王朝義

(中國中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

填海區(qū)富水砂層下覆基巖混合斷面盾構(gòu)施工技術(shù)

王朝義

(中國中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

結(jié)合深圳地鐵2號線工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了填海區(qū)地鐵盾構(gòu)通過高強(qiáng)度基巖地質(zhì)區(qū)域的施工技術(shù)，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇到基巖地層加固、開倉換刀、盾構(gòu)掘進(jìn)等處理措施進(jìn)行了全面闡述。采用洞內(nèi)、地面注漿加固，完成常壓進(jìn)倉進(jìn)行刀具檢查更換。盾構(gòu)過基巖隆起區(qū)合理控制掘進(jìn)參數(shù)并采取必要的輔助措施，通過盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中對關(guān)鍵參數(shù)的控制，加強(qiáng)了對刀具的保護(hù)，順利通過了單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)110 MPa的38.4 m基巖隆起區(qū)。

盾構(gòu)掘進(jìn) 富水砂層 高強(qiáng)度基巖 參數(shù)控制

隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)，盾構(gòu)工法以其機(jī)械化程度高、施工速度快、安全可靠性高等優(yōu)勢在我國得到了普及型推廣。但是盾構(gòu)機(jī)由于自身的天然缺陷，其地質(zhì)適應(yīng)性太差，對掘進(jìn)地層變化非常敏感，在區(qū)間隧道掘進(jìn)過程中遇到地質(zhì)情況突變，面臨兩大難題:一是根據(jù)原有地質(zhì)資料配置的刀具難以滿足掘進(jìn)需要，需要解決刀具更換的問題;二是需要解決如何通過軟硬不均地層的問題。

1 工程概況

深圳地鐵2號線科苑站—紅樹灣站盾構(gòu)區(qū)間左線盾構(gòu)機(jī)在518環(huán)(盾構(gòu)機(jī)所處位置地面為沙河高爾夫球會人工湖邊，前體與刀盤位于岸邊，中體和盾尾位于湖水下，岸邊為沙河高爾夫球會球道發(fā)球臺處)掘進(jìn)過程中遇到近40 m高強(qiáng)度基巖，屬粗?；◢弾r，微風(fēng)化巖最高凸入隧道開挖限界3.7 m，飽和狀態(tài)下最大單軸抗壓強(qiáng)度超過110 MPa，地質(zhì)斷面圖見圖1。施工過程采用地面注漿加固并輔助降水后，盾構(gòu)機(jī)直接破巖通過。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

1)始發(fā)的刀具配置為滾刀+中心羊角刀，僅僅考慮了破除局部孤石的需要，且已經(jīng)掘進(jìn)了近800 m，刀具的現(xiàn)狀不具備直接通過基巖區(qū)的能力，必須就地檢查更換刀具。

2)現(xiàn)場不具備常壓開倉或壓氣作業(yè)條件，場地為填海區(qū)，地質(zhì)情況特殊，微風(fēng)化花崗巖與砂層間過渡不明顯，加固地層受潮汐影響明顯，動壓富水地層，常規(guī)加固工藝難以保證地層加固質(zhì)量。

3)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地面為高爾夫球場的球臺，地面加固占地、施工物資設(shè)備進(jìn)出、人員進(jìn)出、作業(yè)時間協(xié)調(diào)困難。

4)典型的上硬下軟地層掘進(jìn)參數(shù)難以控制，無法確保地面安全。

圖1 地質(zhì)斷面(高程單位:m)

3 主要技術(shù)措施

3.1 設(shè)備保護(hù)

