汪高文，王高敏，高建強(qiáng)

（1、廣東建科建設(shè)咨詢有限公司 廣州 510500；2、北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100044）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市人口急速膨漲，城市交通壓力日益加劇，為緩解城市交通的壓力，各大城市開始了地鐵建設(shè)的熱潮，作為區(qū)間隧道施工主力的土壓平衡盾構(gòu)［1］在地鐵建設(shè)中大放異彩。據(jù)城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計(jì)［2］，截至 2017年 12月底，中國內(nèi)地開通城軌交通運(yùn)營線路的城市增加至34 個，開通軌道交通線路165條，累計(jì)運(yùn)營里程5 033 km。其中地鐵線路3 884 km，占比77.2%。區(qū)間隧道施工最常用的工法即為盾構(gòu)法，而土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用尤為廣泛。

土壓平衡盾構(gòu)面對堅(jiān)硬巖層［3］時盾構(gòu)的適用性受到較大的影響，在一些城市（如廣州、深圳、成都等）區(qū)間地質(zhì)遇硬巖情況較為普遍。根據(jù)現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50307-2012》［4］“盾構(gòu)法適用于第四紀(jì)地層、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度偏低地層和軟巖地層的隧道施工，在硬質(zhì)巖層和含有大量粗顆粒漂石、塊石的地層應(yīng)慎用?！痹O(shè)計(jì)方往往會采用礦山法+盾構(gòu)空推的方式通過堅(jiān)硬巖層段。礦山法施工需要額外增加施工豎井而長期占用較大面積土地及加大經(jīng)濟(jì)投入，同時因采用爆破作業(yè)而增加了巨大的施工安全風(fēng)險。

選擇相應(yīng)工程項(xiàng)目針對土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖地層掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究并在實(shí)際應(yīng)用中加以驗(yàn)證，解決土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬混合花崗巖中掘進(jìn)的難題，可實(shí)現(xiàn)合理利用現(xiàn)有設(shè)備、節(jié)約土地、縮短工期、有利施工安全、綠色環(huán)保的目標(biāo)，社會效益較大。

1 選擇研究對象的工程情況

廣州地鐵13號線［東洲站-新塘站］區(qū)間整體采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，但區(qū)間局部存在堅(jiān)硬混合花崗巖地層段，選擇該段區(qū)間作為土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖地層掘進(jìn)技術(shù)的研究對象較為合適，工程概況介紹如下：

廣州地鐵13號線［東洲站-新塘站］區(qū)間左線隧道起訖里程范圍為ZDK57+611.254～ZDK58+687.203，左線隧道長1 049.007 m，短鏈26.762 m；右線隧道起訖里程范圍為 YDK57+611.254～YDK58+618.370，右線隧道長938.512 m，短鏈68.604 m。區(qū)間線路平面設(shè)1 個曲線段，曲線半徑R=650 m，區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)為單向坡，最大坡度為24.45‰，最大坡長為480 m，隧道頂部覆土厚度10.00～26.58 m。。

區(qū)間隧道穿越的地層有〈2-1B〉淤泥質(zhì)土、〈2-2〉淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、〈5Z-2〉硬塑性砂質(zhì)粘性土、〈6Z〉混合花崗巖全風(fēng)化帶、〈7Z〉混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶、〈8Z〉混合花崗巖中風(fēng)化帶、〈9Z〉混合花崗巖微風(fēng)化帶，隧道主要穿越〈5Z-2〉、〈6Z〉、〈7Z〉、〈8Z〉和〈9Z〉地層。根據(jù)［東洲站-新塘站］區(qū)間地質(zhì)剖面圖顯示，區(qū)間右線共需穿越106 m 全斷面硬巖段，穿越環(huán)號為373～443環(huán)，區(qū)間左線共需穿越54 m 全斷面硬巖段，穿越環(huán)號為 391～426 環(huán)。

根據(jù)詳勘揭示：

⑴〈8Z〉中風(fēng)化混合花崗巖。揭露層厚0.90～13.00 m，平均 4.22 m，層頂埋深 3.40～43.30 m（標(biāo)高-21.43～25.20 m）。巖性：青灰色夾淺肉紅色，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，少量扁柱狀，錘擊聲較清脆，花崗變晶結(jié)構(gòu)，眼球狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長石，次為云母，長石大部分風(fēng)化成小黃斑點(diǎn)。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 約為40%，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度值為51.9～102.4 MPa，平均83.9 MPa，巖石質(zhì)量等級為Ⅲ級。

