郭衛(wèi)社

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

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軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)的思考

郭衛(wèi)社

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

軟硬不均地層盾構(gòu)施工難題一直考驗(yàn)著工程技術(shù)人員的智慧，業(yè)界為此付出的代價(jià)頻現(xiàn)報(bào)端。文章以發(fā)展的眼光，梳理了國(guó)內(nèi)盾構(gòu)在軟硬不均地層施工的曲折歷程。從什么是軟硬不均地層、軟硬不均地層盾構(gòu)施工所面臨的問(wèn)題、軟硬不均地層為什么易發(fā)生掌子面坍塌入手，引出了國(guó)內(nèi)軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展，詳細(xì)闡述了深孔爆破預(yù)破碎方案對(duì)盾構(gòu)施工所帶來(lái)的次生危害，提出了新形勢(shì)下軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)的思考。主要結(jié)論如下：以盾構(gòu)裝備技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)軟硬不均地層順利掘進(jìn)，而不再進(jìn)行預(yù)處理,符合科技進(jìn)步規(guī)律與社會(huì)發(fā)展要求。

軟硬不均地層；盾構(gòu)；常壓換刀；環(huán)保；預(yù)處理

0 引言

自盾構(gòu)工法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用以來(lái)，軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)的難題一直困擾著工程技術(shù)人員，而針對(duì)軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)的探索與研究也從未中斷。洪開(kāi)榮[1]和劉輝等[2]研究了泥水盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)在軟硬不均地層施工的技術(shù)細(xì)節(jié)；彭桂彬等[3]和鞠世健等[4]就軟硬不均地層地質(zhì)勘探方法進(jìn)行了研究；黃恒儒[5]對(duì)盾構(gòu)隧道孤石處理技術(shù)進(jìn)行了研究；宋天田等[6]對(duì)復(fù)合地層中盾構(gòu)盤形滾刀偏磨做了分析；劉建國(guó)[7]提出了深圳地鐵軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工對(duì)策；赫學(xué)林等[8]研究了上軟下硬特殊地層的加固換刀方法；張士龍[9]分析了南京緯三路過(guò)江通道工程技術(shù)難點(diǎn)；韓偉鋒等[10]對(duì)滾刀常壓換刀技術(shù)進(jìn)行了研究；孫志洪等[11]對(duì)復(fù)合盾構(gòu)滾刀磨損的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究；郭衛(wèi)社等[12]就臺(tái)山核電越海盾構(gòu)隧洞軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了研究。

以上研究?jī)H圍繞軟硬不均地層盾構(gòu)隧道的地質(zhì)勘探手段、盾構(gòu)裝備革新發(fā)展以及盾構(gòu)施工技術(shù)某一方面展開(kāi)分析。近年來(lái)盾構(gòu)裝備水平、地質(zhì)物探技術(shù)、工程建造理念和環(huán)境保護(hù)要求明顯提高。本文就是在此種新形勢(shì)下對(duì)軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)方向和趨勢(shì)的綜合性思考。

1 什么是軟硬不均地層

軟硬不均地層是復(fù)合地層的一種典型表現(xiàn)。軟硬不均地層是指在隧道開(kāi)挖范圍存在2種以上巖土力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)特征差異較大的地層。通俗講就是工作面上同時(shí)存在“軟”和“硬”2種地層，軟的地層不能滿足盾構(gòu)常壓開(kāi)艙；硬的地層需要滾刀破巖。圖1所示的孤石群就是典型的軟硬不均地層，圖2所示的巖土分界面以及孤石群都是典型的軟硬不均地層。

(a) 明挖基坑

(b) 暗挖隧道

Fig.1 Boulder group exposed of open-cut foundation and mined tunnel

圖2 路塹邊坡所揭示的典型軟硬不均地層

2 軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)面臨的問(wèn)題

軟硬不均地層由于工作面地層巖石力學(xué)指標(biāo)及地質(zhì)特征差異大，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)掌子面坍塌、土壓盾構(gòu)噴涌、泥水盾構(gòu)環(huán)流異常、超量出碴、地表沉降超限、刀盤結(jié)泥餅、刀具偏磨損壞和盾構(gòu)姿態(tài)難以控制等問(wèn)題，出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因主要如下。