1)刀盤回縮:盾構(gòu)機(jī)在硬巖段掘進(jìn)主要破巖機(jī)理在于滾刀對圍巖的碾壓破碎，掘進(jìn)過程中往往出現(xiàn)偏磨、崩裂等非正常磨損，滾刀劃過的軌跡深淺不一，此時掌子面并不平整，部分刀具在實(shí)施換刀之前已嵌入巖面之中，須采取措施將刀盤回縮至少50 mm，給換刀作業(yè)留出必要的空間，以避免換刀時刀具拆卸困難，以及換刀后刀盤啟動時貫入度過大而導(dǎo)致崩刀。刀盤回縮的具體措施是:①盾尾鉸接設(shè)置為放松狀態(tài)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)使鉸接伸長至120 mm;②在盾尾間隙內(nèi)塞入木楔子，關(guān)閉PLC，在尾盾上緊貼管片端面焊接鋼擋塊;③每次放松千斤頂10～20 mm，正常情況下盾體在土倉壓力下會回縮;④累計(jì)回縮50 mm即可，如果回縮量不足，可通過泡沫管向刀盤內(nèi)注入泡沫，增大土倉壓力，進(jìn)行回頂。⑤回縮過程中密切關(guān)注土倉壓力，確保土壓平衡，避免地面塌陷。

2)盾體保護(hù):通過前盾和中盾處球閥注入聚氨酯來保護(hù)整個盾體。通過氣動泵將聚氨酯注入盾體內(nèi)，每個孔注3桶，共13個孔。完成后注入黃油以潤滑盾體，并保證聚氨酯的效果。可與螺旋輸送機(jī)保護(hù)方案同時進(jìn)行。

3)主軸承密封保護(hù):采用惰性漿液填充土倉。采用同步注漿泵，由土倉上部預(yù)留孔注入水泥砂漿。注入過程中，由下至上打開倉壁上各個預(yù)留孔，進(jìn)行泄壓并觀察填充情況，以保證填充效果。整個過程中通過土倉內(nèi)土壓傳感器嚴(yán)格控制倉內(nèi)壓力，不超過0.35 MPa。水泥砂漿配比為水泥∶膨潤土∶砂∶水=400∶300∶700∶560，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初凝時間為14 h。

3.2 地層加固

基巖段地層表現(xiàn)為上軟下硬，不同類別圍巖單軸抗壓強(qiáng)度相差過于懸殊，其差值在20～110 MPa，巖面在縱橫斷面上均存在較大的起伏。盾構(gòu)掘進(jìn)通過時可能由于下部基巖強(qiáng)度高，掘進(jìn)效率低，長時間原位轉(zhuǎn)刀盤導(dǎo)致對軟弱圍巖的過分?jǐn)_動而失穩(wěn)，刀盤頂部地層被嚴(yán)重掏空，上部地層將會形成一個以刀盤為中心的漏斗狀塌空區(qū)，強(qiáng)行掘進(jìn)可能導(dǎo)致掘進(jìn)過程中地面連續(xù)坍塌。必須采取有效的措施對軟弱地層進(jìn)行必要的加固處理，增強(qiáng)地層本身的自穩(wěn)能力。

1)微型樁配合袖閥管注漿:填海區(qū)砂層動壓富水，地層加固過程中容易出現(xiàn)塌孔、堵管，漿液進(jìn)入地層后受動水影響，配比變化大，擴(kuò)散無規(guī)律等。采用微型樁強(qiáng)制成樁施工注漿帷幕再在內(nèi)部區(qū)域配合進(jìn)行袖閥管注漿有效地解決了類似地層注漿加固費(fèi)工費(fèi)時的問題，保證了加固質(zhì)量。

2)洞內(nèi)水平注漿:在完成密封保護(hù)后，開始實(shí)施水平注漿，注漿范圍為倉壁4點(diǎn)、8點(diǎn)位以上10個超前注漿孔，注漿深度為8 m，確保注漿直接加固范圍達(dá)到掌子面前方3 m。

3.3 開倉換刀

1)從土倉閘門開始，對土倉的土體進(jìn)行清理。

2)清理刀盤正面:將土倉內(nèi)換填的砂漿清理干凈后，由下至上開始清理切口環(huán)、刀盤開口和刀箱，然后通過刀盤開口清理基巖面土體及刀盤外輪廓周邊。清理標(biāo)準(zhǔn)為將土倉內(nèi)整個基巖區(qū)土體全部清透，使巖面與刀盤之間留有40 cm空隙。清理過程中要密切關(guān)注基巖面上刀痕情況以便確定刀具磨損情況。清理完一個區(qū)域后將拆卸的刀具及時全部裝好。

