李 銳

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

隨著城市地鐵的不斷發(fā)展，盾構(gòu)施工所涉及的地層也愈來愈復(fù)雜，針對盾構(gòu)在硬巖地層的掘進(jìn)施工技術(shù)，文獻(xiàn)［1－3］針對不良地質(zhì)提出方案比選，優(yōu)化掘進(jìn)工作參數(shù);文獻(xiàn)［4］簡略敘述了盾構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)［5－10］根據(jù)實(shí)際刀盤及地質(zhì)相互關(guān)系，提出相應(yīng)技術(shù)處理措施。筆者通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以滿足現(xiàn)場操作為目的進(jìn)行整理提煉，為盾構(gòu)機(jī)硬巖掘進(jìn)提供較真實(shí)有效的實(shí)例參考，供同行探討。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州地鐵三號線北延4標(biāo)位于廣州市白云區(qū)，盾構(gòu)區(qū)間線路呈南北走向，地質(zhì)和地表環(huán)境復(fù)雜，施工難度較大，為三號線北延段控制性工程。區(qū)間隧道施工采用2臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，其中左線為德國海瑞克盾構(gòu)機(jī)，右線為加拿大LOVAT盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)掘進(jìn)線路長度為4 911.9 m。

本區(qū)段工程包括一站三區(qū)間，線路坡度為6‰，隧道上覆土厚度最大約35 m(位于白云山腳下)，最小覆土厚度約為4.5 m。盾構(gòu)隧道管片采用錯縫拼裝，每環(huán)6塊組成，外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，厚300 mm，環(huán)寬1.5 m，彎曲螺栓連接，遇水膨脹止水條止水，管片混凝土強(qiáng)度等級為C50，防水等級為S12。

本次研究依托工程中第三區(qū)間施工實(shí)例，該區(qū)間從永泰站東端始發(fā)，沿同泰路下方穿行，在竹韻山莊對面處右轉(zhuǎn)進(jìn)入白云山下，下穿白云山和明日之星幼兒園后到達(dá)同和吊出井吊出。

1.2 地質(zhì)概況

同—永區(qū)間位于華南準(zhǔn)地臺，湘桂贛粵褶皺帶中的粵中拗褶皺束中部，廣花凹陷、增城凸起的交接部位。沿線地貌為廣花沖積平原，地勢較平坦，上覆地層主要為第四系人工填土層，陸相沖、洪積地層，殘積土層;下伏基巖為新生界第三系莘莊村組陸相碎屑沉積巖、二迭系棲霞組和上古生界石炭系下統(tǒng)大潭階石凳子組、測水組、石炭系中上統(tǒng)壺天群。

區(qū)間地下水主要為第四系孔隙水與裂隙水，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

根據(jù)詳勘階段提供的地質(zhì)資料以及施工單位自行進(jìn)行的地質(zhì)雷達(dá)探測，盾構(gòu)洞身地層大部分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層，部分地段為中風(fēng)化與微風(fēng)化巖層，且?guī)r石單軸抗壓強(qiáng)度較高，具體巖層分布情況如表1所示。

左線隧道各地層所占比例如圖1所示。

表1 同永區(qū)間左線洞身地層情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Stratum statistics of left line on Tonghe-Yongtai section

圖1 同永區(qū)間左線各地層所占比例餅圖Fig.1 Proportions of every single stratum of left line on Tonghe-Yongtai section

2 硬巖地段掘進(jìn)問題

區(qū)間地層取芯抗壓實(shí)驗(yàn)揭示，該地段中巖石單軸抗壓強(qiáng)度為30～115 MPa。如何快速有效通過該區(qū)間的硬巖地段，成為整個工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

區(qū)間左線掘進(jìn)至176環(huán)后，速度明顯變慢，刀盤扭矩波動較大，推力明顯增加，之后1個月時(shí)間僅完成掘進(jìn)21環(huán)，期間共計(jì)開倉6次、換刀5次，除去地表加固和開倉換刀時(shí)間共計(jì)掘進(jìn)8 d，平均2.6環(huán)/d。該段左線具體掘進(jìn)、換刀情況詳見表2—表3。

表2 更換刀具前后掘進(jìn)參數(shù)情況表Table 2 Tunneling parameters before and after replacing cutting tools

續(xù)表

表3 刀具檢查磨損量及更換情況表Table 3 Wearing and replacing situation of cutting toolsmm

續(xù)表

地層情況及刀具磨損情況如圖2、圖3所示。

3 分析問題產(chǎn)生的原因

通過掘進(jìn)數(shù)據(jù)、開倉地層情況、刀具損耗統(tǒng)計(jì)以及對刀盤結(jié)構(gòu)刀具分布的分析，找出了掘進(jìn)困難及刀具異常損耗的原因。

