牛紫龍

(汕頭市蘇埃通道建設(shè)投資發(fā)展有限公司,廣東 汕頭 515000)

0 引言

盾構(gòu)具有施工效率高、安全性好、對環(huán)境影響小的特點(diǎn)，在地下空間開發(fā)中充當(dāng)重要角色[1]。超大直徑盾構(gòu)隧道因具有綜合利用地下空間資源的優(yōu)勢，已成為城市交通隧道建設(shè)的首選[2]。蘇埃通道工程采用15m級泥水盾構(gòu)，要在基巖、孤石、淺覆軟土地層掘進(jìn)，為難度極高的海域復(fù)雜地層下的盾構(gòu)法施工。因此，有必要對超大直徑泥水盾構(gòu)在海域復(fù)雜地層應(yīng)用的疑難問題開展研究。

地質(zhì)條件和盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性極大影響工程質(zhì)量和進(jìn)度，地質(zhì)條件決定使用的盾構(gòu)設(shè)備，由于跨海隧道工程水文地質(zhì)情況復(fù)雜且不確定性較強(qiáng)，盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性分析尤為重要[3]。大直徑盾構(gòu)開挖斷面更易出現(xiàn)地層復(fù)合的情況，可能伴有硬巖、卵石等，給掘進(jìn)造成很大困難，大直徑盾構(gòu)在適應(yīng)性設(shè)計上難度更高[4]。李波等[5]針對超大直徑泥水盾構(gòu)提出引入常壓換刀裝置提升換刀效率，利用中心沖刷系統(tǒng)抑制泥餅。楊書江[6]針對廈門軌道交通1號線工程復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工難題，指出適應(yīng)地質(zhì)條件的盾構(gòu)選型是工程建設(shè)的關(guān)鍵，合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和輔助工法是工程建設(shè)的保證。上述研究對大直徑盾構(gòu)的選型設(shè)計、應(yīng)用具有很強(qiáng)的借鑒意義，然而對于現(xiàn)階段在復(fù)雜海域環(huán)境應(yīng)用的國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)尚有一些問題需要探索。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

本文根據(jù)蘇埃通道水文地質(zhì)特點(diǎn)，分析了工程重難點(diǎn)，提出盾構(gòu)在刀具有效破巖、刀盤耐磨防護(hù)、刀具監(jiān)測及更換、沖刷系統(tǒng)方面進(jìn)行針對性設(shè)計以提升裝備地質(zhì)適應(yīng)性。實(shí)際施工中在基巖、孤石方面使用預(yù)處理與盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)合的方法；淺覆軟土地層通過加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)控制、管片上浮控制、泥餅防范處理、刀具管理4個方面保證順利施工；對直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)的易損、故障突出的部位進(jìn)行改造提升，減少盾構(gòu)故障停機(jī)時間，提升施工效率。通過上述針對性措施，目前東線盾構(gòu)已掘進(jìn)900環(huán)，作為典型的超大直徑泥水盾構(gòu)海域復(fù)雜地層應(yīng)用取得了一定成效，可為未來類似工程的實(shí)施提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

汕頭蘇埃通道工程全長6.68km，隧道長5.30km，為雙管單層雙向6車道，其中盾構(gòu)段3.05km。東線采用海瑞克S1046盾構(gòu)(直徑15.01m)從南岸圍堰位置始發(fā)井向北岸接收井掘進(jìn)完成盾構(gòu)段施工。隧道設(shè)計外徑14.5m，管片內(nèi)徑13.3m，環(huán)寬2.0m，混凝土強(qiáng)度等級C60，抗?jié)B等級P12，采用通用楔形環(huán)管片錯縫拼裝，內(nèi)設(shè)安全通道、應(yīng)急通道、電纜管廊、管溝及煙道。

1.1 工程與水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)段穿越的地層為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、粉細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、粉質(zhì)黏土和微、中、全風(fēng)化花崗巖等，其中不良地質(zhì)有基巖、花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石)、砂土(易液化)、軟土(會震陷)。基巖主要位于盾構(gòu)始發(fā)段和主航道下方，其中主航道下方3處計182m基巖尤其值得注意，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為55%～78%，頂層高程-34.720～-27.460m，層底未揭穿，揭露厚度1.10～9.00m，始發(fā)段巖石樣品單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)134MPa。孤石地層在華南地區(qū)普遍存在，為巖石風(fēng)化、水流沖擊形成，因其分布離散、空間特性不規(guī)律，受地勘鉆孔間距影響探明效果不佳。工程線位所處的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，典型地層的巖土力學(xué)參數(shù)如表1，2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

