高永軍

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014）

1 工程背景

盾構(gòu)施工法是指利用盾構(gòu)機在地下掘進，在護盾的支撐與保護下，安全高效的進行開挖和襯砌管片作業(yè)，從而使隧道一次成型的施工方法。從盾構(gòu)法問世以來，其高效、安全、環(huán)保等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于水利、交通、采礦等各大領域[1]。蕪湖城南過江隧道起于江北規(guī)劃新民路，沿濱江大道南線布置，在長江大堤內(nèi)側(cè)拐向東南方向，穿越長江后，于江南接大工山路，路線全長5.965 km，其中左線盾構(gòu)隧道3 957.77 m，右線盾構(gòu)隧道3 967.4 m，隧道開挖直徑15.07 m，管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，最大轉(zhuǎn)彎半徑為2 000 m，最大坡度為4%。盾構(gòu)機依次需要穿越粉砂、細沙、全風化及強風化粉砂巖、全風化及強風化石英巖、上軟下硬、斷層破碎帶、凝灰角礫巖、粉土、粉質(zhì)粘土等多種復雜地層。根據(jù)該工程施工要求和地層狀況，其右線隧道采用一臺國產(chǎn)泥水平衡式盾構(gòu)機進行掘進，其設計最大掘進速度為50 mm/min，最大推力為222 170 KN，額定扭矩為42 784 KNm，最大工作水土壓力為10 bar，刀盤的設計為開口率30%的復合耐磨常壓式刀盤，配備滾刀、切刀、刮刀等多種刀具，并具備滾齒互換、刀具磨損及旋轉(zhuǎn)自動監(jiān)測功能。為了盾構(gòu)行業(yè)積累寶貴經(jīng)驗，提前制定接下來要面臨的地層變化所需要采取的措施，尋找調(diào)整掘進參數(shù)的合理方法，保證隧道高品質(zhì)、高效率建設，本研究選取該工程項目前期粉砂、細沙層掘進期間的貫入度這一掘進參數(shù)作為研究對象，分析了不同貫入度下其他掘進參數(shù)的變化并對隧道質(zhì)量及隧道施工經(jīng)濟性進行了對比。

2 綜合方案設計

本研究中貫入度指盾構(gòu)機在單位轉(zhuǎn)速內(nèi)刀盤貫入土體的長度，計算公式為：貫入度=掘進速度/刀盤轉(zhuǎn)速[2]。該工程項目右線隧道701～760 環(huán)掘進期間理論設計切口壓力近似，刀盤轉(zhuǎn)速近似，掘進地層以粉砂和細沙為主，因此選取此區(qū)間作為本文的研究對象，在701～720 環(huán)以30 mm/r 的貫入度進行掘進，721～740 環(huán)以25 mm/r 的貫入度進行掘進，741～760環(huán)以20 mm/r 的貫入度進行掘進，以此為基準記錄推力、扭矩等參數(shù)的變化情況，同時仔細觀察在不同貫入度下所成型隧道質(zhì)量的好壞，并對經(jīng)濟成本進行初步計算和分析[3]。701～760 環(huán)地層分布見圖1。

圖1 701～760 環(huán)地層圖

3 數(shù)據(jù)采集與分析

將掘進過程中的各項參數(shù)如刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、總推力、平均推進速度、貫入度、切口壓力進行記錄，見表1，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)進行具體分析。

表1 701～760 環(huán)掘進參數(shù)記錄

3.1 推力及扭矩的分析

計算出樣本數(shù)據(jù)中不同貫入度下推力和扭矩的平均值，見表2。

表2 推力、扭矩平均值記錄

從表2 中可以分析得出以下結(jié)論：貫入度和推力成反比關(guān)系，貫入度和扭矩成正比關(guān)系。按照行業(yè)經(jīng)驗來看，貫入度和推力及扭矩理應都成正比關(guān)系，即貫入度越高，推力及扭矩也會越大。但根據(jù)現(xiàn)場實際情況來看，貫入度和推力成反比，且切口壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進期間的進排漿流量、沖刷流量基本為定值。推測該現(xiàn)象的發(fā)生是地層的因素所導致，飽和粉細砂層的砂粒粒度均勻，孔隙度大，上下巖層多為不透水性，富水性較好[4]。因此，由于貫入度小，掘進速度較慢，砂層包裹性變大而造成推力未降反升。