⑵〈9Z〉微風(fēng)化混合花崗巖。層頂埋深12.80～25.00 m（標(biāo)高-8.05～15.33 m）。巖性：灰黃色、灰白色，巖芯呈短柱狀、扁柱狀，局部碎塊狀，錘擊聲脆，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 約為80%，巖體較完整，巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度值為 81.8～102.5 MPa，平均 92.4 MPa，巖石質(zhì)量等級為Ⅱ級。

2 土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖層掘進(jìn)技術(shù)研究

參照《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》［5］相關(guān)要求，從解決土壓平衡盾構(gòu)對堅(jiān)硬巖層的適用性，更大地發(fā)揮土壓平衡盾構(gòu)在地鐵建設(shè)中的作用出發(fā)，通過技術(shù)手段對土壓平衡盾構(gòu)過硬巖進(jìn)行研究，通過采用合理選用刀盤及刀具配置、在掘進(jìn)過程初期合理選用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)開倉對刀具進(jìn)行全面檢查等措施，以達(dá)到土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖層順利掘進(jìn)的預(yù)期效果。

2.1 對刀盤、刀具等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

⑴刀盤設(shè)計(jì)首要突出破巖能力以應(yīng)對中、微風(fēng)化高強(qiáng)度巖層切削，并兼顧超大粒徑孤石的破除，其次強(qiáng)化耐磨性能及剛度、強(qiáng)度要求，以應(yīng)對特殊地層需要。

刀盤直徑6 280 mm，采用6 主梁+6 小副梁設(shè)計(jì)，采用該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在可安裝更多數(shù)量滾刀（46 刃）的同時，刀盤開口整個盤面均勻分布，開口率達(dá)34%（中心開口率達(dá)38%）。

刀盤的6 分度結(jié)構(gòu)設(shè)有6 個支腿，較好地改善結(jié)構(gòu)受力條件，通過有限元分析，大應(yīng)力部位均配置足夠的材料，再經(jīng)有限元分析復(fù)核，刀盤結(jié)構(gòu)的最大綜合等效應(yīng)力為170 MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力不小于100 MPa，刀盤強(qiáng)度和剛度均能滿足各種地層的施工需要。

⑵刀具配置設(shè)計(jì)

滾刀配置：刀盤共配置34 把單刃滾刀及6 把雙刃滾刀，采取較?。?5 mm）刀間距配置，在獲得可接受的掘進(jìn)進(jìn)度時可破除90～120 MPa 左右?guī)r石，掘進(jìn)進(jìn)度減慢時可破除110～140 MPa 巖石。

超挖刀配置：刀盤配置一把合金超挖刀，最高可破除60 MPa 的巖石，但目前僅可用于邊滾刀新刀安裝時擴(kuò)挖使用，不作為長距離擴(kuò)挖刀具。刀具配置如圖1所示。

圖1 刀具配置圖Fig.1 Tool Configuration Diagram

⑶刀盤耐磨設(shè)計(jì)

刀盤前面板表面堆焊6.4+6.4 復(fù)合鋼板，外圈梁外表面堆焊12.5+12.5 復(fù)合鋼板，提高刀盤的耐磨性。

⑷刀盤磨損檢測裝置

刀盤設(shè)置有多處油壓式磨損檢測裝置（共4 處，2處刮刀磨損檢測，2 處面板磨損檢測），防止漂石破壞刀盤盤體。

⑸刀盤泡沫及膨潤土噴口

刀盤所有管路均布置在背面（設(shè)有保護(hù)措施），完全堵塞不能清理時可在倉內(nèi)更換。噴口總成可以完全從刀盤背面抽出，完全損壞或阻塞不能疏通時，可在倉內(nèi)抽出維修或更換。

2.2 施工過程參數(shù)控制及其他輔助措施

⑴盾構(gòu)掘進(jìn)至整個刀盤進(jìn)入〈8Z〉中風(fēng)化層前3環(huán)（370、371、372 環(huán)），對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行信息采集及分析，摸清設(shè)備對硬巖的適宜參數(shù)。

盾構(gòu)掘進(jìn)370、371、372 環(huán)參數(shù)：掘進(jìn)總推力控制在1 300 t 左右，刀盤扭矩為2 200 kN·m 左右，掘進(jìn)速度 5～25 mm/min。