2.1 軟硬不均地層中工作面平衡難以建立

盾構(gòu)施工的核心之一就是要建立和維持工作面的水土壓力平衡，從而達(dá)到減少地層擾動(dòng)、控制沉降和保護(hù)環(huán)境的目的。在軟土地層中，盾構(gòu)可以建立起理想的水土壓力平衡模式；在軟硬不均地層中，掌子面上部需要平衡水土壓力，下部?jī)H需要平衡水壓力，如圖3所示。若僅考慮掌子面上部平衡，則下部可能出現(xiàn)超壓；若僅考慮掌子面下部平衡，則掌子面上部出現(xiàn)欠壓。

(a)全斷面軟土(b)上軟下硬地層

圖3 全斷面軟土、上軟下硬地層掌子面水土壓力分布示意

Fig.3 Distribution of water pressure of working face in full-face soft ground and upper-soft lower-hard ground

掌子面超壓在富含黏、粉粒地層中極易出現(xiàn)結(jié)泥餅、糊刀盤和刀具異常磨損現(xiàn)象；掌子面欠壓則會(huì)發(fā)生上部軟弱地層坍塌、超量出碴和沉降超限等情況。

2.2 軟硬不均地層中盾構(gòu)工作狀態(tài)不佳

盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，刀盤受力復(fù)雜，刀具在掌子面上、下部位貫入度相差很大。刀盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中刀具接觸巖土分界面產(chǎn)生的撞擊易造成刀圈崩刃、開(kāi)裂和脫落，刀體損壞。

2.3 軟硬不均地層中滾刀容易過(guò)載

軟硬不均地層中盾構(gòu)總推力克服盾殼摩擦力、土艙堆碴反力和后配套拖車牽引反力后，剩余的凈推力全部作用在接觸掌子面硬巖的部分滾刀上面，推力控制稍有不慎，即可造成滾刀過(guò)載損壞，引起刀具損壞的多米諾骨牌效應(yīng)。

2.4 軟硬不均地層中碴土改良難度大

軟硬不均地層中掌子面圍巖物理力學(xué)性狀差異大，從松散、流塑、軟塑到堅(jiān)硬石同時(shí)存在。一方面碴土改良的客觀難度增加，另一方面掌子面水土平衡對(duì)碴土改良的要求更高。

3 為什么軟硬不均地層易發(fā)生掌子面坍塌失穩(wěn)

土壓或泥水平衡盾構(gòu)在軟硬不均地層中發(fā)生掌子面坍塌、地面沉陷，有人不能理解，既然具備平衡掌子面水土壓力的功能，為何還發(fā)生坍塌失穩(wěn)？

當(dāng)進(jìn)入軟硬不均地層后，盾構(gòu)推力、扭矩等掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)較大，掘進(jìn)速度急劇下降，盾構(gòu)司機(jī)本能反應(yīng)是以出碴換取掘進(jìn)速度，這必然會(huì)導(dǎo)致上部軟弱地層坍塌(見(jiàn)圖4)[13]，從而造成變形與沉降。

另外，盾構(gòu)艙內(nèi)所建立的壓力平衡狀態(tài)，并非理想的平穩(wěn)壓力狀態(tài)，嚴(yán)格意義上講是一種波動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在軟硬不均地層中，艙內(nèi)壓力平衡的操作稍有不慎，就會(huì)發(fā)生掌子面坍塌。

圖4 軟硬不均地層掌子面坍塌示意圖

Fig.4 Sketch diagram of collapse of working face in heterogeneous ground

4 軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)歷程

回顧國(guó)內(nèi)軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可分為4個(gè)階段。

4.1 摸索與碰壁階段

國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工初期，隧道工程技術(shù)人員面對(duì)日成洞數(shù)十米的盾構(gòu)技術(shù)，猶如剛品嘗到駕駛樂(lè)趣的新司機(jī)駛上了高速公路，新奇、刺激、自信滿滿，唯獨(dú)對(duì)雨、雪、霧、風(fēng)等惡劣路況估計(jì)不足。2002年3月深圳地鐵2號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)軟硬不均地層施工控制不當(dāng)造成盾構(gòu)主軸承密封損壞；2003年8月廣州地鐵3號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)在軟硬不均地層發(fā)生噴涌引起地面塌陷(見(jiàn)圖5)[13]。

(a)

(b)

Fig.5 Ground surface subsidence of heterogeneous ground of a section on Line No.3 of Guangzhou Metro in 2003

圖6為深圳地鐵某盾構(gòu)區(qū)間軟硬不均地層中盾構(gòu)刀盤超磨的情況；圖7為廣州地鐵某盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)刀盤破損情況。

