鄧選滔，李甫福

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣州 510000；2.廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利工程建設(shè)也邁上了新臺階，盾構(gòu)法因其先進(jìn)性已普遍應(yīng)用于水利工程建設(shè)領(lǐng)域，本文通過對珠江三角洲水資源配置工程土建施工B2標(biāo)地質(zhì)水文條件分析，整理了該標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)選型情況，全面總結(jié)其應(yīng)用效果，相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可為類似復(fù)雜環(huán)境的水利工程盾構(gòu)選型提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程土建施工B2標(biāo)，其施工任務(wù)為新建GZ16#、GZ17#、GZ18#、GZ32#、GZ33#5個(gè)工作井、1條盾構(gòu)輸水干線及1條盾構(gòu)輸水支線。輸水干線外徑為8.3 m，長度為8.243 km，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)；南沙支線外徑為4.1 m，長度為7.244 km，采用鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。線路下穿西瀝水道、騮崗水道、地鐵4號線、地鐵18號線、南沙港快速、京港澳高速等重點(diǎn)地段(見圖1所示)。

圖1 土建施工B2標(biāo)工程示意

1.2 線路情況

1.2.1線路平面設(shè)計(jì)

在平面上，盾構(gòu)區(qū)間總體線路線型基本是以直線為主，最小平面曲線半徑R=350 m。

1.2.2線路縱剖面設(shè)計(jì)

隧洞埋深變化大，線路起伏，坡度大，干線隧洞埋深為28.3～54.2 m，存在上坡與下坡，最大坡度為30.1‰。支線隧洞埋深為25.5～56.4 m，存在上坡與下坡，最大坡度為28.4‰。

1.3 管片設(shè)計(jì)簡介

盾構(gòu)管片采用C55鋼筋混凝土預(yù)制，抗?jié)B等級為W12，控制裂縫寬度≤0.2 mm。輸水干線管片外徑均為8 300 mm，內(nèi)徑為7 500 mm，厚為400 mm，環(huán)寬為1 600 mm，楔形量為46 mm，采用“4+2+1”分塊模式，錯(cuò)縫拼裝方式。南沙支線管片外徑為4 100 mm，內(nèi)徑3 500 mm，襯砌管片厚為300 mm，襯砌環(huán)寬為1 200 mm；管片為雙面楔形通用環(huán)，楔形量為46 mm，采用“3+2+1”分塊模式，錯(cuò)縫拼裝方式。

1.4 工程地質(zhì)、水文情況描述

1.4.1工程地質(zhì)

隧洞區(qū)間地層統(tǒng)計(jì)見圖2～圖4所示，所掘進(jìn)的地層包含淤泥、砂等第四系覆蓋軟弱地層及高強(qiáng)度巖層，另外還需穿越多條區(qū)域性斷層，地下水豐富，地質(zhì)情況復(fù)雜。

圖2 GS01#～GS02#區(qū)間地層統(tǒng)計(jì)示意

圖3 GS02#～GS03#區(qū)間地層統(tǒng)計(jì)示意

圖4 GS03#～GS04#區(qū)間地層統(tǒng)計(jì)示意

1.4.2水文地質(zhì)條件

地下水類型以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補(bǔ)排，雨季主要以大氣降水和河流、渠道補(bǔ)給地下水，枯水季地下水補(bǔ)向河流，勘察期間沿線地下水位普遍埋深較淺，為0.5～3 m，揭露高程約0～2 m，受潮汐影響較大。局部丘陵地帶以基巖裂隙水為主，地下水主要受大氣降雨補(bǔ)給，向溝谷排泄，地下水位隨地形變化，一般埋深為2.0～5.0 m，大多在強(qiáng)風(fēng)化底部～弱風(fēng)化帶頂部。

根據(jù)鉆孔揭露，②-3淤質(zhì)粉細(xì)砂層、②-5細(xì)砂、泥質(zhì)細(xì)砂層、②-6中粗砂、礫砂層、②-7砂卵石層以及③-3細(xì)砂、泥質(zhì)細(xì)砂層、③-4礫砂層、③-5砂卵石層等為主要含水層。其中②-6、②-7、③-4、③-5層含水較豐富。

②-1層、②-2層、②-4層、③-1層、③-2和全風(fēng)化帶滲透性微～極微，為相對隔水層，砂層含水量豐富，中～強(qiáng)滲透性，具微承壓～承壓。

強(qiáng)風(fēng)化砂巖、含礫砂巖、礫巖、花崗巖透水性較強(qiáng)，為中～強(qiáng)透水層；強(qiáng)風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖具中～弱透水性；弱風(fēng)化巖一般透水性較弱，為弱透水層；斷層以張性為主，斷層帶較破碎，富水及滲透性較好，阻水?dāng)鄬由僖姟?/p>

2 盾構(gòu)機(jī)選型及實(shí)施效果

2.1 盾構(gòu)機(jī)模式選擇

結(jié)合地層特點(diǎn)，原計(jì)劃盾構(gòu)機(jī)選型見表1。經(jīng)各參建單位多次論證，認(rèn)為本工程埋深大、地下水豐富，土壓盾構(gòu)存在保壓不穩(wěn)定、容易超挖、螺旋機(jī)容易噴涌等問題，不適應(yīng)本工程，決定變更為泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

