2019创新项目推广 | 富含超大粒径漂石地层盾构施工技术研究及工程应用

进入21世纪后，随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，城市化建设与土地资源不足之间的矛盾日益凸显。为改善市民出行条件，解决交通拥堵，大力发展城市地下轨道交通，同时，为确保生态、保护环境，促进节能减排、推动产业升级换代，架空线路的入地、新建地下管线、市政道路等采用地下隧道模式，已成为城市建设的趋势。

基于此，本技术成果以实际工程为依托，针对富含超大粒径漂石的砾岩层、无水卵石层、富水卵石层及其交替的复合地层盾构技术系统进行了详细的开发与应用研究。

关键技术内容分述如下：

具体技术路线如下所示。

主要技术特点和创新点体现在如下几点：

（一）富含超大粒径漂石地层盾构劈裂破岩机理及刀具布置研究

创新性的提出了适合于富含超大粒径漂石地层的刀具破岩机理—阻尼作用下楔击劈裂破岩机理，研发形成了全新的刀具型式及刀具布置方式，是项目技术创新的核心。

1、确定了“重型撕裂刀楔击劈裂破碎，化大为小，疏导、通过、排出” 的盾构掘进开挖模式。

综合考虑富含超大粒径漂石地层的力学特性、工程特征及土压平衡盾构的适应性要求，通过理论研究及现场工程实践，创新性的提出了“重型撕裂刀楔击劈裂破碎，化大为小，疏导、通过、排出”的盾构开挖模式。盾构掘进过程中，首先利用重型撕裂刀将地层中超大粒径漂石破碎成小块碎石，然后利用渣土改良的方式提高渣土的流塑性，通过螺旋输送机将渣土顺利排出 。

2、基于刀具楔击劈裂破岩机理，研发了重型撕裂刀，首次提出并成功实施了贯彻盾构施工全过程的超大粒径漂石重型撕裂刀楔击破岩理论。

基于富含超大粒径漂石地层抗压强度高、磨蚀性强，但是劈裂强度相对较低的特征，创新性的提出了楔击破岩机理，研发了强冲击、高耐磨性重型撕裂刀，利用刀盘高转速下重型撕裂刀的冲击（楔击〉劈裂效应开挖富含超大粒径漂石、砾岩及其复合地层，解决了目前富含超大粒径漂石地层盾构掘进效率低的问题。

3、基于富含超大粒径漂石地层力学特征、盾构开挖模式及重型撕裂刀的劈裂破岩机理，创新性提出了适用于富含超大粒径漂石地层的土压平衡盾构刀具布置方式。

相比硬岩地层，富含超大粒径漂石地层相对较为松散，如果全部采用盘形滚刀破岩，卵、漂石在力作用下首先会产生微动，地层很难提供支撑力使大粒径卵、漂石始终处于稳固状态，滚刀很难实现滚压破岩作用，而且在卵、漂地层中滚刀刀圈自转启动困难，容易造成滚刀偏 磨而失效。如果采用普通软土刀具进行切削破岩，由于卵、漂石强度高，切刀很难将其破碎，而且容易造成切刀崩齿断裂而失效。根据上述分析，在主切削刀具配置中引入了重型撕裂刀，并开创了楔击劈裂破岩理念。即当刀盘在掘进过程中遇到漂石时，重型撕裂刀像重锤一样随着高速转动的刀盘不断刻划、碰撞、敲击漂石，而使漂石产生裂纹或局部碎裂 ，然后在盾构刀盘高扭矩作用下利用重型撕裂刀和滚刀对其进行挤压破碎，最后利用刮刀将渣土搅拌均匀进入土舱。

4、以北京地铁九号线“军事博物馆站~东钓鱼台站”区间盾构隧道工程为背景，选取代表性试验段对刀具破岩效果及磨损特征工程验证。

刀盘、刀具经优化后，区间盾构自579环始发，期间经过两次换刀，最终顺利完成右线1008环掘进施工到达东钓鱼台站端头接收竖井。盾构在富含超大粒径卵漂石地层中掘进施工的安全距离由初期的140m，延长至200m。解决了盾构法施工史上的世界性难题，为盾构法隧道施工工艺开创了新的篇章，收到了良好的施工效果。进一步分析刀具的磨损特征可知，不同区域刀具磨损特征存在较大差异。

