王 軍

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 前言

近年來，我國地下空間高速發(fā)展，國內(nèi)諸多城市開展地鐵隧道建設(shè)，其中盾構(gòu)施工由于諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于隧道掘進[1-2]。雖然盾構(gòu)施工更加高效、經(jīng)濟，但遇到特殊地層時也存在諸多施工難題，嚴重耽誤施工工期、增加施工成本，因此針對復(fù)雜地層下的盾構(gòu)施工技術(shù)和施工方法一直是學術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點[3]。徐凱[4]研究了富水砂卵石地層盾構(gòu)施工引起的空洞問題，分析了盾構(gòu)施工過程空洞形成機理，提出了地表壓漿的方法來解決空洞環(huán)境下盾構(gòu)施工難題。文濤[5]針對盾構(gòu)掘進富水圓礫地層下存在的地表沉降、掘進噴涌問題，提出了渣土改良方案，有效解決了該地層下盾構(gòu)掘進難題。王芳[6]以西安地鐵盾構(gòu)隧道施工為例，對黃土隧道盾構(gòu)施工風險及對策進行研究。馬云新[7]分析了盾構(gòu)施工過程中地面塌陷引起的原因，認為通過回填或者控制掘進參數(shù)可有效避免地面塌陷。杜闖東[8]研究了破碎帶與軟硬不均等不良地層下盾構(gòu)掘進技術(shù)，分析了不良地層下引起盾構(gòu)掘進困難的內(nèi)在原因。石舒[9]對盾構(gòu)隧道下穿鐵路工程風險進行分析并提出對策。

上述研究成果為部分復(fù)雜地層下盾構(gòu)施工提供了很好的參考，但目前研究主要集中于城市地表下盾構(gòu)施工，而關(guān)于越海盾構(gòu)施工過程中遇到的難題及相應(yīng)解決措施鮮有報道[10-12]，沒有標準參照、沒有前車可鑒。本文圍繞廈門越海盾構(gòu)施工，研究了盾構(gòu)掘進破碎帶復(fù)雜地層時出現(xiàn)的具體施工難題，分析了造成施工難題的具體原因并提出了相應(yīng)對策，最終使得盾構(gòu)順利掘進，可為后續(xù)類似越海盾構(gòu)施工提供參考。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)情況

該工程主要包括海滄大道站、東渡路站、海-東區(qū)間。區(qū)間分為盾構(gòu)段、礦山段兩部分，區(qū)間總長2 800 m，盾構(gòu)段長度2 540 m、礦山段長度260 m，其中跨海段海-東區(qū)間采用泥水盾構(gòu)施工，見圖1。本區(qū)間線路穿越廈門西港海域，海域地形總體上向主航道傾斜，為侵蝕堆積地貌。海滄?zhèn)葹闉┩砍遍g帶，廈門西港主航道靠近廈門島側(cè)，寬度260 m，航道西側(cè)鏈狀分布火燒嶼、大兔嶼、小兔嶼、白兔嶼等島礁，線路從大兔嶼下穿過，其最高點約40.1 m。線位經(jīng)過區(qū)海床標高-28.9～3.0 m，其中大兔嶼與火燒嶼之間海床及主航道海床為深凹地形，水深25～33 m。覆蓋層主要由人工填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、砂土及殘積土等組成；下伏基巖巖性種類較多。海滄?zhèn)葹┩繀^(qū)主要為燕山期侵入的花崗巖；廈門側(cè)為侏羅系上統(tǒng)南園組第二段酸性陸相火山碎屑巖建造，巖性多為凝灰熔巖；其間為侏羅系下統(tǒng)梨山組陸相碎屑巖建造夾中酸、酸性火山巖，巖性主要為淺變質(zhì)的泥巖、粉砂巖、細砂巖、石英砂巖等，局部為黑云母安山巖。覆蓋層總厚度0～27.9 m?；鶐r自西向東依次為花崗巖、淺變質(zhì)砂巖及泥巖、石英砂巖、凝灰熔巖、花崗巖等?；鶐r風化界面起伏大，中等風化基巖頂板標高3.75～-73.13 m。根據(jù)鉆孔及物探資料，線路穿越兩條北東向風化凹槽，槽溝深-60～-80 m，寬200～450 m。區(qū)間隧道海滄陸域段主要穿越地層為淤泥、殘積土、散體狀強風化花崗巖。主航道以西海域段主要穿越地層為全風化變質(zhì)砂巖、強風化變質(zhì)砂巖、碎裂狀強風化變質(zhì)砂巖；主航道及主航道以東段主要穿越地層為碎裂狀強風化石英砂巖、中等風化石英砂巖、中等風化凝灰熔巖及花崗巖等。

圖1 盾構(gòu)施工跨海區(qū)域段

2.2 盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)