3.2 隧道質(zhì)量分析

對隧道成型質(zhì)量的分析主要從管片破損情況、滲漏水情況以及管片上浮量等方面進行對比。

3.2.1 管片破損情況

通過對這60 環(huán)管片的持續(xù)觀察，并未發(fā)現(xiàn)任何管片破損或者裂縫等現(xiàn)象，因此大致可以得出結(jié)論，在保證進場管片質(zhì)量及拼裝工藝的前提下，貫入度的高低并不會造成管片的破損。

3.2.2 管片滲漏水情況

通過對這60 環(huán)管片的持續(xù)觀察，不難發(fā)現(xiàn)，在25 mm/r 和20 mm/r 的貫入度下掘進，隧道存在極少數(shù)輕微滲水現(xiàn)象，而在30 mm/r 的貫入度下，管片滲漏水的情況比25 mm/r 和20 mm/r 的貫入度下的管片滲漏水情況相對嚴重一些，不過并未有重大漏水現(xiàn)象。分析其原因有以下幾點：首先高貫入度意味著掘進速度也更快，因此造成盾尾油脂對管片外弧面的填充與涂抹不能達到充分飽滿的狀態(tài)；其次由于同步注漿所使用的漿液初凝時間較長，經(jīng)試驗得知初凝時間為8到10 小時，無法及時的填充管片與外部土體的縫隙，而砂層又富含水分，這也是管片滲水的一個原因；最后由于掘進速度快，作為遏制管片滲漏水的有效手段之一，即二次注漿，無法跟上正常的掘進施工進度，也是其中一個重要原因。

3.2.3 管片上浮量

對701～760 環(huán)最大以及最小管片上浮量進行記錄，見表3。

表3 上浮量記錄

通過表3 中的數(shù)據(jù)分析來看，低貫入度下的整體上浮量明顯高于高貫入度下的上浮量。

3.3 經(jīng)濟性分析

根據(jù)計算公式，在刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，更高的貫入度意味著更快的掘進速度。通過安裝電表，對不同貫入度下每環(huán)所使用的用電量進行統(tǒng)計[5]。見表4。

表4 用電量記錄

由表4 可知，每環(huán)多推1 min 時間會多使用約113 度的綜合用電。若排除其他干擾施工的因素，按照正常的施工節(jié)奏來說，30 mm/r 的貫入度下一天可掘進10 環(huán)，25 mm/r 的貫入度下一天可掘進8 環(huán)，20 mm/r 的貫入度下一天可掘進6 環(huán)。因此可以得出結(jié)論，在每環(huán)人力、物力成本等其他開支不變的前提下，按照30 mm/r 的貫入度進行掘進，經(jīng)濟效益最高。

4 結(jié)論與展望

本研究以蕪湖城南過江隧道項目右線隧道701至760 環(huán)的掘進過程為研究對象，在其穿越粉砂、細沙地層時采用不同貫入度進行掘進，并將各項掘進參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集與記錄。經(jīng)過多層面的分析與比對，本研究可以得出以下幾點結(jié)論：

（1） 由于該項目盾構(gòu)機設計最大掘進速度為50 mm/min，最大推力為222 170 KN，額定扭矩為42 784 KNm，因此貫入度30 mm/r 所增加的扭矩相對于最大扭矩來說基本可以忽略不計；而較高的貫入度對成型隧道的整體質(zhì)量并沒有太大的負面影響，且能節(jié)省大量不必要的用電成本，工程整體進度也會大大加快。因此綜合來看，保持30 mm/r 的貫入度、1.0 rpm的刀盤轉(zhuǎn)速、30 mm/min 的推進速度進行粉砂、細沙地層的大直徑盾構(gòu)施工是較為合理可行的一種方法，但與此同時也要時刻關(guān)注其他重要掘進參數(shù)的變化，當推力和扭矩或其他參數(shù)明顯出現(xiàn)異常時要格外引起注意，防止地層突變造成設備的損壞，影響隧道的施工甚至引發(fā)事故的發(fā)生。

（2） 在進行隧道施工的過程中，應對盾尾油脂的注入量及盾尾密封壓力、同步注漿量及注漿壓力、二次注漿的配比與方量、管片上浮量做好記錄并及時加以調(diào)整，進行嚴格控制。

（3） 貫入度的不同不僅對前期粉砂、細沙層的掘進過程有著重大影響，在日后的硬巖掘進中，不同貫入度對滾刀磨損、滾刀破巖能力、硬巖層掘進效率與經(jīng)濟性也有著重要的研究意義[6]。提前做好應對才能有備無患。