3)更換刀具:根據(jù)掌子面穩(wěn)定情況采用邊清理邊更換確保作業(yè)安全。

3.4 盾構(gòu)機(jī)脫困

1)清理土倉:土倉清理后放入人倉和皮帶機(jī)之間架設(shè)的溜槽上滑向皮帶機(jī)，再由皮帶機(jī)送往渣土車。

2)脫困:盾構(gòu)機(jī)脫困的過程中，采取了分三步走的方式，首先保證刀盤能順利轉(zhuǎn)起來;然后通過土倉胸壁上的預(yù)留孔及盾殼上的徑向孔注入膨潤土，在緩轉(zhuǎn)刀盤的情況下放松鉸接，推動中前體50 mm，繼續(xù)注入膨潤土，回收中前體，以上過程循環(huán)往復(fù)，待推力明顯降低后可適當(dāng)增大行程(注意確保鉸接不超限);最后是盾尾脫困，由于盾構(gòu)機(jī)鉸接油缸能夠承受的總拉力不超過10 000 kN，經(jīng)過計(jì)算，盾尾脫困需要的拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有鉸接油缸的承受范圍，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸自身的推力在盾尾脫困的過程中受到制約。采用在盾尾上焊接支座通過增加4臺200 t輔助油缸配合小型泵站，在管片上借力，直接頂推盾尾的辦法順利的使盾尾脫困。

3.5 過基巖掘進(jìn)

3.5.1 掘進(jìn)速率

軟硬不均斷面掘進(jìn)時滾刀作用硬巖上的荷載要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作用于軟弱地層的荷載，而理論上承受荷載大的滾刀產(chǎn)生的掘進(jìn)速率應(yīng)該高于承受荷載小的滾刀。但是由于掌子面軟硬不均，強(qiáng)度相差過于懸殊，盾構(gòu)掘進(jìn)的機(jī)理完全不同。硬巖部分掘進(jìn)遵從滾刀破巖機(jī)理，軟弱部分速率則完全受推力影響，混合斷面的特殊構(gòu)成決定了此類地層掘進(jìn)推力的極限受硬巖控制，而扭矩的極限受軟弱部分控制。借鑒數(shù)學(xué)模型可以考慮對混合斷面的不同強(qiáng)度地層進(jìn)行簡單的修正，現(xiàn)有的研究認(rèn)為:①由計(jì)算或?qū)崪y得到的均勻斷面條件下的參數(shù)(主要指凈掘進(jìn)速率I或基本掘進(jìn)速率I0)是混合斷面條件下相應(yīng)參數(shù)的比例強(qiáng)度因子。②混合斷面中的堅(jiān)硬地層限制了總推力的大小。③混合斷面條件下的I/I0的降低是因總推力的降低而引起的，其值是均勻斷面條件下的比例函數(shù)。

3.5.2 速率修正系數(shù)

軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)的效率與掌子面不同強(qiáng)度的各地層本身的性質(zhì)及其在掌子面所占面積比例高度相關(guān)，這在施工過程中感受是非常直觀的。

混合斷面不同強(qiáng)度地層對掘進(jìn)速率的影響可由如下修正系數(shù)KAB表示

式中，A代表堅(jiān)硬地層，B代表軟弱地層。IA為盾構(gòu)在堅(jiān)硬地層中掘進(jìn)速率;IB為盾構(gòu)在軟弱地層中掘進(jìn)速率;a為堅(jiān)硬地層在混合斷面上所占面積的百分比;b為軟弱地層在混合斷面上所占面積的百分比;AB為混合斷面;KAB為修正系數(shù)。

假設(shè)盾構(gòu)在該考察混合斷面的最佳掘進(jìn)速度是一定的并可供量化，分別取其所占面積的極限，則可得出如下結(jié)論:①無論混合斷面的組成地層所占比例如何，其凈掘進(jìn)速率均小于IA。②當(dāng)混合斷面的組成地層所，I;，I。占比例一定時越大AB越小越小AB越大