表1 盾構(gòu)機(jī)選型原計(jì)劃

2.2 刀盤針對性選型

2.2.1需解決的問題

隧洞區(qū)間地質(zhì)條件以富水砂層、中、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，兼顧華南地區(qū)其它地質(zhì)條件，刀盤選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：① 如何防止刀盤中心區(qū)域及土倉產(chǎn)生泥餅，保證渣土的流塑性；② 如何提高刀具在較高強(qiáng)度巖層中的破巖問題；③ 刀盤外圈梁在巖層掘進(jìn)的耐磨問題；④ 刀盤在軟硬不均地帶掘進(jìn)的異常損壞問題。

2.2.2針對性選型

為了應(yīng)對上述問題，刀盤針對性選型及應(yīng)用效果見表2所示。

表2 刀盤針對性選型及就應(yīng)用效果

2.3 盾體針對性選型

2.3.1需解決的問題

根據(jù)工程地質(zhì)情況，盾體選型時(shí)需要考慮以下幾個(gè)問題：① 盾體的結(jié)構(gòu)剛度滿足實(shí)際工程需要；② 盾體設(shè)計(jì)滿足超前地質(zhì)加固情況的預(yù)留接口；③ 盾尾周向具有多通道的注漿和注脂通道；④ 盾體密封系統(tǒng)可承受較大的壓力范圍。

2.3.2針對性選型

為了應(yīng)對上述問題，盾體針對性選型及應(yīng)用效果見表3所示。

表3 盾體針對性選型及應(yīng)用效果

2.4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)選型

2.4.1需解決的問題

根據(jù)工程地質(zhì)情況，泥水循環(huán)系統(tǒng)需重點(diǎn)考慮以下問題：① 粘性地層刀盤泥餅和滯排問題；② 管路延伸文明施工問題；③ 長距離掘進(jìn)管路磨損的問題。

2.4.2針對性選型

為了應(yīng)對上述問題，泥漿循環(huán)系統(tǒng)針對性選型及應(yīng)用效果見表4所示。

表4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)針對性選型及應(yīng)用效果

3 存在的不足

3.1 個(gè)別區(qū)間刀盤開口率選型弊端

工程在盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)，為了確保盾構(gòu)渣料順利進(jìn)入土倉，刀盤開口率設(shè)置較大，干線盾構(gòu)開口率為35%，支線盾構(gòu)開口率為38%。雖然未出現(xiàn)刀盤面結(jié)泥餅現(xiàn)象，適應(yīng)了大部分區(qū)域，但少部分區(qū)域?yàn)槠扑閹?，掌子面巖層裂隙較發(fā)育，過大的刀盤開口使大塊徑漂石(見圖5部分塊徑超過50 cm)直接進(jìn)入泥水倉，引起渣土滯排、堵塞采石箱、沖擊土倉內(nèi)部件，進(jìn)而多次引起盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。

圖5 引起滯排的大塊徑漂石示意

改進(jìn)建議：進(jìn)一步分析巖層的完整性，有針對性的減小開口率或配置破碎機(jī)減小進(jìn)入土倉的漂石。

3.2 超前注漿作業(yè)空間不足

此情況在4.43 m支線盾構(gòu)中較為明顯，支線盾構(gòu)在3、9點(diǎn)位各布置了1根超前注漿管，用于應(yīng)對掌子面不穩(wěn)定的情況(見圖6)，但通過現(xiàn)場實(shí)踐，該超前注漿孔后方的作業(yè)寬度僅1.2 m，難以滿足鉆機(jī)作業(yè)要求，超前注漿功能失效。

圖6 超前注漿作業(yè)面及注漿孔位示意

改進(jìn)措施：改良拼裝機(jī)構(gòu)造，在需要超前注漿時(shí)可主動騰出作業(yè)空間。

3.3 刀具固定措施存在缺陷

部分滾刀采用兩根單頭螺栓固定在刀座上，在巖層中掘進(jìn)時(shí)，刀具重復(fù)收到?jīng)_擊，螺栓容易松動，引起壓塊掉落，進(jìn)而引起刀具失效。

改進(jìn)措施：在兩根螺栓中間焊接一根鋼條或改良壓塊構(gòu)造為螺栓設(shè)置專用槽口，防止螺栓松動。

3.4 出渣未實(shí)現(xiàn)量化

泥水盾構(gòu)機(jī)環(huán)流系統(tǒng)只能讀出進(jìn)漿、排漿流量和壓力，無法計(jì)算盾構(gòu)機(jī)出渣量，只能通過在篩分系統(tǒng)目測，誤差較大。

改進(jìn)措施：環(huán)流管上增加壓差式密度計(jì)(見圖7)，通過算法程序可將環(huán)流系統(tǒng)中的含渣量計(jì)算出來并實(shí)時(shí)顯示，有效控制了超挖量。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)已日趨成熟，盾構(gòu)法施工在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越多，基于水利工程較其它行業(yè)存在有特殊性，其隧洞往往更深、地質(zhì)條件更為復(fù)雜。根據(jù)不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境與工期的要求，合理選擇盾構(gòu)機(jī)類型，對保證施工質(zhì)量及地面與地下建(構(gòu))筑物安全和加快施工進(jìn)度是至關(guān)重要。根據(jù)珠江三角洲水資源配置工程土建施工B2標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在大埋深富水地層中優(yōu)勢較為明顯，其中，復(fù)合式刀盤、大流量環(huán)流系統(tǒng)、自動化接管裝置、渣土計(jì)量系統(tǒng)等應(yīng)用較為成功，但刀盤開口率過大、超前注漿系統(tǒng)作業(yè)空間不足、刀具固定選型缺陷、渣土未能量化等也為盾構(gòu)掘進(jìn)帶來較多的困難，類似工程在盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)應(yīng)吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。