1)地層過硬，巖石單軸抗壓強(qiáng)度最大為115 MPa，為保證掘進(jìn)速度，盾構(gòu)推力較大，由于巖層開挖輪廓較清晰，底層穩(wěn)定性好;因此盾構(gòu)與地層間的摩阻力較軟土地層減少了很多，推力更多地作用在掌子面上，滾刀軸承受力較大，造成刀具軸承架破裂、滾柱變形。

2)地層穩(wěn)定性好，盾構(gòu)采用敞開式掘進(jìn)模式，刀盤刀具受巖層沖擊力較大，刀具裝配質(zhì)量有缺陷或?qū)Φ貙拥倪m應(yīng)性不強(qiáng)，在硬巖段掘進(jìn)中，在較高的壓力和振動下失效，主要表現(xiàn)為刀具刀體變形、刀具軸承失效、刀圈崩裂。

3)高硬度巖層加之大推力掘進(jìn)，刀盤扭矩波動較大，刮刀以及單刃滾刀刀圈脫落，掉落土倉，與刀盤其他刀具發(fā)生碰撞，造成刀體撞傷變形、刀圈的撞傷以及刀具的異常損毀。

4)刀體受到大顆粒巖石擠壓，導(dǎo)致刀體受力變形，密封失效漏油，致使沙粒進(jìn)入刀具內(nèi)部，軸承無法正常轉(zhuǎn)動，造成刀具異常磨損。

5)地下水豐富，在刀具與掌子面接觸時(shí)存在打滑現(xiàn)象，達(dá)不到刀具的啟動扭矩，刀具不滾動，造成刀具弦磨和偏磨。

6)海瑞克盾構(gòu)邊緣滾刀(31～39號)布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發(fā)生刀具損壞，易引起周邊刀具的連鎖反應(yīng)，致使開挖輪廓變小，造成盾構(gòu)摩阻力變大，甚至導(dǎo)致盾構(gòu)卡死。

4 制定方案

為保證正常掘進(jìn)，做好刀盤、刀具的保護(hù)工作，為加快施工進(jìn)度，決定在后續(xù)左、右線硬巖段掘進(jìn)中采取以下措施。

4.1 施工措施

1)在掘進(jìn)過程中向土倉內(nèi)添加有一定濃度的膨潤土漿液進(jìn)行碴土改良，保證螺旋輸送價(jià)運(yùn)轉(zhuǎn)和出碴順暢，避免出現(xiàn)刀盤和螺旋輸送機(jī)被卡。

2)從主機(jī)徑向孔注入膨潤土，潤滑盾殼，避免出現(xiàn)盾殼被卡的情況。

3)加大刀具檢查頻率，正常情況下每2環(huán)檢查一次刀具，出現(xiàn)異常應(yīng)立即開倉檢查刀具，及時(shí)更換刀具，避免刀具出現(xiàn)較大的磨損量，做好刀具的保護(hù)工作。

4)加強(qiáng)注漿控制，保證注漿質(zhì)量，并且在盾尾后方每3環(huán)進(jìn)行一次雙液漿封堵止水，減少地下水的流動性，避免盾尾后方的地下水流到刀盤前方。

5)加強(qiáng)對泡沫注入系統(tǒng)的保養(yǎng)和檢修，避免在泡沫管路不暢的情況下掘進(jìn)。

6)盡量保持勻速推進(jìn)。有序的調(diào)整參數(shù)，減少刀具的異常損傷，同時(shí)有利于碴土控制和改良。

7)如刀盤異響、碴土出現(xiàn)異物等情況，應(yīng)選擇合適地點(diǎn)，盡快檢查刀具。

8)加強(qiáng)每環(huán)的碴土檢查和留樣，實(shí)時(shí)監(jiān)控碴土溫度，若出現(xiàn)碴溫上升，應(yīng)及時(shí)調(diào)整加水和泡沫情況，改良碴土，若溫度持續(xù)上升應(yīng)停止掘進(jìn)，排除問題后再恢復(fù)施工。

9)調(diào)整刀具啟動扭矩至40 N·m，邊滾刀刀圈選用材質(zhì)好、硬度高的刀圈。

10)遵循“小推力、低轉(zhuǎn)速、勤檢查、早更換”的原則，穩(wěn)步推進(jìn)。

4.2 掘進(jìn)控制

1)掘進(jìn)參數(shù)。① 采用敞開模式掘進(jìn);② 控制刀盤低轉(zhuǎn)速(1.5～1.8 r/min);③ 控制貫入度(控制在5 mm以下);④推力1 400 t以下;⑤刀盤最大扭矩不得超過15 MPa，刀盤扭矩變化3 MPa以下。

2)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，盡量保證盾構(gòu)機(jī)沿直線掘進(jìn)，避免掘進(jìn)方向出現(xiàn)大的調(diào)整和變化。