3.5.3 掘進(jìn)參數(shù)的理論計(jì)算

1)土倉壓力計(jì)算:土倉壓力的控制值主要受地下水壓力及隧道埋深的影響，土壓越高，推力越大，此類地層噴涌的幾率也越高。由于基巖段進(jìn)行了適當(dāng)加固，使地層具有一定的自立性，并在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時，隧道兩側(cè)進(jìn)行降水，將地下水位盡可能降低并保持穩(wěn)定。所以土倉壓力計(jì)算的理論值根據(jù)現(xiàn)場地下水位實(shí)測值選取。

2)扭矩計(jì)算:刀盤扭矩一般情況下主要受設(shè)備性能控制，但是實(shí)際操作中需與地層情況相協(xié)調(diào)，本工程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并保守考慮不大于2 000 kN·m。

3)速度計(jì)算:根據(jù)勘察情況，基巖面突入隧道開挖限界最大取3.80 m，盾構(gòu)開挖限界取6.28 m，取堅(jiān)硬巖在掌子面面積中所占比率為60%，軟弱地層在掌子面面積中占40%;考慮前期砂層掘進(jìn)速度取60 mm/min，根據(jù)調(diào)查類似強(qiáng)度全斷面硬巖掘進(jìn)速度取20 mm/min;刀盤轉(zhuǎn)速1 rab/min。

凈掘進(jìn)速率

過基巖掘進(jìn)的要點(diǎn)在于連續(xù)、平穩(wěn)的掘進(jìn)，在配備強(qiáng)有力的現(xiàn)場作業(yè)隊(duì)伍的同時，需要配備有經(jīng)驗(yàn)的工程師加強(qiáng)現(xiàn)場管理、技術(shù)能力，提高盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)對異常情況的響應(yīng)能力。

3.5.4 掘進(jìn)過程的控制要點(diǎn)

1)控制貫入度在10 mm/rad、刀盤扭矩不超過1 500 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1轉(zhuǎn)，推力根據(jù)地面監(jiān)測及出渣情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2)注意渣土改良，保證足夠的泡沫注入量，根據(jù)渣土情況注入膨潤土、聚合物等。

3)保持土倉壓力基本穩(wěn)定，合理控制螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，及時將進(jìn)入土倉的巖塊排出。

4)密切關(guān)注鉸接油壓，根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整漿液類型。

5)雙液漿及時跟進(jìn)，防止管片上浮。

4 結(jié)語

基巖區(qū)的掘進(jìn)是盾構(gòu)施工的一大難點(diǎn)，填海區(qū)復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)過基巖尤甚，采用上述措施實(shí)現(xiàn)了動壓富水砂層開倉換刀，并在未損傷一把刀具的情況下一次性順利完成科苑站—紅樹灣站區(qū)間38.4 m基巖隆起區(qū)掘進(jìn)。此類工況在廣深地區(qū)盾構(gòu)施工具有典型意義，進(jìn)一步研究地層加固措施、掘進(jìn)參數(shù)控制，尤其是不同強(qiáng)度基巖情況下掘進(jìn)扭矩、貫入度等參數(shù)的極限控制值有利于將特殊工況常規(guī)化。

［1］劉建海.盾構(gòu)隧道同步注漿效果對地層沉降的影響預(yù)測分析［J］.鐵道建筑，2010(3):46-48.

［2］潘海澤，蔣冰玉，石嶸，等.盾構(gòu)施工地面沉降監(jiān)測技術(shù)在天津地區(qū)的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2010(3):49-52.

［3］王國棟，肖立，張慶賀.盾構(gòu)在道路和鐵路下推進(jìn)引起的沉降對比研究［J］.鐵道建筑，2010(10):57-60.

［4］張志偉，賈艷敏，趙艷娟.地鐵盾構(gòu)法施工事故預(yù)防及處理措施［J］.鐵道建筑，2010(11):50-53.

U455.43

B

1003-1995(2011)02-0076-03

2010-10-08;

2010-11-20

王朝義(1964—)，男，四川南充人，高級工程師。

(責(zé)任審編 王紅)