該越海工程所用泥水盾構(gòu)機開挖直徑為7.043 m，整機總長約105 m，額定扭矩5 113 kN·m，脫困扭矩7 158 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速在0～3.75rpm之間，采用復(fù)合式刀盤(面板＋輻條)。刀盤上布有不同形式的刀具，包括中心雙刃滾刀4把、單刃滾刀39把(正面29把、邊緣10把)、正面刮刀38把、周邊刮刀12組(6組3連、6組4連，共42把)。刀盤開口率30%，可通過最大粒徑巖渣尺寸為29 cm。刀盤面板上焊接耐磨板，周邊焊接鑲嵌合金耐磨塊，以提升刀盤整體耐磨性。

3 施工難點分析

盾構(gòu)機在掘進到右線1 522環(huán)破碎帶區(qū)域，里程YDK20＋822.8，盾構(gòu)推進表現(xiàn)異常，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

(1)掘進參數(shù)異常

盾構(gòu)在前期掘進過程中，推力基本維持在21 000～22 000 kN之間，推力變化相對穩(wěn)定，波動不明顯。而在進入該施工問題段后，推力發(fā)生明顯變化，上下波動顯著，最大超過25 000 kN，最小低于20 000 kN，波動區(qū)間遠大于前期正常推力范疇，表明盾構(gòu)在推進過程中忽而遭遇強硬地層、忽而遭遇塌陷松散地層，導(dǎo)致推力波動劇烈。

采集該區(qū)段的刀盤推進速度，也呈現(xiàn)忽大忽小的變化趨勢，振動幅度很大，其最大值達到23 mm/min，均值保持在3 mm/min，波動幅度超過20 mm/min。而刀盤在前期正常推進過程中的掘進速度波動幅度一般不超過5 mm/min。這反映出在該施工異常段刀盤前端地質(zhì)變化大、軟硬不均，地層極有可能存在孤石或者破碎帶復(fù)雜工況，需進一步開倉或者地質(zhì)勘查檢驗。

(2)刀盤易卡死

刀盤在該異常段區(qū)域出現(xiàn)多次卡機，導(dǎo)致施工停滯不前。讀取該段刀盤扭矩可以發(fā)現(xiàn)，該段區(qū)域的扭矩幅度也呈現(xiàn)劇烈波動，其最大值超過6 000 kN·m，逼近脫困扭矩，因此該地段容易造成刀盤卡死。開倉后發(fā)現(xiàn)，在刀盤開口處存在大量大塊巖渣，大塊巖渣尺寸普遍超過50 cm，由于巖渣尺寸過大而無法穿過刀盤開口，甚至部分巖渣嵌卡在刀盤開口處，使得刀盤在轉(zhuǎn)動過程中遭受巨大阻力，進而引起刀盤卡死(見圖2)。為解決刀盤卡死現(xiàn)象，施工人員多次帶壓進倉進行大塊巖渣清理，嚴重耽誤了施工工期并加大了施工成本。

圖2 刀盤卡死

(3)刀具異常失效加劇

統(tǒng)計該區(qū)域施工地段的刀具失效情況可以發(fā)現(xiàn)，刀盤上的刀具失效數(shù)量顯著增加，相比較正常施工情況，刀具損耗量增加2倍以上。其中刮刀以嚴重磨損為主，而滾刀出現(xiàn)大量異常失效現(xiàn)象，存在刀圈弦磨、刀圈斷裂以及刀轂斷裂等，見圖3。滾刀刀圈弦磨，只在刀圈的一側(cè)單獨發(fā)生磨損，刀圈其它部分磨損正常，說明在該地層下滾刀破巖過程中無法正常轉(zhuǎn)動；滾刀刀圈斷裂，刀圈不發(fā)生磨損失效，直接發(fā)生脆斷，刀圈橫截面斷裂，表明該刀圈韌性過低，遭遇強沖擊載荷后發(fā)生脆斷；滾刀刀轂斷裂，在不均勻、交變載荷作用下刀轂結(jié)構(gòu)失效開裂。

(4)泥漿泵及泥水管道堵塞

該異常區(qū)域段掘進過程中頻繁出現(xiàn)堵泵和堵管現(xiàn)象。由于此段區(qū)域掘進過程中產(chǎn)生大塊巖渣，且由于巖渣過多，二次破碎不足，使得巖渣的尺寸普遍超過管道直徑，進而堵塞泥水環(huán)流系統(tǒng)，嚴重制約了盾構(gòu)機排渣性能，多次迫使盾構(gòu)機停機清渣。

