吳敏敏 劉先行

1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100036

隧道盾構(gòu)法施工在我國(guó)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別在城市地鐵建設(shè)中。較之均質(zhì)地層，盾構(gòu)機(jī)在混合層中掘進(jìn)，更易出現(xiàn)刀盤(pán)擁堵、刀具磨損、地層沉降、掘進(jìn)效率低下等問(wèn)題［1-5］，更需對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型、泥漿配比、操作方法、施工參數(shù)等進(jìn)行研究，以適應(yīng)工程實(shí)際情況。本文以新加坡地鐵湯東線T217 標(biāo)段盾構(gòu)隧道在不同風(fēng)化程度花崗巖地層中的掘進(jìn)施工為例，介紹了復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

該工程項(xiàng)目位于新加坡市中心最繁華地段，周?chē)型饨徊亢投鄠€(gè)國(guó)家駐新加坡大使館。主要工程包括一個(gè)地下車(chē)站，兩條長(zhǎng)約750 m 的地鐵隧道以及聯(lián)絡(luò)通道、逃生井等。地下車(chē)站位于納比雅路—克倫尼路交叉口，盾構(gòu)隧道下穿東陵區(qū)居民區(qū)，施工過(guò)程中安全、環(huán)保、噪聲、地面沉降等要求嚴(yán)格。

地鐵隧道始發(fā)時(shí)為上下重疊式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗狡叫惺降诌_(dá)下一車(chē)站。下層隧道稱(chēng)為北向隧道，上層隧道稱(chēng)為南向隧道。

隧道穿越地層巖性為花崗巖。根據(jù)新加坡規(guī)范SS CP4：2003《基礎(chǔ)工程實(shí)施準(zhǔn)則》，隧址區(qū)花崗巖按風(fēng)化程度可分為新鮮或弱風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、高度風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖和殘積土六個(gè)等級(jí)。其中全風(fēng)化花崗巖仍存留原巖結(jié)構(gòu)，而殘積土中原巖結(jié)構(gòu)完全破壞。地質(zhì)勘查資料顯示，北向隧道約40%長(zhǎng)度穿越全～中等風(fēng)化花崗巖混合層，38%為全斷面中等風(fēng)化花崗巖層，其余為全斷面全風(fēng)化花崗巖層；南向隧道約10%長(zhǎng)度為全～中等風(fēng)化花崗巖混合層，其余為全斷面全風(fēng)化花崗巖層。巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。其中：新鮮或弱風(fēng)化花崗巖與微風(fēng)化花崗巖采用相同的參數(shù)；括號(hào)內(nèi)是限制值，當(dāng)5 倍標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大于120時(shí)，不排水剪切強(qiáng)度只能取120 kPa。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

因工程位于熱帶地區(qū)，降水豐沛，地下水位變化大，編制施工方案時(shí)地下水位按地面高程考慮。

2 隧道施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)控制

在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中澳大利亞大使館、外交部等11 座建筑（圖1）會(huì)受到較大影響，需逐一進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并制定相應(yīng)的控制措施。

圖1 受盾構(gòu)隧道掘進(jìn)影響的建筑

受影響建筑物基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。淺基礎(chǔ)建筑對(duì)不均勻沉降敏感，遭受不均勻沉降時(shí)易發(fā)生墻體開(kāi)裂；樁基礎(chǔ)建筑則必須在掘進(jìn)前確認(rèn)樁尖距擬施工隧道頂部的凈空距離，評(píng)估切樁的可能性。

表2 建筑物基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)情況

3 盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件［6］，對(duì)國(guó)內(nèi)外廠家設(shè)備進(jìn)行比選，最終采用德國(guó)海瑞克的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)S930和離心式泥水分離系統(tǒng)。

3.1 刀盤(pán)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)資料［7］，花崗巖的抗壓強(qiáng)度達(dá)到241 MPa，且極端情況下抗壓強(qiáng)度可能達(dá)到400 MPa。刀盤(pán)直徑6.7 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。北向隧道以穿越中等風(fēng)化花崗巖為主，考慮盾構(gòu)機(jī)切割全斷面巖石的能力，刀盤(pán)上多配滾刀，減少刮刀數(shù)量；采用滾刀46 把（含邊刀2 把），刮刀48 把；開(kāi)孔率26%。南向隧道則以穿越全風(fēng)化花崗巖為主，兼顧刀盤(pán)切割能力和掘進(jìn)效率，刀盤(pán)上適當(dāng)減少滾刀，增加刮刀；采用滾刀40把（含邊刀2 把），刮刀56 把；開(kāi)孔率35%。滾刀直徑457 mm，刀刃厚19 mm；滾刀間距多刀型為90 mm，單刀型為80～85 mm。