⑵掘進(jìn)過程每5～10 環(huán)施做一個止水環(huán)，不僅可以達(dá)到止水的效果，還能使壁后注漿密實(shí)，有效地防止管片上浮等質(zhì)量事故。

⑶掘進(jìn)過程中除向掌子面噴水外，仍需使用一定劑量的泡沫劑，起到潤滑刀具的作用，并且能在一定程度上減小扭矩。

⑷在第一次開倉［6］檢查刀具時，通過取芯對掌子面巖層的單軸抗壓強(qiáng)度及完整性進(jìn)行檢測，為盾構(gòu)順利穿過收集準(zhǔn)確的資料。

掘進(jìn)至第375 環(huán)（全面進(jìn)入硬巖第3 環(huán)）開倉后，對巖層進(jìn)行了取芯，并送至試驗(yàn)室進(jìn)行了巖礦鑒定。鑒定結(jié)果為石英30%～35%，鉀長石55%～60%，黑云母7%～10%，飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為89.1 MPa和84.3 MPa（共2 組），與地勘資料相符，倉內(nèi)取芯情況如圖2所示。

圖2 倉內(nèi)取芯情況Fig.2 Coring in Warehouse

2.3 加密開倉檢查的頻率，設(shè)定嚴(yán)格的刀具更換原則

進(jìn)入〈9Z〉微風(fēng)化巖層區(qū)段初期，每4～5 環(huán)開倉檢查1 次刀具，盾構(gòu)掘進(jìn)穩(wěn)定、設(shè)備參數(shù)可控后10 環(huán)左右檢查1 次刀具，刀具更換原則如表1所示。

表1 刀具更換原則表Tab.1 Table of Tool Replacement Principles

3 工程應(yīng)用

土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬混合花崗巖中掘進(jìn)技術(shù)在廣州地鐵13號線東洲站～新塘站區(qū)間右線隧道掘進(jìn)過程中進(jìn)行了應(yīng)用：

3.1 堅(jiān)硬巖掘進(jìn)情況

全斷面硬巖段掘進(jìn)環(huán)號范圍為373～443 環(huán)，耗時45 d，累計(jì)開倉6 次，硬巖范圍內(nèi)掘進(jìn)總推力控制在1 300 t 左右，刀盤扭矩為2 000 kN·m 左右，掘進(jìn)速度均在10 mm/min 以上，最高速度可達(dá)到35 mm/min，為空倉推進(jìn)，環(huán)出渣量約為60 m3。相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

3.2 開倉情況

硬巖段累計(jì)開倉作業(yè)6 次，累計(jì)更換單刃滾刀19把、雙刃滾刀5 把、刮刀1 把，累計(jì)耗時12 d。開倉后，巖面完整性較好，刀具軌跡清晰，刀具整體性較好，個別刀具需要更換，刀具情況如表2所示。

3.3 應(yīng)用情況總結(jié)

廣州地鐵13號線東洲站～新塘站區(qū)間右線共計(jì)穿越全段面硬巖段106 m、71 環(huán)，總耗時45 d，其中開倉及換刀作業(yè)耗時12 d，實(shí)際平均掘進(jìn)速度為2.15 環(huán)/d，最高掘進(jìn)速度為5 環(huán)/d，硬巖范圍內(nèi)掘進(jìn)總推力控制在 1 100～1 300 t，刀盤扭矩為 1 400～2 000 kN·m，掘進(jìn)平均速度達(dá)到10 mm/min 以上，最高速度可達(dá)到35 mm/min。施工期間未出現(xiàn)任何安全及質(zhì)量問題。

圖3 相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Shield Tunnel under the Existing Railway Tunneling Parameters

表2 硬巖段開倉及換刀作業(yè)情況表Tab.2 Table of Opening and Tool Changing Operation in Hard Rock Section

4 結(jié)論

通過實(shí)際工程的驗(yàn)證，土壓平衡盾構(gòu)在遇堅(jiān)硬巖地層（巖層單軸抗壓強(qiáng)度大于100 MPa 以上），采用盾構(gòu)刀盤、刀具合理配置、盾構(gòu)施工參數(shù)的合理選用及優(yōu)化施工過程控制，同時采取加強(qiáng)開倉檢查及更換刀具等措施，是可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖層中順利掘進(jìn)的，從而達(dá)到降低成本、縮短工期、節(jié)地、綠色環(huán)保、施工安全等多方面的效果。