（二）富含超大粒径漂石地层盾构施工破碎岩石渣土改良、输排技术研究

通过对不同的配合比、不同的时间、不同的注入口、在不同地层的实用性和效果的研究和试验，研发并成功应用了具有高阻尼特性（浆液稠度大于120s）的渣土改良技术，使得其顺畅的排出土舱，减小了土舱内和螺旋输送机内的磨损，并确保掘进断面上地层的稳定性。

1、富含超大粒径漂石的砾岩地层渣土改良、输排技术研究

通过对富含超大粒径漂石的砾岩地层的力学特征和工程特性进行详细的调研和分析后，盾构掘进时主要利用“泡沫＋水”对开挖面前方土体的进行渣土改良。

2、富含超大粒径漂石的卵石7层渣土改良、输排技术研究。

现场渣土改良试验结果证明使用钠基膨润土浆液＋泡沫溶液且分散式打入刀盘前方进渣土改良，能够对富水卵石⑦层进行有效改良，并能顺畅排出。

3、富含超大粒径漂石的砾岩与卵石7复合地层渣土改良、输排技术研究。

（三）富含超大粒径漂石地层盾构掘进控制技术研究

应用新型重型撕裂刀具体系、高强耐磨刀盘、连续多点喷射渣土改良系统、高效降阻、特定漂石渣土改良材料、小推力高扭矩等掘进体系，对盾构掘进控制技术进行了系统研究，确定了盾构推力、刀盘扭矩等盾构关键参数的组成特征及设定控制范围，并在工程中得到验证，形成了完善、系统的富含超大粒径漂石地层的盾构施工技术、掘进模式与工艺，并进行了工程验证，取得了较好的效果 。

1) 盾构推力的组成、设定与控制

以北京地铁九号线“军事博物馆站~东钓鱼台站”盾构区间的盾构设备参数、掘进参数及工程地质条件为基础，分别对富含超大粒径漂石地层盾构推力的组成、设定及控制情况进行了系统的研究。

①盾构推力的组成与设定：富含超大粒径漂石地层，盾构外壳与周围地层的摩阻力F₁、盾构推进时正面推进阻力F₂及盾构切口环贯入地层时的阻力F₃是盾构推力的主要构成部分，三者之和约占了盾构总推力的95%以上，其他几部分推力几乎可以忽略不计，因此可将砂卵 石地层盾构设计推力的计算公式简化为

F_d=(1.05~1.10)(F₁+F₂+F₃)

②盾构推力的控制：选择砾岩段、砾岩与卵石7层复合段及卵石7层段地层，研究富含超大粒径漂石地层掘进 时盾构推力的控制。工程实践表明 ：砾岩段盾构推力约为11000~14000KN，砾岩与卵石7层复合地层段盾构推力约为8000~13000KN ，卵石7层段盾构推力约为8500~13000KN，上述三类地层盾构推力总体控制较好，均在合理范围内，而且整个推进过程盾构推力波动小、变化稳定。

2）刀盘扭矩的组成、设定与控制

①刀盘扭矩组成特征：根据刀盘设计扭矩的力学特征 ，可以将刀盘扭矩分为 三大类：第一类，开挖扭矩（T₁）；第二类，磨损阻力扭矩（T₂+T₃+T₄）；第三类，机械损失扭矩（T₅＋T₆＋T₇）。如同盾构推力的计算方式 ，选取三个典型断面对“军事博物馆站~东钓鱼台站”区间刀盘设计扭矩进行统计计算，结果表明：摩擦阻力扭矩（T₂+T₃+T₄）在刀盘总扭矩中占据绝对主导地位，成为控制刀盘扭矩大小的主要因素。基于刀盘扭矩的计算公式及组成特征分析，对富含超大粒径漂石地层刀盘扭矩的计算公式进行简化和修正，得出刀盘扭矩简化计算公式