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足各種巖土斷面掘進(jìn)需要，主驅(qū)動(dòng)采用9 臺(tái)功率160 kW 變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，安裝功率1 440 kW，最大推進(jìn)力48 657 kN。主軸承直徑3 m，額定扭矩4 769 kN·m，最大扭矩6 200 kN·m，脫困扭矩6 677 kN·m。

3.2 泥水艙壓力平衡系統(tǒng)

隧道穿越不同風(fēng)化程度地層，地表建筑物林立，為防止盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖面土體流失嚴(yán)重引起地表沉降，S930 復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)采用氣壓艙和泥水艙相結(jié)合的雙艙模式，兩艙底部通過(guò)泥漿連通，解決了單艙泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中泥水艙經(jīng)常遇到的壓力突升或突降問(wèn)題。

泥水艙壓力參考值由地下水壓力、靜土壓力和動(dòng)土壓力綜合判定［8］。為了確保泥水艙壓力平衡系統(tǒng)的靈敏性，S930復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)采用Samson壓力調(diào)節(jié)器與繩式液位傳感器相結(jié)合的方式。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，一旦氣壓艙壓力值與參考值發(fā)生偏差，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器差分控制系統(tǒng)控制進(jìn)氣閥或排氣閥，維持設(shè)定的壓力值。同時(shí)由液位傳感器監(jiān)測(cè)泥漿液位的升降變化，通過(guò)控制進(jìn)泥泵或排泥泵的轉(zhuǎn)速，使氣壓艙內(nèi)泥漿液位恢復(fù)到盾構(gòu)軸線附近位置。

3.3 泥漿輸出監(jiān)控系統(tǒng)

泥水盾構(gòu)機(jī)的工作原理是利用加壓泥漿確保開(kāi)挖面穩(wěn)定，同時(shí)泥漿將開(kāi)挖的渣土攪拌混合后形成泥水，經(jīng)排泥管輸送到地面的泥水分離設(shè)備進(jìn)行處理，然后通過(guò)進(jìn)漿泵輸送至泥水艙。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)開(kāi)挖土方。理論干土重量Md為

式中：D為刀盤(pán)直徑，m；ΔL為凈進(jìn)尺，m；ω為開(kāi)挖土體的含水率，%；ρs為開(kāi)挖土體的密度，t∕m3。

實(shí)際干土重量Ma為

式中：t1、t2分別為盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間，s；Qout、Qin分別為泥漿排出、泵入速率，m3∕s；ρout、ρin分別為排出、泵入泥漿密度，t∕m3；ΔVc為氣壓艙泥漿容積變化量，m3。

通過(guò)泥漿輸出監(jiān)控系統(tǒng)記錄盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)實(shí)際出渣量，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和可視化界面，對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中出渣的異常情況及時(shí)預(yù)警。本項(xiàng)目按實(shí)際干土重量達(dá)理論值的1.15倍設(shè)置預(yù)警值。

3.4 泥水分離系統(tǒng)

海瑞克離心機(jī)式泥水分離系統(tǒng)的功率為1 200 m3∕h，保證盾構(gòu)機(jī)最大日進(jìn)尺16～20 m。其具有三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：①多級(jí)分離，篩分顆粒粒徑分別為12.0 mm、3.1 mm、180 μm、35 μm。②自動(dòng)化程度高，通過(guò)可視化控制平臺(tái)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)漿泵和排漿泵工作狀態(tài)、泥漿濃度等關(guān)鍵指標(biāo)適時(shí)控制，與盾構(gòu)機(jī)操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，保障了盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行安全。③集裝箱式設(shè)計(jì)，節(jié)省空間。噪聲在50 dB 以下，可在城市居民區(qū)24 h運(yùn)行。