3)掘進(jìn)過程中加強(qiáng)碴樣分析，根據(jù)碴樣情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

4.3 施工組織

1)實(shí)行項(xiàng)目技術(shù)骨干現(xiàn)場值班制度，項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人深入一線，了解現(xiàn)場掘進(jìn)控制和施工情況，及時(shí)解決施工中出現(xiàn)的各種問題，保證施工順利進(jìn)行。

2)實(shí)行掘進(jìn)情況分析制度，每班下班后，由總工程師組織，經(jīng)理、副經(jīng)理、調(diào)度、盾構(gòu)主司機(jī)、值班工程師參加，分析本班的掘進(jìn)參數(shù)及施工情況，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，分析刀具磨損情況，解決施工中出現(xiàn)的異常問題，及時(shí)組織開倉換刀，保證掘進(jìn)正常、順暢。

3)生產(chǎn)部門合理安排各工序施工，減少工序銜接時(shí)間，避免出現(xiàn)非正常停機(jī)的情況。

5 施工效果

在第189環(huán)開倉以后，通過采用小推力、刀盤低轉(zhuǎn)速、控制刀盤扭矩和扭矩變化、控制貫入度、向土倉內(nèi)添加膨潤土等新措施后，刀具的非正常磨損較前3次開倉有很大程度的好轉(zhuǎn)，刀具損壞程度明顯減少，施工成本有效地降低，施工效率明顯提高，對最終總工期的實(shí)現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用。

6 結(jié)論與討論

盾構(gòu)法因其對環(huán)境影響小、占地面積小、施工不受天氣限制、安全、高效、快速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在城市隧道施工技術(shù)中建立了穩(wěn)固的地位，其適用地層范圍也從最初的軟土、砂卵土、軟巖擴(kuò)充到硬巖。通過本工程的實(shí)踐證明，在區(qū)間隧道存在距離硬巖地層時(shí)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)刀具管理，增加輔助措施，盾構(gòu)也能有效的進(jìn)行施工。無需再對該種地段進(jìn)行地面深孔爆破巖層或進(jìn)行暗挖施工措施，能有效地縮短工期，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。但對于長大斷面硬巖掘進(jìn)，受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)、能力的限制，依然存在低效率、高投入等問題，有待進(jìn)一步解決。

［1］ 靳世鶴.廣州地鐵硬巖段土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工的對策［J］.都市快軌交通，2007，20(3):64 －66，70.

［2］ 賈科.極硬巖層條件下盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化［J］.路基工程，2010(3):164－166.

［3］ 閆玉茹，黃宏偉，程知言，等.盾構(gòu)切削刀具的布置規(guī)律及優(yōu)化研究［J］.隧道建設(shè)，2010，30(5):508－512.(YAN Yuru，HUANG Hongwei，CHENG Zhiyan，et al.Study on arrangement Rules and arrangement optimization of shield cutters［J］.Tunnel Construction，2010，30(5):508 － 512.(in Chinese))

［4］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004，221 －297.

［5］ 李建斌.雙護(hù)盾TBM地質(zhì)性及相關(guān)計(jì)算［J］.隧道建設(shè)，2006，26(2):76 －78，86.

［6］ 王龍.土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的故障診斷與修復(fù)實(shí)例［J］.隧道建設(shè)，2009，29(5):579 － 581.(WANG Long.Case study on malfunction diagnosis and repair of thrust system of an EPB shield machine［J］.Tunnel Construction，2009，29(5):579 －581.(in Chinese))

［7］ 張富強(qiáng).TB880E型掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動力傳遞裝置綜合分析［J］.隧道建設(shè)，2009，29(6):678 －682.(ZHANG Fuqiang.Comprehensive analysis on cutterhead drive transmission system of TB880E tunnel boring machine［J］.Tunnel Construction，2009，29(6):678 － 682. (in Chinese))

［8］ 賈要偉.海瑞克盾構(gòu)刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)故障分析及處理［J］.隧道建設(shè)，2010，30(3):324 － 326，335.(JIA Yaowei.Analysison and treatmentofmalfunction of cutterhead drive hydraulic system of shield machines:case study on a shield machine manufactured by Herrenknecht AG［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):324 － 326，335.(in Chinese))

［9］ 鐘志強(qiáng).盾構(gòu)機(jī)刀盤變形的修復(fù)技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010，30(5):612 － 615，620.(ZHONG Zhiqiang.Shield cutterhead repairing technology［J］.Tunnel Construction，2010，30(5):612 －615，620.(in Chinese))

［10］ 任國青.雙護(hù)盾TBM不良地質(zhì)施工問題及對策［J］.隧道建設(shè)，2007，27(3):108 －111.