T’=1.2（T₂+T₃+T₄）

②刀盘装备扭矩的设定：根据盾构刀盘装备扭矩的理论计算公式，可得盾构掘进所需的理论扭矩：

T_e=α1·α2·α0·D_e³，在卵漂石地层中取     α1·α2·α0=20

T_e=20×6.624×6.624×6.624=4916 KN.m

③刀盘扭矩的控制

刀盘扭矩是土压平衡盾构掘进过程中影响因素最多，最能反映设备掘进性能的一个控制性参数。在正常掘进阶段，只有将刀盘扭矩控制在一个合理范围内，才能确保盾构刀具可以对所遇到的地层进行正常切削。刀盘扭矩实际控制情况表明：由于刀盘结构型式及刀具布置方式较为合理，同时在掘进过程中，对于砾岩地层、砾岩与卵石7层复合地层及卵石7层，分别有针对性采取相应的渣土改良剂进行渣土改良，有效的保障了盾构的高效出土、排渣 。由图可知，富含超大粒径漂石的砾岩地层：刀盘扭矩约为3000~4200KN.m;富含超大粒径漂石的砾岩与卵石7层复合地层：刀盘扭矩约为2500~4000KN.m；富含超大粒径漂石的卵石7层：刀盘扭矩约为3000~4000 KN.m 。因此，在盾构掘进阶段过程中刀盘扭矩控制的较为合理，能保证盾构的高效掘进要求 。

该技术成果经铁道部科学技术信息研究所查新（编号：TA13397），得出理论：“在目前国内外检索范围内，对富含大粒径漂石地层盾构隧道施工技术进行上述综合研究的文献，未见报道。”

同时，该技术于2013年10月27日经北京市住房保障与城乡建设委员会组织业内专家组对课题成果进行了鉴定，专家组一致认为该成果达到国际领先水平。

本成果共获得授权实用新型专利2项，地方标准1部，行业标准1部，具体成果列举如下：

该技术获得2014年度北京市科学技术二等奖（证书编号：No.2014城-2-002）。

本项目研究成果全面系统应用于北京地铁军事博物馆站~东钓鱼台站盾构区间工程，双线隧道长2424米，隧道穿越富含超大粒径漂石的砾岩层、无水卵石⑦层、富水卵石⑦层及其交替的复合地层。漂石最大粒径超过2米，漂石体积含量30%~40%；施工工期、安全、质量均满足要求，为国内外首例富含超大粒径漂石的砾岩层、卵石层及其复合地层的盾构隧道修建工程，解决了此类地层盾构破岩的世界性难题，拓展了盾构工法的适用范围，赢得更广泛的经济和社会效益。为北京地铁9号线工程按时通车提供了有力的保证 。

部分成果已在北京十号线等地铁建设和浙江、大连等城市工程中应用，取得了极佳社会效益。大连地铁海湾广场站~中山广场站区间长度1383米，穿越的地层岩层隆起，掘进过程中需对不同强度的岩层进行破碎井顺利排渣，施工中借鉴该研究成果中的先行刀技术、渣土改良技术和掘进技术等，顺利通过了下穿13 处人防通道及水仓、下穿商业街及临街高楼等重大风险工程，应用效果明显。

西气东输二线南昌上海支干线浙江常山江隧道工程，隧道全长306米，采用硬岩顶管法施工。该隧道需穿越江河、桥梁等风险源，穿越地层复杂多变，处于灰岩与砂岩交接层，岩性软硬交替，局部存在灰岩孤石、煤石等，施工难度巨大。施工中借鉴本成果的渣土改良技术，确保了施工顺利通过上述风险工程，降低了隧道施工风险与成本，应用效果明显。

基于本成果研制的盾构机重型撕裂刀、鱼尾中心刀和先行刀等刀具，己应用到北京住总、中航一航局等单位承担施工的盾构项目中，取得了显著的技术效果及经济效益。

北京地区地层结构具有明显的局部区域特征，城市西南部历史上是古永定河河道，为砂卵石地层井伴有局部砾岩层隆起，地层中富含大量大粒径的卵、漂石；我国其他城市如成都、大连等地层中也多含有大粒径漂石、孤石等。在上述地区进行地铁盾构隧道的施工，均需解决漂石破碎矛和顺利排出等问题，因此必然面对破碎大粒径漂石需要的重型盾构撕裂刀问题，设计和生产重型撕裂刀是盾构掘进该类特殊地层的必要技术手段，因此能带来显著的生产利润和经济效益，同时针对大粒径漂石地层掘进所需的渣土改良材料亦需要经过特殊配比和生产，因此，采用本技术成果不仅能解决在类似地层隧道采用盾构法施工的难题，还能通过生产重型撕裂刀、渣土改良材料等产品获得显著的经济效益，市场需求大，推广应用前景广阔。

