“打着石头过河”——卵石层施工“世界级”难题案例分析

河南省洛阳市地铁2号线文博广场站至九都西路站工程自施工以来，因创下多个第一，一直备受关注，它在河南省市政建设领域首次应用泥水平衡盾构机，也是洛阳市首个下穿洛河的市政交通工程。

泥浆沉淀池
 

盾构机在2000多米长的掘进区间，不仅要在全断面卵石层中前行，还要下穿近600米宽的洛河底部，地质结构的复杂程度及面临的一系列施工难题可谓“世界级”。

砂石菌走进施工现场，带您了解盾构机如何下穿洛河“潜水游”，并为您解答相关疑惑。

盾构机主控室
 

01 “牡丹19号”持续掘进“牡丹20号”整装待发

地铁2号线文博广场站至九都西路站盾构区间为东西双洞双线，西线长2017米，东线长2031米，其中约600米为下穿洛河段，是洛阳市首个下穿洛河的市政交通工程。

今年3月16日，“牡丹19号”盾构机始发，按东线施工方案，先由地铁2号线文博广场站掘进至牡丹桥南区间风井；在风井进行下穿洛河前的维修和保养后，再下穿洛河进入春园西路；最后抵达地铁2号线九都西路站。随后始发的“牡丹20号”盾构机将承担西线工程掘进任务。

在施工现场，伴随着被抽出的地下卵石撞击泥水循环管内壁的刺耳响声，“牡丹19号”在安全掘进数十米后继续向前，在其内部工作的十余名技术人员各司其职，密切关注电脑屏幕上的各项数据。

负责盾构施工的中铁隧道集团项目总工程师王云峰说，为保证工程安全、高效推进，技术人员两班倒，24小时不间断施工，由专人送餐到岗。前期掘进已积累了大量实操经验，目前东线盾构机掘进效率稳步提升，西线盾构机整装待发。

02 施工地层全是卵石盾构机还要“打着石头过河”

“河底泥土松软，盾构机掘进速度应该比在其他地方快吧？”如果您这么想，那就错了，因为洛河下并非泥土层，而是富水卵石层，盾构机穿行其中，困难重重。

王云峰说，从前期地质调查结果来看，地铁2号线文博广场站至九都西路站盾构区间地层为卵石层、黄土状粉质黏土、淤泥、杂填土地层。盾构机在2000多米长的掘进区间，不仅要在全断面卵石层中前行，还要下穿近600米宽的洛河底部。

“下穿洛河施工区域卵石含量高，最大粒径可达70厘米。同时，下穿洛河的双隧道顶部距河床底面最小距离为13.1米，最大距离为16.4米。”王云峰说，这意味着盾构机要始终穿行于高水压、大粒径、高硬度、高含量的卵石层中，不仅掘进速度比在泥土层中慢得多，施工难度也大得多。

工人在“牡丹19号”内部工作
 

03 多重不利因素叠加下穿洛河难度“世界级”

2016年5月9日，国内首个地铁隧道下穿黄河工程——兰州轨道交通1号线穿黄盾构隧道贯通。这条700多米长、修了两年半的穿黄隧道，因地质结构复杂、开凿过程艰辛，其成功贯通被中国工程院院士钱七虎称为攻克“世界级施工难题”。洛河与黄河兰州段的地质结构相似，都是全断面卵石层，因此洛阳地铁2号线下穿洛河段施工复杂程度与兰州轨道交通1号线穿黄盾构隧道高度相似，施工难度不在其下。

“单从大粒径卵石含量、卵石层渗透系数两方面对比，难度就可见一二。”王云峰说，下穿洛河施工层中粒径大于60毫米的卵石含量比兰州轨道交通1号线穿黄盾构隧道的大粒径卵石含量高出14.99%。卵石层渗透系数为140米/天，是兰州工程的2.5倍多，打个不恰当的比方，就是把一桶水倒进卵石层，一天能往下渗140米。渗透系数越大，卵石层的透水性越强，盾构机穿行其中，难度又增加了一重。这些不利因素叠加，不仅加大了施工难度，而且容易引发难以预知的难题，如盾构机漏浆失压、击穿河床、河水倒灌、刀盘卡死等。

