者的合理匹配及最佳平衡。

(4)刀具磨损严重及应对措施

盾构掘进中刀具与卵石不断碰撞冲击损耗严重，隧道掘进埋深大、水压高，刀具与卵石持力后发生偏磨，高压泥浆易进入刀体内导致轴承损坏，进一步引发刀具损坏，如图13所示。

图13 刀具磨损及轴承密封损坏进入泥浆

将刀盘上10把边缘滚刀调整为双刃刀(17″刀体，18″刀圈，刃宽30 mm)，正面23把滚刀大轨迹线采用5把双刃滚刀(17″刀体，18″加厚刀圈)，剩余18把采用单刃滚刀(17″刀体，18″加厚刀圈)；与厂家协商加强刀具轴承密封耐压性能，掘进一定距离后，主动对刀具检查更换，确保每把刀的开挖直径，也可有效防止刀盘面板受损[14]。

(5)泥浆管路磨损严重及应对措施

卵石破碎后随泥浆排渣过程中对管路磨损严重，特别是排浆弯管、减振喉、软连接处等易出现磨损漏浆，影响正常掘进，如图14所示。

图14 排浆弯管、减振喉、软连接处损坏

将排浆弯管更换为双金属耐磨管路并存有备件；采用优质减振喉、软连接构件，并根据使用寿命统计提前择机更换；关键管路更换为特种耐磨无缝钢管；安排专人定期对管路磨损严重部位进行超声波检测，当壁厚小于7 mm时进行加密检测，小于5 mm时维修或更换。

(6)泥浆击穿河床无法保压及应对措施

黄河隧道卵石平均粒径大，渗透系数60 m/d，主河道下方平均每环管片失浆量在50 m3左右，最多失浆量达100 m3，高压泥浆击穿河床与黄河联通，在黄河水面上能反映出河床逸浆而引发的气泡。此时容易引发地层坍塌卡住盾构机，而盾构一旦在黄河底部被卡，需要带压进仓人工清理，严重影响进度。下穿河道时严格控制切口泥水压波动范围在-20～+20 kPa，保证开挖面稳定，必要时人工控制掘进参数；如河底轻微冒浆，在不降低开挖面泥水压下可继续推进，使盾构快速穿过冒浆区；如河底冒浆严重不能推进，应适当降低开挖面泥水压力；采用特种制浆剂提高泥浆比重和黏度，黏度控制在30～40 s，比重控制在1.18～1.22g/ cm3；盾构通过冒浆区域一段距离后，及时进行壁后注浆，按理论注浆量的200%以上充分填注[15-16]。

5 结语

本文紧密结合工程实际，重点分析土压/泥水盾构在砂卵石地层穿越黄河施工中所遇到的相关问题，通过现场摸索得出应对措施，有力确保了黄河隧道顺利建成。

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The Difficulties and Countermeasures in Shield Construction of Yellow River Tunnel of Lanzhou Metro

Line-1WANG Fei

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Yellow River tunnel of Lanzhou metro is the first traffic engineering tunnel passing under Yellow River with unique and extreme geological conditions. To ensure safe， continuous， smooth and long distance excavation in the ground with large diameter， high pressure， rich water， weak cementation， high hardness sand and gravel strata under the Yellow river， theoretical analysis and site construction feedback are employed to identify the difficulties and measures for shield driving under the Yellow River. The research results show that the EPB meets with such problems as cutter stuck， cutlery abrasion， spiral conveyer spewing， mud consolidation， ground collapse and so on; the SPB encounters excavation difficulty， sandy pebble accumulation and blocking， frequent crusher failure， cutter head and pipe abrasion， riverbed breakdown by slurry and so on. Through targeted equipment reconstruction， driving parameter optimization， section dewatering， auxiliary construction method， slurry preparation， muck and cutlery improvement， and air pressure stabilization， problems related to shield driving in sand and gravel strata are solved and successful construction of the Yellow River tunnel is guaranteed.

Key words：Metro；Yellow River tunnel；Shield methods；Sand and gravel strata；Under passing construction

文章编号：1004-2954(2017)04-0093-07

收稿日期：2016-08-03；

修回日期：2016-08-27

作者简介：王 飞(1981—)，男，高级工程师，国家一级注册建造师(市政)，国家注册监理工程师，2006年毕业于西南交通大学隧道及地下工程专业，工学硕士，E-mail：[e-mail]。

中图分类号：U231

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.021