隧道底部位于海平面平均潮水位以下23.2～35.8m，最大水壓力可達(dá)0.4MPa。在地層滲透性方面，中粗砂、礫砂地層為中密～密實(shí)，滲透性較強(qiáng)，滲透系數(shù)為7.85～21.5m/d；粉細(xì)砂呈松散～稍密狀，滲透系數(shù)為2.03～4.46m/d，其他地層滲透系數(shù)相對較小，在0.06m/d以下。隧道覆土層與隧道洞徑比<2，屬于典型的淺埋隧道。

1.2 施工重難點(diǎn)

1)基巖、孤石地層掘進(jìn)

盾構(gòu)遭遇孤石，軟土刀具頻繁損壞，扭矩波動頻率高且幅度大，對刀盤危害大，盾構(gòu)甚至被迫停機(jī)，需要人工進(jìn)倉打撈孤石，增加了項(xiàng)目成本和施工風(fēng)險，并導(dǎo)致工期不可控[7]?；鶐r起伏地層掘進(jìn)，屬于典型的上軟下硬，盾構(gòu)姿態(tài)控制困難，容易出現(xiàn)超差，對周圍土層擾動較均質(zhì)地層大，可能會對地表環(huán)境造成影響；基巖掘進(jìn)推力、扭矩增大，刀盤呈現(xiàn)出偏載，后方管片容易出現(xiàn)錯臺、裂縫等；除了刀具正常磨損加快外，滾刀崩刃等非正常損壞加劇，基巖比例越大對刀具壽命越不利，導(dǎo)致盾構(gòu)頻繁換刀[8]。

2)淺覆軟土地層施工

在支護(hù)壓力參數(shù)上泥水壓力要大于靜水壓力以形成泥膜，對淺埋隧道防止壓力過大引發(fā)泥水劈裂，泥水壓力的控制尤為重要[9]。掘進(jìn)速度要適中，密切關(guān)注扭矩參數(shù)，防止突然遭遇基巖、孤石而不能及時處置。管片上浮關(guān)系型成型管片質(zhì)量，盾構(gòu)施工中由于地下水豐富、地層復(fù)雜、盾構(gòu)掘進(jìn)工藝等原因，造成管片上浮引起管片嚴(yán)重錯臺、破損、滲漏水、侵入限界等施工問題突出[10]。在粉細(xì)砂、中、粗砂地層中石英含量高加劇了刀具的磨損速率，粉質(zhì)黏土、淤泥地層中刀盤結(jié)泥餅風(fēng)險凸顯。刀盤易結(jié)泥餅和刀具易磨損是最難解決的兩大問題，必須采取一定的措施減少其對軟土地層施工的影響。

2 盾構(gòu)裝備適應(yīng)性

通過地勘資料結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，在基巖、孤石中盾構(gòu)掘進(jìn)效率低，刀具非正常磨損及損壞問題突出；淺埋隧道掌子面容易失穩(wěn)、存在泥餅風(fēng)險等問題。為提高裝備的適應(yīng)性(見圖1)，在盾構(gòu)設(shè)計階段提出了如下措施。

圖1 盾構(gòu)刀盤和主機(jī)結(jié)構(gòu)

1)為便于富水軟弱地層刀具更換，提出盾構(gòu)采用常壓刀盤設(shè)計的方案，在刀筒中安裝滾刀，為兼顧基巖和軟土地層施工需求，要求常壓滾刀和撕裂刀具有互換性，便于進(jìn)行刀具的動態(tài)管理。

2)對部分區(qū)域因常壓換刀裝置掣肘必須使用120mm刀間距，為保證該設(shè)計下滾刀在基巖段能有效破巖，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證可行的基礎(chǔ)上再應(yīng)用，保證刀盤刀具設(shè)計的質(zhì)量。

3)針對基巖段CAI值高達(dá)3.84、粉細(xì)砂SiO2含量超40%、中粗砂SiO2含量達(dá)60%的情況，刀盤面板及刀具施工時磨損速率將很大，增加耐磨防護(hù)的范圍及耐磨板的厚度，局部位置增加耐磨合金保護(hù)塊，要配置磨損監(jiān)測裝置，便于刀具磨損監(jiān)測和管理。