3.5 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備主要有碎石機(jī)、管片拼裝機(jī)、安全艙、材料設(shè)備艙等。

4 泥漿關(guān)鍵性能指標(biāo)

北向隧道盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到P90環(huán)時(shí)不同風(fēng)化程度地層頻繁交替變化。為指導(dǎo)泥漿制備與調(diào)整，施工前針對(duì)可能遇到的各種工況設(shè)計(jì)了5 組泥漿關(guān)鍵性能指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3 不同工況下泥漿關(guān)鍵性能指標(biāo)

5 施工情況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

5.1 施工情況

盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)通過(guò)泥漿循環(huán)維持泥水艙壓力的動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)根據(jù)地層情況確定合理的推進(jìn)力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，使盾構(gòu)機(jī)保持合適的掘進(jìn)速度和工作狀態(tài)，避免超挖和地表沉降。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入全斷面中等風(fēng)化花崗巖層時(shí)，推進(jìn)力保持在25～27 MN，刀盤(pán)平均轉(zhuǎn)速在2.8～2.9 r∕min；進(jìn)入全斷面全風(fēng)化花崗巖層時(shí)，推進(jìn)力保持在 24 MN 左右，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為 2.3 r∕min；進(jìn)入全～中等風(fēng)化花崗巖混合層時(shí)，推進(jìn)力保持在24～26 MN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在2.6～2.8 r∕min。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在混合層中掘進(jìn)時(shí)若推進(jìn)力超過(guò)30 MN，刀盤(pán)中心區(qū)域的刀具磨損非常嚴(yán)重，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小推進(jìn)力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。

每環(huán)掘進(jìn)凈用時(shí)見(jiàn)圖3。計(jì)算可得：P90—P225環(huán)管片平均每環(huán)掘進(jìn)凈用時(shí)102.4 min。全斷面中等風(fēng)化花崗巖層（P119—P143 環(huán)、P198—P225 環(huán)）中掘進(jìn)凈用時(shí)最高，全～中等風(fēng)化花崗巖混合層（P90—P118環(huán)、P144—P154 環(huán)、P167—P197 環(huán)）中掘進(jìn)凈用時(shí)與在全斷面全風(fēng)化花崗巖層（P155—P166 環(huán)）中相當(dāng)。在混合層中掘進(jìn)效率正常，刀具磨損也基本可控，只有在P186—P197環(huán)因?yàn)閹r石強(qiáng)度過(guò)高，推進(jìn)力設(shè)置偏大，刀具磨損嚴(yán)重，不得不放慢掘進(jìn)速度，安排了兩次停機(jī)檢修，更換部分刀具。

圖3 P90—P225環(huán)掘進(jìn)凈用時(shí)統(tǒng)計(jì)

5.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在隧道沿線、建筑物周?chē)贾脺y(cè)點(diǎn)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)前對(duì)地下水位、地表沉降、地表建筑和市政設(shè)施的變形進(jìn)行觀測(cè)。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中掌子面前后30 m 范圍內(nèi)觀測(cè)頻率為 2 次∕d，其余為 1次∕d。

地下水位快速下降會(huì)引起地表沉降和建筑物破壞。兩次連續(xù)觀測(cè)的地下水位下降超過(guò)1.0 m 時(shí)，由業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工方共同商討，研究決定是否采取工程措施，如啟用回灌井等。隧道掘進(jìn)結(jié)束后，地面最大沉降出現(xiàn)在P170環(huán)（外交部和舍伍德路公寓之間），其值為7 mm。參照Peck 公式［9-10］算得地層損失率約1.01%，滿(mǎn)足小于2.00%的設(shè)計(jì)要求。地表建筑物未出現(xiàn)開(kāi)裂、傾斜。

6 結(jié)語(yǔ)

以新加坡地鐵湯東線T217項(xiàng)目為例，從盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)、泥漿關(guān)鍵性能指標(biāo)控制、施工情況、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面，介紹了不同風(fēng)化程度花崗巖地層中地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)。

通過(guò)精心策劃和組織，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中順利通過(guò)了混合層區(qū)段，未發(fā)生超挖現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示地表最大沉降7 mm，地表建筑物未出現(xiàn)開(kāi)裂、傾斜，達(dá)到了工程目標(biāo)。