圖6 深圳地鐵某區(qū)間軟硬不均地層刀盤超磨

Fig.6 Over-wear of cutterhead of shield tunneling in heterogeneous ground of Shenzhen Metro

圖7 廣州地鐵某區(qū)間軟硬不均地層刀盤破損

Fig.7 Wear of cutterhead of shield tunneling in heterogeneous ground of Guangzhou Metro

4.2 預(yù)破碎階段

經(jīng)過(guò)初期的嘗試摸索付出了慘重代價(jià)之后，工程技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到軟硬不均地層盾構(gòu)施工“預(yù)則立，不預(yù)則廢”，因此，2006年深圳地鐵某區(qū)間對(duì)軟硬不均地層下伏硬巖進(jìn)行了沖孔及人工挖井預(yù)破碎處理，如圖8所示。

(a) 沖孔預(yù)破碎處理方案

(b) 人工挖井預(yù)破碎處理方案

圖8 2006年深圳地鐵某盾構(gòu)區(qū)間軟硬不均地層預(yù)處理方案(單位：m)

Fig.8 Pretreatment of heterogeneous ground of Shenzhen Metro in 2006 (m)

隨后在廣州、深圳、東莞等地鐵工程及臺(tái)山核電海底盾構(gòu)隧洞工程建設(shè)中，各個(gè)單位先后應(yīng)用了深孔爆破預(yù)破碎下伏基巖的的方案應(yīng)對(duì)軟硬不均地層。圖9是臺(tái)山核電盾構(gòu)海底隧洞進(jìn)行爆破預(yù)破碎的情況[14]。

(a)

(b)

Fig.9 Deep-hole blasting construction of shield tunnel of Taishan Nuclear Power Station

無(wú)論采取何種預(yù)破碎方式，為保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)，破碎后的地層必須進(jìn)行注漿固結(jié)以滿足地層氣密性要求。

盡管深孔爆破預(yù)破碎工法工期長(zhǎng)、造價(jià)高、對(duì)環(huán)境影響大，但相比較不做預(yù)處理盾構(gòu)施工產(chǎn)生的后果，這些困難都可以接受。這一階段“預(yù)破碎”的技術(shù)思路規(guī)避了許多工程風(fēng)險(xiǎn)，也成了業(yè)內(nèi)的普遍技術(shù)法則。但深孔爆破預(yù)破碎方案并非完美無(wú)缺，破碎后的松散巖塊為盾構(gòu)掘進(jìn)帶來(lái)了新的次生問(wèn)題。

1)極易造成泥水盾構(gòu)艙內(nèi)滯排。圖10是破碎后巖塊在艙內(nèi)堆積造成滯排的情景[15]。以臺(tái)山核電海底盾構(gòu)隧洞為例，2012年3—8月累計(jì)進(jìn)艙662次，2 009人次處理艙內(nèi)滯排，共打撈巖塊824塊，圖11為艙內(nèi)打撈巖塊情景[14]。

2)預(yù)破碎后松散的不規(guī)則巖塊會(huì)造成一系列設(shè)備損壞。首先極易損毀刀具,刀具崩刃、斷裂、脫落幾率大大增加；其次易造成攪拌棒變形、脫落；第三易造成泥水盾構(gòu)破碎機(jī)故障；最后不得不頻繁停機(jī)，帶壓進(jìn)艙處理，帶來(lái)較大的工程風(fēng)險(xiǎn)。

3)容易發(fā)生漏氣導(dǎo)致艙內(nèi)失壓現(xiàn)象。雖然預(yù)破碎處理后都要進(jìn)行注漿固結(jié)封堵地層空隙，但由于諸多因素影響，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生漏氣失壓的問(wèn)題比較嚴(yán)重。圖12為某盾構(gòu)區(qū)間深孔爆破預(yù)破碎段掘進(jìn)中漏氣失壓的情況。

圖10 破碎松散巖塊造成泥水艙內(nèi)滯排

圖11 臺(tái)山核電海底盾構(gòu)隧洞艙內(nèi)撈石處理滯排

Fig.11 Rock treatment in slurry chamber of Taishan Nuclear Power Station

圖12 某盾構(gòu)區(qū)間軟硬不均地層預(yù)破碎后出現(xiàn)盾構(gòu)漏氣

4.3 預(yù)加固處理階段

為了避免發(fā)生以上的次生問(wèn)題，工程師們想到能否僅對(duì)軟硬不均地層上部的軟弱部分進(jìn)行預(yù)加固改良，然后盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)。東莞至惠州的城際鐵路某盾構(gòu)區(qū)間采用了這種方案，加固方案如圖13所示。加固方式為袖閥管梅花形布置，間距1 m。加固體外圈為雙液漿，中間為水泥漿。