4)加強(qiáng)沖刷系統(tǒng)設(shè)計，保證沖刷范圍，尤其對易結(jié)泥餅區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大流量、高壓沖刷，避免特定地層泥餅問題影響掘進(jìn)。

3 施工技術(shù)措施及設(shè)備提升

3.1 基巖、孤石地層施工

盾構(gòu)始發(fā)端頭段以②1淤泥、②2淤泥質(zhì)土、③1粉質(zhì)黏土、②5中粗砂、⑥2-1全風(fēng)化花崗巖為主；隧道底部為⑥2-1全風(fēng)化花崗巖、⑥3中風(fēng)化花崗巖，局部地層伴有孤石。始發(fā)地層屬于上軟下硬掘進(jìn)，加之孤石散布，盾構(gòu)始發(fā)施工難度大，基巖經(jīng)爆破處理達(dá)到不同程度破碎后盾構(gòu)能發(fā)揮較好的掘進(jìn)效能[11]。對陸域基巖、孤石段采取先預(yù)處理后掘進(jìn)的施工方法，以密鉆孔、爆破讓巖石破碎，再采用盾構(gòu)施工掘進(jìn)。

1)地質(zhì)補(bǔ)勘探明 為準(zhǔn)確探明基巖、孤石在隧道范圍內(nèi)的分布情況，采用加密地質(zhì)鉆孔的方法進(jìn)行補(bǔ)勘。補(bǔ)勘累計鉆1 612孔，其中入巖964孔，發(fā)現(xiàn)孤石86處，基巖侵入隧道最大深度7.32m，掌握了基巖、孤石在加固區(qū)、回填區(qū)及拋石區(qū)的分布規(guī)律。

2)加固區(qū)地層注漿 加固區(qū)內(nèi)直接爆破對地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)擾動較大，用密鉆孔破巖，通過注漿方法提高孤石與地層之間的接觸力。鉆孔間距1.5m×1.5m，注漿范圍為孤石頂面以上2m至原設(shè)計三軸樁底標(biāo)高，注漿壓力為1.0MPa。

3)加固區(qū)密鉆孔處理 結(jié)合補(bǔ)勘確定的孤石范圍和深度，按250mm×250mm梅花形布孔，利用φ150mm潛孔鉆機(jī)鉆孔，鉆孔深度控制在隧道輪廓底部1.0m，成孔后水泥砂漿回填，以免始發(fā)時地層漏氣，盾構(gòu)保壓效果差。

4)回填區(qū)、拋石區(qū)爆破處理 結(jié)合補(bǔ)勘探明情況，從地面采用地質(zhì)鉆垂直打孔，爆破參數(shù)按炮孔超深1.0m，孔距、排距1.0m(孤石厚度<5m)，孔距、排距0.8m(孤石厚度>5m)，按照微差爆破要求控制好破碎碴塊體量可保證盾構(gòu)正常掘進(jìn)。爆后孤石粒徑<30cm，爆破后取芯可見效果很好。實(shí)施過程中加強(qiáng)爆破振動監(jiān)測，及時調(diào)整爆破參數(shù)，保證基坑安全，爆后采用袖閥管注漿對爆破區(qū)域進(jìn)行加固處理，注漿范圍為隧道橫斷面方向沿隧道邊緣各外放1.0m，隧道縱斷面方向沿爆破孤石(基巖突起)空孔外放2.0m。洞身基巖爆破范圍及隧洞頂部6.0m范圍采用劈裂注漿，隧洞頂部6.0m至地面采用壓密注漿。

盾構(gòu)在基巖、孤石段按照“慢為先，慎掘進(jìn)，勤觀測”來指導(dǎo)施工，控制刀盤轉(zhuǎn)速≤0.6r/min，掘進(jìn)速度≤5mm/min，正常掘進(jìn)推力、扭矩在一定范圍內(nèi)波動，通過試掘進(jìn)可確定范圍，掘進(jìn)異常時扭矩指標(biāo)更敏感，一旦扭矩超限要及時停機(jī)防止盲目掘進(jìn)，定時空轉(zhuǎn)循環(huán)出渣防止巖塊堵塞。因始發(fā)段鉆孔和爆破時留下的孔洞和裂隙在封堵效果不好時，泥水盾構(gòu)通過時泥漿會通過裂隙冒至地面，掘進(jìn)泥漿環(huán)流控制困難，開挖倉壓力波動大，易造成地表沉降。要密切關(guān)注泥水壓力的情況，加強(qiáng)對地面沉降的觀測?；鶐r、孤石地層刀具磨損和損壞非常嚴(yán)重，除對常壓刀具檢查更換外，選擇合適地層進(jìn)行加固，利用進(jìn)倉對刀具進(jìn)行檢查、修復(fù)受損刀具，對大石塊進(jìn)行人工清理。