4 施工難點誘因及相應(yīng)對策

4.1 施工難點誘因分析

為了分析此次施工故障的原因，對該段施工區(qū)間的地層進行補勘，發(fā)現(xiàn)該地層下的巖石為石英砂巖，且?guī)r石成疊摞狀，單軸抗壓強度為90～186 MPa，呈現(xiàn)出局部極硬而多裂隙的破碎帶特征，地層斷面形貌如圖4所示。盾構(gòu)掘進該種地層滾刀切割巖石過程中，疊摞狀巖石容易在其裂隙處脫落掌子面，進而產(chǎn)生大塊巖渣。由于存在大量裂隙，刀具切割過程中會時而接觸巖石時而空切，使得盾構(gòu)刀盤的推力忽大忽小，掘進速度忽大忽小，波動幅度顯著高于正常掘進工況。由于所產(chǎn)生的巖渣過多，大量巖渣無法通過刀盤開口，堆積在刀盤前端，迫使刀盤上刀具對大塊巖渣進行二次破碎，增加了刀具切割負擔。當巖渣堆積過大，刀盤易出現(xiàn)卡死。

圖4 掘進地層特征

同時，由于滾刀時而切割時而空切以及大量大塊碎石巖渣作用，致使?jié)L刀產(chǎn)生劇烈沖擊，發(fā)生非正常失效，出現(xiàn)“刀碎而石不碎”現(xiàn)象。部分疊摞狀的細小巖石或者二次破碎的巖石可以通過刀盤開口，但由于其尺寸依然較大，加大了泥水環(huán)流出渣負擔，進而頻繁出現(xiàn)堵泵和堵管現(xiàn)象。

4.2 施工對策

通過4.1節(jié)施工難題誘因分析可知，引起該區(qū)域施工故障的主要原因是由疊摞狀巖石復(fù)雜地層所致，且富含裂隙海水，該地層表現(xiàn)出明顯的局部極硬而多裂隙的破碎帶特征。解決問題的關(guān)鍵在于改變該種地層的松散特征，避免疊摞狀巖石在裂隙處破碎形成大塊巖渣，因此考慮采用注漿方式，填補疊摞狀巖石之間的裂隙，使得該松散地層粘結(jié)為一個較為完整的巖石地層。

為了能有效固定并粘結(jié)住疊摞狀巖石地層，海域段從海面采用袖閥管進行注漿。海域段砂層袖閥管注漿時先周邊實施雙液漿約束，再進行水泥漿注漿以保證注漿效果。注漿采用袖閥管注漿工藝，水泥漿單液漿注入(水灰比0.8～1)，孔間距為(0.8×0.8)m，梅花形布置。水深9～15 m，覆土20 m，加固縱向長度91 m，注漿加固范圍為隧道頂部以上5 m至疊摞狀巖石地層以下0.5 m。注漿完成后，對注漿區(qū)域抽芯檢測，比例1%，無側(cè)限抗壓強度不小于0.8 MPa。海上總計注漿隧道軸向長度為91 m。

由于該地層區(qū)域巖石強度較大，為了減少刀具損耗，對滾刀結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計。新改進的滾刀刀刃寬度由22 mm增加到27 mm；刀圈根部厚度由23 mm增加至27 mm；刀圈刃部厚度由76 mm增加到80 mm，極大提升了滾刀的結(jié)構(gòu)強度。同時為了提升滾刀的抗沖擊性能，刀圈硬度由原來的56～58 HRC降低到54～56 HRC。

4.3 改進后掘進效果

通過海上注漿以及刀具重新設(shè)計后，盾構(gòu)正?；謴?fù)掘進，刀盤推力恢復(fù)至21 000～22 000 kN之間，達到正常掘進水平，且刀盤推力波動幅度較小，遠小于未注漿時的刀盤推力波動幅度；刀盤掘進速度維持在2～4 mm/min，其波動幅度也顯著降低。說明采用海上注漿工藝后，有效粘結(jié)了松散的疊摞狀巖石地層。改進后刀具整體以正常磨損失效為主，刀具損耗量下降45%，同時不再出現(xiàn)卡死刀盤以及堵塞環(huán)流系統(tǒng)輸送現(xiàn)象，盾構(gòu)基本穩(wěn)定順利掘進，驗證了海面注漿以及刀具重新設(shè)計改造的合理性。右線盾構(gòu)隧道于2019年1月實現(xiàn)貫通。

5 總結(jié)

針對廈門2號線一期工程中盾構(gòu)越海段施工難題，分析了盾構(gòu)穿越破碎帶過程中的施工具體難題，確定了難題的根源在于局部極硬而多裂隙的破碎帶復(fù)雜地層。為此創(chuàng)新提出了海面注漿施工方法，并對刀具結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，有效解決了盾構(gòu)海底穿越破碎帶復(fù)雜地層的難題，使得盾構(gòu)順利掘進，節(jié)省了施工周期和施工成本。