從盾構(gòu)掘進(jìn)效果來(lái)看，在進(jìn)行了預(yù)加固的上軟下硬地層順利掘進(jìn)通過(guò)，沒(méi)有發(fā)生掌子面坍塌，避免了地表沉陷事故。開(kāi)艙過(guò)程發(fā)現(xiàn)，軟弱地層中袖閥管的的作用與樹(shù)根樁類似，能夠增加側(cè)壁自穩(wěn)能力。

圖13 莞惠城際鐵路某盾構(gòu)區(qū)間軟硬不均地

Fig.13 Heterogeneous ground of a shield section of Dongguan-Huizhou Intercity Railway

4.4 回歸盾構(gòu)掘進(jìn)階段

理論上講只要能夠?qū)崿F(xiàn)刀具的隨時(shí)更換，保證盾構(gòu)具備破巖能力，在謹(jǐn)慎操作情況下，上軟下硬地層不預(yù)處理而順利掘進(jìn)不無(wú)可能。經(jīng)過(guò)二十多年的摸索，工程師們有了回歸盾構(gòu)掘進(jìn)的想法，此時(shí)，工程技術(shù)人員對(duì)軟硬不均地層的認(rèn)識(shí)已今非昔比。

圖14為深圳地鐵11號(hào)線某區(qū)間所做的軟硬不均地層回歸盾構(gòu)掘進(jìn)的嘗試。工程師們對(duì)長(zhǎng)約91 m的軟硬不均段不做預(yù)處理，采用盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)。該項(xiàng)目使用φ6.98 m土壓平衡復(fù)合式盾構(gòu)，配備人閘裝置。

(a) 平面

(b) 剖面

圖14 深圳地鐵11號(hào)線某區(qū)間軟硬不均地層回歸盾構(gòu)掘進(jìn)方案(單位：m)

Fig.14 Regression shield tunneling program in heterogeneous ground of a section on Line No.11 of Shenzhen Metro (m)

掘進(jìn)前制定了嚴(yán)格的軟硬不均段掘進(jìn)參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn):刀盤轉(zhuǎn)速≤1.2 r/min，推力<20 000 kN，扭矩不超過(guò)2 000 kN·m,貫入度不小于5 mm；邊滾刀最大磨損<15 mm，中心刀最大磨損<25 mm，超過(guò)該指標(biāo)立即更換。

過(guò)程中雖然出現(xiàn)了滾刀偏磨、刀圈斷裂崩刃和螺機(jī)噴涌等情況，但全程未出現(xiàn)不可控事故。過(guò)程雖然痛苦，但結(jié)果好于預(yù)期。

2016年3月廣州地鐵4號(hào)線南延5標(biāo)φ11.6 m泥水盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)約70 m長(zhǎng)花崗巖軟硬不均地層取得成功。

5 新形勢(shì)下軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)的思考

首先，與30多年前相比，中國(guó)社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)大幅度提高，公民的人權(quán)意識(shí)也空前高漲，今后若還想在城市或居住區(qū)進(jìn)行深孔爆破預(yù)破碎施工，其所面臨的協(xié)調(diào)與公共監(jiān)督壓力不可想象；其次，盾構(gòu)常壓更換刀具的技術(shù)日臻成熟，使得隨時(shí)更換刀具具備了技術(shù)可能。在此種形勢(shì)之下，軟硬不均地層盾構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步勢(shì)在必行。

5.1 預(yù)破碎方案有背于環(huán)境保護(hù)的要求

黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)納入中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)總體布局，把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位。環(huán)境保護(hù)是生態(tài)文明建設(shè)的主陣地和根本措施，各個(gè)城市對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)高度前所未有；而原來(lái)的地面深孔爆破預(yù)破碎方案，不可避免要擠占交通道路，產(chǎn)生震動(dòng)、噪音、粉塵和污水排放，軟硬不均地層預(yù)破碎方案在環(huán)境保護(hù)方面技術(shù)先進(jìn)性不足。