3.2 淺埋軟土地層施工

盾構(gòu)在軟土地層掘進(jìn)以減小對地層擾動為目標(biāo)，控制管片上浮、防范泥餅滋生，具體從施工參數(shù)、同步注漿及沖刷系統(tǒng)使用及改造3個方面解決。

1)施工參數(shù)中首先應(yīng)選擇合理的支護(hù)壓力，其次轉(zhuǎn)速控制在1～1.2r/min、掘進(jìn)速度不超35mm/min，要求密切關(guān)注扭矩，防止局部遭遇基巖和孤石而不能及時調(diào)整。泥水壓力設(shè)定可以取為靜水壓力+20kPa，在掘進(jìn)過程中，刀盤前進(jìn)、轉(zhuǎn)動等都會引起泥水倉壓力的變化，加強(qiáng)泥水壓力管理、減小壓力波動。盾構(gòu)掘進(jìn)軟土段參數(shù)如圖2所示。貫入度控制在20～35mm/r，扭矩分布在1 500～3000kN·m，依據(jù)不同地層而變化。實(shí)際掘進(jìn)中也發(fā)生了個別位置遭遇基巖、孤石的情況，將貫入度調(diào)整至5mm/r以下，慢速掘進(jìn)。

圖2 盾構(gòu)軟土段掘進(jìn)參數(shù)

2)為控制管片上浮，掘進(jìn)姿態(tài)控制在-30～-40mm對上浮量進(jìn)行補(bǔ)償，另外通過壁后注漿填充地層間隙，同步注漿漿液質(zhì)量和初凝時間是管片上浮的主要因素。前116環(huán)采用石灰砂漿，注漿壓力比地層壓力高0.1～0.3MPa，填充系數(shù)1.0～1.1，注漿量分配為上部50%，中部30%，下部20%，漿液坍落度110～130mm，提高現(xiàn)場管控水平，嚴(yán)禁私自加水。后期使用石灰砂漿，管片仍存在較大上浮的情況，將石灰砂漿調(diào)整為水泥砂漿，減少漿液初凝時間，使?jié){液盡快固結(jié)管片。必要時可考慮在拖出盾尾2m左右進(jìn)行二次注漿，及時穩(wěn)定管片上浮。通過上述措施，管片上浮量得到控制。

3)在淤泥及粉質(zhì)黏土地層，刀盤結(jié)泥餅概率大，除發(fā)揮現(xiàn)有沖刷系統(tǒng)的功能，另外安裝高壓沖洗裝置進(jìn)行提升。沖刷系統(tǒng)部件包括密封座、驅(qū)動部件、增壓泵、水平注水鉆機(jī)等。在鉆機(jī)鉆頭上安裝有噴嘴，噴嘴的噴口與鉆桿內(nèi)注水通道連通。噴嘴設(shè)計有6種不同角度，通過噴嘴角度與伸出鉆桿長度相互配合，可實(shí)現(xiàn)刀盤50%以上開口的有效沖刷。

高壓沖刷系統(tǒng)工作水壓設(shè)定在35MPa，水流量約330L/min，每個副臂沖洗時間約1h可將泄渣口清洗干凈，沖刷效果較好。目前已將刀盤沖刷系統(tǒng)加入施工工序，每環(huán)掘進(jìn)完成后依次對刀盤1～6號副臂泄渣口進(jìn)行清洗。通過對全斷面淤泥地層掘進(jìn)情況看，盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅的問題不突出，改進(jìn)的沖刷系統(tǒng)能較好應(yīng)對。

