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        微風(fēng)化砂巖及砂礫巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)探討

        2018-09-21 10:36:36王家祥
        現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2018年22期

        王家祥

        摘要:珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站~沙園站]區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越俗稱(chēng)“磨刀石”地層的微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層,該地層具有抗壓強(qiáng)度高、巖石質(zhì)量高及石英含量高的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)該地層進(jìn)行一系列的分析及盾構(gòu)刀盤(pán)加固改造、刀具配置及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)計(jì),取得了良好的階段性效果,引發(fā)對(duì)相同地層的技術(shù)探討。

        關(guān)鍵詞:微風(fēng)化砂巖;砂礫巖;盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制;開(kāi)倉(cāng)換刀;刀具配置

        中圖分類(lèi)號(hào):TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi:10.19311/j.cnki.16723198.2018.22.094

        0引言

        隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展,地面交通系統(tǒng)已經(jīng)越發(fā)的繁忙,地下軌道交通作為城市的重要資源已經(jīng)得到了廣泛重視,地下軌道交通的施工技術(shù)也日新月異,其中盾構(gòu)法施工具有地層適應(yīng)范圍廣、施工效率高、安全質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn),已在我國(guó)地下軌道交通施工工程中得到了普遍的使用?,F(xiàn)以珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站~沙園站]區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越微風(fēng)化砂巖、砂礫巖為例,闡述盾構(gòu)機(jī)在微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中的掘進(jìn)技術(shù),以供探討和參考。

        1工程概況

        1.1設(shè)計(jì)概況

        珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站~沙園站]區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,區(qū)間雙線總長(zhǎng)2954.577m,隧道埋深15~28m,平面最大轉(zhuǎn)彎半徑300m,最大坡度27‰。盾構(gòu)機(jī)從沙涌站始發(fā),下穿芳村大道、沙涌河、沙涌水閘、珠江主航道后,下穿光大花園密集建筑物,最后到達(dá)沙園站吊出井,完成區(qū)間隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)任務(wù)。

        1.2地質(zhì)概況

        隧道穿越地層主要為<7>層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、<8>中風(fēng)化砂巖及<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫地層,右線地質(zhì)縱剖面圖如圖1。

        圖1中綠色區(qū)域?yàn)?lt;9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層,該地層長(zhǎng)度占整個(gè)隧道長(zhǎng)度的40%左右。地質(zhì)補(bǔ)勘探明<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖的平均天然單軸抗壓強(qiáng)度85MPa左右,部分地段圍巖最大天然單軸抗壓強(qiáng)度為132MPa,石英含量高達(dá)65%。微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層裂隙不發(fā)育,巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD100%。巖芯及掌子面情況如圖2、圖3。

        2施工難點(diǎn)分析

        2.1地質(zhì)圍巖強(qiáng)度高,掘進(jìn)效率低

        對(duì)于硬巖地層,盾構(gòu)掘進(jìn)速度主要由滾刀的破巖能力決定。由于刀具自身材質(zhì)問(wèn)題,滾刀對(duì)60MPa以下的巖石具有很強(qiáng)的破巖能力,盾構(gòu)掘進(jìn)效率較高;對(duì)超過(guò)75MPa的硬巖破巖能力大大下降,盾構(gòu)掘進(jìn)效率極其低下。區(qū)間隧道<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層平均抗壓強(qiáng)度高達(dá)85MPa,無(wú)風(fēng)化裂隙,巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=100%,盾構(gòu)貫入度2~3.5mm/min,掘進(jìn)速度3~5mm/min。

        2.2地層石英含量高,刀具磨損嚴(yán)重

        區(qū)間<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖石英含量高達(dá)65%,石英具有堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn),對(duì)刀盤(pán)、刀具的磨損較大。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中,需要經(jīng)常開(kāi)倉(cāng)檢查刀具磨損情況,尤其的周邊刀的磨損情況,以避免開(kāi)挖半徑減少造成的盾構(gòu)機(jī)卡死事故。

        2.3圍巖穩(wěn)定性好,管片上浮嚴(yán)重

        在軟臥地層中圍巖自穩(wěn)性差,應(yīng)力釋放快,塑性形變大,管片脫出盾尾后,拱頂圍巖發(fā)生形變,減少管片與地層之間的建筑空隙,有利于及時(shí)約束管片上浮趨勢(shì)。<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中,由于基巖穩(wěn)定性好,環(huán)形建筑空隙在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的,脫出盾尾的管片長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)約束狀態(tài),隨著漿液的填充及地下水浮力的增加,使管片產(chǎn)生較大的上浮現(xiàn)象,造成成型隧道線性偏差較大。

        3盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制措施

        根據(jù)珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站~沙園站]區(qū)間隧道的工程地質(zhì)特點(diǎn)及水文地質(zhì)情況,經(jīng)廣州“盾研所”專(zhuān)家論證,采用德國(guó)海瑞克φ6280土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行本區(qū)間的施工。

        海瑞克φ6280土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)最大推力34210KN,刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)最大扭矩5300KNm。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)采用復(fù)合式硬巖刀盤(pán),可配置32把單刃或雙刃滾刀、4把雙刃中心刀、28把中心刮刀及28把周邊刮刀,最大開(kāi)口率28%,最大破巖能力135MPa。

        3.1刀盤(pán)加固改造

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖具有抗壓強(qiáng)度高、巖石石英含量高等特點(diǎn),所以在刀盤(pán)迎土面焊接耐磨紋的同時(shí),加焊耐磨鋼板以增加刀盤(pán)的耐磨能力;在刀盤(pán)大臂連接處焊接連接鋼板增加刀盤(pán)整體抗扭能力。詳細(xì)如圖4、圖5。