5.2 預(yù)破碎方案帶來(lái)的次生問(wèn)題逐漸被業(yè)界所認(rèn)識(shí)

如前所述，預(yù)破碎方案不可避免地帶來(lái)刀具異常損壞幾率增加、泥水盾構(gòu)艙內(nèi)滯排與破碎機(jī)故障、攪拌棒脫落變形和盾構(gòu)掘進(jìn)中漏氣失壓等問(wèn)題。這些問(wèn)題都會(huì)造成被迫停機(jī)，需要帶壓進(jìn)艙處理，增加了工程風(fēng)險(xiǎn)，方案在安全保證方面先進(jìn)性不足。

5.3 盾構(gòu)常壓更換刀具技術(shù)取得突破

近年來(lái)盾構(gòu)常壓更換刀具技術(shù)已得到工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。南京地鐵10號(hào)線長(zhǎng)江隧道及南京緯七路長(zhǎng)江隧道、緯三路長(zhǎng)江隧道都應(yīng)用了常壓更換切刀的技術(shù)；土耳其伊斯坦布爾隧道成功應(yīng)用了滾刀的常壓更換技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)將在佛山至東莞城際鐵路獅子洋隧道以及汕頭蘇埃通道工程中得到應(yīng)用。

對(duì)于直徑13 m以上的盾構(gòu)，刀盤刀具設(shè)計(jì)上可保證每條破巖軌跡上至少有1把刀具可常壓更換，可實(shí)現(xiàn)切刀與滾刀互換，因此大大提高了盾構(gòu)設(shè)備在軟硬不均地層中的技術(shù)可靠性。

5.4 社會(huì)需要更安全、環(huán)保、先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)

當(dāng)盾構(gòu)配置常壓更換滾刀的刀盤后，合理控制掘進(jìn)參數(shù)，攻克軟硬不均地層必將成為盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的方向，業(yè)界從未放棄此項(xiàng)努力與嘗試，這個(gè)方向更符合安全、環(huán)保及技術(shù)先進(jìn)性的社會(huì)需求。

6 結(jié)論與討論

1)盾構(gòu)以裝備技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)軟硬不均地層的順利掘進(jìn)，符合科技進(jìn)步規(guī)律與社會(huì)發(fā)展要求；

2)軟硬不均地層預(yù)破碎方案會(huì)引發(fā)較多次生施工難題，且對(duì)環(huán)境的影響較大，工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)具體情況謹(jǐn)慎對(duì)待；

3)中、小直徑盾構(gòu)若不具備帶壓進(jìn)艙條件，推薦預(yù)加固軟硬不均地層上部軟弱部分后盾構(gòu)掘進(jìn)；

4)軟硬不均地層遇到高水壓、大直徑和極硬巖的情況，對(duì)盾構(gòu)技術(shù)來(lái)講，其面臨的困難與挑戰(zhàn)難于言表，諸多的技術(shù)細(xì)節(jié)還需要在工程實(shí)踐中摸索解決；

5)軟硬不均地層中盾構(gòu)操作應(yīng)嚴(yán)格限制刀盤轉(zhuǎn)速，控制推力和扭矩，選取合理貫入度，同時(shí)加強(qiáng)刀具的檢查，以精細(xì)化的掘進(jìn)管理彌補(bǔ)技術(shù)上的困境與不足，“豫兮若冬涉川”方能保證安全。

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Reflecting on Technologies for Shield Tunneling in Heterogeneous Ground

GUO Weishe

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The technologies for shield tunneling in heterogeneous ground are very important.The development of technologies for shield tunneling in heterogeneous ground is introduced.The development of technologies for shield tunneling in heterogeneous ground in China is presented in terms of definition of heterogeneous ground,problems met during shield tunneling and causes for collapse.The secondary damage for shield tunneling induced by deep-hole blasting is introduced in detail.The reflecting on technologies for shield tunneling in heterogeneous ground is proposed.The author suggests that the development of shield-dedicated equipment technology is the key to successful shield tunneling in heterogeneous ground.

heterogeneous ground; shield machine; cutting tool replacement under atmospheric pressure; environmental protection; pretreatment

2016-04-28;

2016-05-16

郭衛(wèi)社(1971—)，男，陜西乾縣人，1994年畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院，鐵道工程專業(yè)，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事隧道與地下工程施工技術(shù)管理工作。E-mail：112899002@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.005

U 45

A

1672-741X(2016)10-1196-06