本技术成果相比国内外既有技术，创新性提出了适合于破碎各种地层中超大粒径漂石的破岩机理——阻尼作用下楔击劈裂破岩机理，是对盾构破岩机理的重大突破；基于新的破岩机理，研发了全新的刀具型式、刀盘结构及刀具配置系统，实现了 盾构机刀盘前破碎漂石；开发了与地层相适应的高阻尼渣土改 良系列技术，解决了破碎岩石渣土输排问题；研发了适应于富含超大粒径漂石的复 合地层盾构掘进施工控制技术。研究成果理论与实践紧密结合，渣土改良、盾构掘进等相关技术已全面推广应用至北京地铁新线建设中，经济与社会效益显著，具有较强的市场竞争力；形成了富含超大粒径漂石地层盾构施工技术，完善并建立健全了北京地铁盾构施工的技术与标准体系，充分发挥了各项关键技术在地铁建设中的引导与约束作用，通过研究成果的成功应用、推广及转化升级，大大提高了不利条件下的盾构施工水平，拓展了盾构技术的应用领域及适用范围，最大限度的降低了轨道交通工程建设对市民生活和工作带来的不利，有效的促进北京市的社会稳定，推动了宜居城市和社会经济的可持续发展。项目研究成果的转化与工程实践，节约了工程成本、缩短了建设周期，对实现北京地铁9号线按期通车、有效解决沿线交通拥堵问题及实现北京轨道交通网络的互联互通起到积极作用，经济效益和社会效益显著，具有显著的竞争力和成果产业化前景。

（1）带来了显著的经济效益，节约了大量资金：本课题成果己在北京地铁9号线军事博物馆站 东钓鱼台站新建的盾构区间使用，完成的施工产值为13332万元，共节约资金1374 万元；节省了工期，节约了刀具等材料费；在大连地铁1号线海湾广场站~中山广场站盾构区间使用，完成的施工产值为 9355 万元，节 约成本 382 万元；同时，本技术成果与刀具厂共同研制的重型撕裂刀、鱼尾中心刀、刮刀等刀具，以销售给住总集团、中交一航局等单位，用于相应盾构工程的施工，实现了显著的销售收入。

（2）生态效益和环境效益显著。北京地铁军~东区间下穿永定河引水渠、玉渊潭东湖和军事管理区。隧道穿越富含超大粒径漂石的砾岩层、无水卵石⑦层 、富水卵石⑦层及其交替的复合地层，漂石最大粒径超过2米，漂石含量高。按照当时成熟技术，此地层只能明挖施工，需将永定问引水渠断流、玉渊潭东湖疏干、军事管理区拆迁，井需抽排沿线地下水，对生态、环境破坏影响巨大。该工程系统应用了本项目研究成果，世界首例实现富含超大粒 径漂石复合地层盾构隧道施工，避免了对穿越区域地面设施和公园生态环境及地下水系的破坏和影响，同时保障了军事管理区的正常运转，取得了良好的生态效益和环境效益。

（3）保障了施工安全。北京市的地层结构具有明显的局部区域特征，西南部均为砂卵石地层，局部基岩隆起较高，地层中富含大粒径的漂石。规划有多条线路在西南部开工建设，本成果的推广和应用，解决了上述地区盾构法施工的世界性难题，为在该地区进行地铁工程建设提供了技术保证，对确保工程质量、避免安全风险、降低工程造价、提高工程进度，将会有显著的效果。

（4）培养了专业人才。通过项目研究和工程实践，培养了大批技术骨干，壮大了北京地铁工程建设施工管理的技术力量，取得了丰富的技术成果，整体上提高了北京市的地铁建设水平，随着应用推广的深入，项目的研究成果将在后续建设的地铁项目发生更大的作用 。

 盾构区间施工过程中揭露的砾岩地层

盾构区间施工过程中揭露的大粒径漂石

相关岩石力学试验

盾构4#辐条部位重型撕裂刀实际磨损情况

  重型撕裂刀破岩效果

（内容来自中国土木工程学会轨道交通分会，如有转载请标明出处）