4)加強(qiáng)刀具動態(tài)管理?？刂频侗P轉(zhuǎn)速1.0 ～1.2r/min，確定該地層的扭矩波動范圍，一旦大幅超限可能遭遇孤石、基巖，及時降低掘進(jìn)速度。密切關(guān)注滾刀旋轉(zhuǎn)裝置，如果滾刀長期不轉(zhuǎn)說明處于軟土地層，利用停機(jī)時間將1～28號滾刀更換為撕裂刀以便與地層相適應(yīng)。掘進(jìn)中，若中心錐內(nèi)聽到破巖聲或者刀盤外側(cè)配置的撕裂刀損壞嚴(yán)重，說明該區(qū)域存在巖石，將撕裂刀更換為滾刀為宜。此外，在施工中要注意對刀具的抽檢，對磨損的刀具進(jìn)行更換。

3.3 設(shè)備性能提升

1)顎式破碎機(jī)油路改造 破碎機(jī)運(yùn)行中噪聲大，管路被吸癟，內(nèi)部橡膠層斷裂形成裂紋最終造成爆管現(xiàn)象。破碎機(jī)頻繁爆管耽誤施工，分析破碎機(jī)液壓油路特點(diǎn)，判定是油管壓力波動較大，管路受交變載荷，引起管路材料疲勞失效。對液壓管路進(jìn)行改造減少壓力波動，具體措施是：在回油管路增加單向閥及蓄能器(35L)，降低管路內(nèi)壓力的脈動；將所有3.5MPa級別的油管更換為7MPa油管提高耐壓能力，降低破碎機(jī)油管的損壞率。

2)泥漿管路及閥門耐磨性提升 管路磨損是循環(huán)系統(tǒng)的主要問題，為減少管道的更換次數(shù)將泥漿管更換為復(fù)合泥漿管，管道內(nèi)壁涂塑提升了管道的耐磨性；針對彎管處磨損快且凸面磨損量大于凹面磨損量，采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行強(qiáng)化；管路球閥由鑄鐵球閥改為整體式金屬耐磨球閥。此外，通過超聲波測厚儀對關(guān)鍵部位壁厚進(jìn)行測厚檢查并及時補(bǔ)焊加強(qiáng)。

3)增設(shè)切刀保護(hù)塊 對刀盤主梁位置76把普通切刀背后增設(shè)保護(hù)塊，采用25mm高的保護(hù)塊(20mm Q345鋼板+5mm耐磨層)，新增保護(hù)塊形狀與既有保護(hù)座形狀相同，增加保護(hù)塊后，其高度與切刀高度相同。

4 結(jié)語

本文以蘇埃通道泥水盾構(gòu)在海域復(fù)雜地層應(yīng)用為背景，主要針對盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計和部分盾構(gòu)區(qū)間現(xiàn)場應(yīng)用問題的應(yīng)對措施開展研究，得出如下結(jié)論及建議。

1)結(jié)合地質(zhì)詳勘 借鑒類似工程施工經(jīng)驗(yàn)在盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計上提升很有必要。通過刀盤形式、刀具配置、耐磨防護(hù)、沖刷系統(tǒng)等優(yōu)化可將部分問題消除或一定程度抑制。此外，對一些設(shè)備(碎石機(jī)、吊機(jī)等)要重視甚至備份設(shè)計，減少其故障對盾構(gòu)施工的影響。

2)對于基巖、孤石地層施工，條件允許情況下要進(jìn)行爆破、密鉆孔等預(yù)處理，預(yù)處理過程巖石達(dá)到期望破碎程度有利于提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。在直接掘進(jìn)基巖、孤石地層要慢速掘進(jìn)，密切注意盾構(gòu)參數(shù)，軟土刀具遭遇孤石容易受損。

3)在軟土地層掘進(jìn)速度不宜過快，通過注漿來控制管片上浮，借助沖刷系統(tǒng)防范泥餅滋生，利用刀具互換性及時將滾刀更換為軟土刀具，通過上述措施管片上浮得到有效控制，刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象不突出，盾構(gòu)獲得較高的掘進(jìn)效率。

本文僅從盾構(gòu)裝備應(yīng)用角度提出若干適應(yīng)性設(shè)計、施工針對性措施，在陸域基巖、孤石地層預(yù)處理情況下刀具仍然頻繁損壞，掘進(jìn)效率不高，有待進(jìn)一步研究軟土刀具與孤石作用載荷、破壞過程、有效防護(hù)措施；此外借助掘進(jìn)參數(shù)變化的基巖、孤石地層判別算法研究也是值得探索的領(lǐng)域。