        3.2刀具配置及更換

        3.2.1刀具配置

        根據(jù)<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行刀具配置,配置的刀具應(yīng)滿足耐磨性好、破巖能力強(qiáng)的要求,同時(shí)應(yīng)考慮刀盤(pán)中心位置刀具的偏磨問(wèn)題。詳細(xì)如下:

        (1)周邊刀39#、40#采用龐萬(wàn)力重型單刃刀具,刀刃外徑17in;其他周邊刀采用耐磨型熱熔合金單刃滾刀,刀刃外徑17in。

        (2)中心刀1#~8#采用龐萬(wàn)力重型雙刃刀具,刀刃外徑19in。

        (3)面刀9#~12#配置采用耐磨型熱熔合金雙刃滾刀,刀刃外徑19in;其他面刀采用球齒單刃滾刀。

        3.2.2刀具更換

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中推進(jìn)3~5環(huán)進(jìn)行一次開(kāi)倉(cāng)檢查,根據(jù)刀具磨損控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行刀具更換。<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層周邊刀磨損值應(yīng)控制在10mm以?xún)?nèi),面刀磨損值控制在20mm以?xún)?nèi)。

        3.3推進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

        (1)掘進(jìn)模式。

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn),應(yīng)充分利用的圍巖的自穩(wěn)性,采用敞開(kāi)式掘進(jìn)模式。刀具碾壓、切削下的碴土進(jìn)入土艙后,及時(shí)被螺旋機(jī)排出,土艙內(nèi)僅保留少許碴土。

        (2)推進(jìn)參數(shù)。

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)以快速推進(jìn)、保護(hù)刀盤(pán)刀具、降低刀具異常磨損為原則,極力避免刀具偏磨、刀圈斷裂等問(wèn)題發(fā)生。故盾構(gòu)總推力以刀盤(pán)扭矩及刀圈最大耐壓能力來(lái)確定。巖石完整性好,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速以高速旋轉(zhuǎn)為主,以增加盾構(gòu)的掘進(jìn)速度。詳細(xì)如表1。

        (3)碴土改良。

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層經(jīng)刀具碾壓后形成石粉及粒徑15mm~25mm的碎石塊,碴土改良以降溫、潤(rùn)滑、保護(hù)刀具為主要原則。加入泡沫劑以潤(rùn)滑刀具,根據(jù)地下水情況加水以降低土艙溫度。碴土改良參數(shù)如表2。

        3.4同步注漿及二次注漿

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)同步注漿應(yīng)充分考慮管片上浮問(wèn)題,注漿量滿足管片不會(huì)下沉即可,同步注漿量控制在3m3左右,剩余建筑空隙以二次注漿填充。為避免管片壁后的地下水或者同步注漿的砂漿竄入土艙,可在同步注漿時(shí)加注一定量的水玻璃,加快同步注漿將夜的凝固。地下水豐富情況下,可直接采用跟蹤二次注漿的形式進(jìn)行封環(huán),確保管片姿態(tài)穩(wěn)定、管片壁后密實(shí)無(wú)水。

        3.5掘進(jìn)姿態(tài)控制

        盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制管片成型姿態(tài),<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)水平姿態(tài)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行控制,垂直姿態(tài)必須根據(jù)管片上浮量來(lái)確定,管片姿態(tài)復(fù)測(cè)至關(guān)重要。<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)通??刂圃?70mm~-60mm之間,以抵消管片上浮造成的線差。

        4盾構(gòu)掘進(jìn)效果

        <9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)推進(jìn)速度很低,逐步增加盾構(gòu)總推力、刀盤(pán)扭矩,盾構(gòu)掘進(jìn)速度均無(wú)明顯上升。當(dāng)總推力超過(guò)14000KN、刀盤(pán)工作壓力超過(guò)140bar時(shí),會(huì)大規(guī)模出現(xiàn)刀具偏磨、刀圈斷裂現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗(yàn),<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)總推力控制在12000KN~13000KN、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.8~2.0rpm、刀盤(pán)工作壓力110~120bar(刀盤(pán)扭矩2200KNm~2500KNm),可以有效的避免刀具異常損耗,掘進(jìn)速度可以達(dá)到5~15mm/min。盾構(gòu)施工參數(shù)截圖如圖10、11、12、13。

        成型隧道管片線性水平姿態(tài)偏差在±30mm之間,垂直姿態(tài)偏差±45mm之間,到達(dá)線性設(shè)定目標(biāo)。

        5結(jié)束語(yǔ)

        盾構(gòu)在俗稱(chēng)“磨刀石”的微風(fēng)化砂巖、砂礫巖中掘進(jìn)需要克服多種困難,尤其是刀具磨損嚴(yán)重、掘進(jìn)效率低下問(wèn)題。通過(guò)對(duì)珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站~沙園站]區(qū)間盾構(gòu)穿越微風(fēng)化砂巖、砂礫巖的介紹和分析,對(duì)刀具配置、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、注漿等施工進(jìn)行了分析和設(shè)定,降低了刀具偏磨、刀圈斷裂等的異常損耗,加快了盾構(gòu)在微風(fēng)化砂巖、砂礫巖中的掘進(jìn)效率。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]田科軍.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越珠江施工重難點(diǎn)分析[J].鐵道建設(shè)技術(shù),2009.

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