04 首次应用泥水平衡盾构机开我省市政建设领域先河

针对洛河及两岸特殊的地质水文情况，中铁隧道集团专门打造了2台泥水平衡盾构机——“牡丹19号”“牡丹20号”，这在河南省市政建设领域尚属首次应用。

与洛阳市地铁建设此前使用的土压平衡盾构机不同，泥水平衡盾构机是通过加压泥浆来稳定作业面的。盾构机刀盘后有一个密封隔板，将盾构机前体分为两个舱室即泥水舱和气垫舱。特制的泥浆经管道压入泥水舱，待泥浆充满整个泥水舱后，通过气垫舱内保压系统对泥水舱内的泥浆进行加压，形成泥水压力室。被刀盘切削打碎的土砂石料与泥浆混合，通过管道输送到地面的分离设备，泥浆可重复利用。

“泥水平衡盾构机适用于地下水压大、土体渗透系数大的地质状况，可以精确控制作业面的压力，减小地层沉降。”王云峰介绍，“牡丹19号”和“牡丹20号”均全长103米，每台重达500吨，开挖直径为6.5米。

05 掘进面临三大难题攻坚克难逐一破解

由于洛河水量丰富，卵石层渗透系数大，河床以下地层几乎全是卵石，这给施工带来许多技术难题，主要体现在三个方面，这也是大家疑问的集中点。

1. 穿越卵石层盾构机会被“噎”住吗？盾构机在卵石层中掘进，能应付得了数不尽的卵石吗？会不会被大个儿卵石“噎”住，动弹不得？

“会，不过我们有应对方案。”技术人员指着工地上一堆西瓜大小的卵石说，这些都是盾构机在掘进中，卡在刀盘和泥水舱泥浆门处的石头。因掘进地层中存在很多大粒径卵石，一旦发生瞬时堵塞，可能导致盾构机气垫舱内格栅处堆积大量卵石，进而造成盾构机刀盘被卡、卵石滞排等问题。

为解决该问题，技术人员可没少想办法：对刀盘进行加宽、加入耐磨合金，让大粒径卵石在刀盘处就尽可能地被切削；给盾构机配置破碎机，对大粒径卵石进行破碎；在刀盘后设置搅拌棒，缓解泥浆门堵塞情况；增加多个采石箱，进一步过滤进入排浆管内的卵石。

2. 盾构机用的泥浆有啥不一样？

下穿洛河期间，“牡丹19号”“牡丹20号”将在河床以下十几米深的富水卵石层中前行约600米，掘进中一旦出现泥浆“逃逸”、泥膜难形成等问题，可能导致地层坍塌、刀盘和盾构机被卡等后果。

什么是泥膜？技术人员解释，泥膜是盾构机与作业面之间形成的泥浆包裹层，作用在于维持作业面稳定，防止作业面坍塌。泥膜能否形成，是盾构机能否顺利掘进的关键，而泥浆配比，是泥膜能否形成的关键，也是决定泥浆携砂能力的关键。

为保证泥膜顺利形成，技术人员不仅要保证作业面压力平衡，还在盾构泥水处理场设置了专用制浆设备，采用黏土、膨润土及其他添加剂，研制出符合洛河卵石层特性的泥浆。

3. 盾构机“牙口”咋样？

“牡丹19号”“牡丹20号”下穿洛河期间，还要面临一个难题，那就是刀盘磨损后，不具备进舱更换的条件

为减轻盾构机在卵石层掘进中刀盘磨损，技术人员通过取样分析，详细掌握了卵石层的特性及卵石分布规律，用加宽、加入合金等方法，增强了刀盘的耐磨度；安装磨损检测装置，可对面板磨损、刮刀磨损进行监测；在刀具配置上，以滚刀为主，降低刀具在切削过程中与卵石碰撞导致的崩齿、掉刀风险；在盾构机上增设碎石机，随时对出浆口进行疏通，防止卵石堵塞出浆口……相当于给盾构机装上了“铁齿铜牙”。

来源：洛阳日报