朱連臣

(中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，266100，青島∥高級(jí)工程師)

濟(jì)南以“泉”聞名于世，趵突泉、五龍?zhí)?、珍珠泉、黑虎泉四大泉群交相輝映，七十二名泉星羅棋布。泉城濟(jì)南在泉水的潤養(yǎng)下蓬勃發(fā)展。與此同時(shí)，泉域強(qiáng)富水地質(zhì)環(huán)境也給地下工程建設(shè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。濟(jì)南軌道交通1號(hào)線作為泉城首條采用盾構(gòu)法施工的地鐵線路，承擔(dān)著先行先試泉域盾構(gòu)隧道技術(shù)的使命。

目前，對于深圳地鐵復(fù)合地層、蘭州地鐵砂卵石地層、成都地鐵富水卵石地層及南寧地鐵軟硬不均地層等典型地質(zhì)下的盾構(gòu)施工控制技術(shù)已進(jìn)行了諸多研究[1-2]，但針對泉域強(qiáng)富水巖溶灰?guī)r地質(zhì)的盾構(gòu)刀盤、刀具選型，以及掘進(jìn)參數(shù)控制等方面的研究鮮有見之，亟需建立該類特殊地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工控制技術(shù)。

本文以濟(jì)南軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越強(qiáng)富水灰?guī)r地質(zhì)為工程背景，分析了灰?guī)r溶洞物探成像和盾構(gòu)掘進(jìn)效率的影響因素，提出了強(qiáng)富水灰?guī)r地質(zhì)刀具選型與掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)，為后續(xù)強(qiáng)富水地質(zhì)環(huán)境的盾構(gòu)掘進(jìn)施工及災(zāi)變防控提供了工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 強(qiáng)富水灰?guī)r地質(zhì)勘察分析

濟(jì)南軌道交通1號(hào)線王府莊站—大楊站區(qū)間在里程K30+460.3—K31+392.2段穿越兩處富水石灰?guī)r基巖上浮段，該段基巖經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成褶皺上抬或出露進(jìn)入盾構(gòu)穿越范圍，左線穿越灰?guī)r長度約為725 m，右線穿越灰?guī)r長度約為798 m，共計(jì)約1.5 km，基巖為寒武系和奧陶系中風(fēng)化石灰?guī)r，單軸飽和抗壓強(qiáng)度普遍分布在80 MPa以上，最高強(qiáng)度可達(dá)122 MPa。該段地層變化較大，有黏性土地層、上軟下硬復(fù)合地層和硬巖地層，地質(zhì)剖面如圖1所示。該灰?guī)r段受南部山區(qū)徑流補(bǔ)給及長期溶蝕影響存在現(xiàn)狀溶洞和破碎帶，巖溶裂隙發(fā)育、富水量大、地下水脈絡(luò)通達(dá)，灰?guī)r裂隙水為承壓水，最大水頭高程在拱頂以上8 m。

圖1 盾構(gòu)穿越富水灰?guī)r地質(zhì)剖面圖

王大區(qū)間里程K30+510.0—K30+850.0段，地質(zhì)鉆探揭露溶洞數(shù)量較多、尺寸較大；同時(shí)，揭露有串珠狀溶洞且灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重，局部灰?guī)r蜂窩狀、針孔狀溶孔溶隙發(fā)育，在長期地下水作用下，溶洞規(guī)模可能進(jìn)一步擴(kuò)大，巖溶穩(wěn)定性較差。根據(jù)鉆探成果，鉆孔揭露的溶洞總數(shù)為129個(gè)。其中：小于1 m的溶洞數(shù)量為79個(gè)，占溶洞總數(shù)的61.2%；大于1 m的溶洞數(shù)量為50個(gè)，占溶洞總數(shù)的38.8%；大于2 m的溶洞數(shù)量為29個(gè)，占溶洞總數(shù)的22.5%；大于3 m的溶洞數(shù)量為23個(gè)，占溶洞總數(shù)的17.8%。鉆探揭露無充填型溶洞的鉆孔個(gè)數(shù)為11個(gè)，無充填型溶洞個(gè)數(shù)為12個(gè)。

王大區(qū)間灰?guī)r段揭露地下水主要為灰?guī)r裂隙水，水位埋深為11.2～14.6 m。含水層主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r1層、中風(fēng)化灰?guī)r2層及灰?guī)r破碎體。該層地下水局部受完整灰?guī)r及上覆粉質(zhì)黏土層隔擋，具有承壓性。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)分析，補(bǔ)給水為巖溶裂隙水，抽水采用100 m3/h泵連續(xù)抽水4 h，水位降低0.4 m后，穩(wěn)定水位不變，地下水補(bǔ)給量大。

1.2 灰?guī)r溶洞地質(zhì)物探分析

為探明該段地質(zhì)主要溶洞和導(dǎo)水通道的空間分布，采用高密電阻率法、瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)法和聲納掃描進(jìn)行綜合探測，在重點(diǎn)和復(fù)雜異常地段進(jìn)行跨孔電阻率CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)法補(bǔ)充探測和成像，以獲得主要溶洞和導(dǎo)水通道較為詳細(xì)的空間分布。其中, 瞬變電磁法工作原理為，利用不接地回線及接地長導(dǎo)線發(fā)射一次瞬變電磁場在地下形成感應(yīng)渦流場，然后采用不接地線圈或接地電極觀測該電磁場的空間和時(shí)間分布。

瞬變電磁成像圖如圖2所示。由圖2 a)可知，該剖面有2處低阻異常(虛線橢圓圈區(qū)域)，根據(jù)初勘時(shí)的鉆孔剖面圖分析，這2處低阻異常都處于灰?guī)r段且在水位以下，低阻異常深度為13～40 m，寬度為40～165 m，推斷為由基巖裂隙發(fā)育引起。由圖2 b)可知，該剖面有2處低阻異常，根據(jù)初勘時(shí)的鉆孔剖面圖分析，這2處低阻異常都處于灰?guī)r段且在水位以下，低阻異常深度為16～40 m，寬度為17～140 m，推斷為由基巖裂隙發(fā)育引起。由圖2 c)可知，該剖面有1處低阻異常，根據(jù)初勘時(shí)的鉆孔剖面圖分析，此處低阻異常均處于灰?guī)r段且在水位以下，低阻異常深度為19～40 m，寬度為180 m左右，推斷為由基巖裂隙發(fā)育引起。

圖2 瞬變電磁成像圖Fig.2 Transient electromagnetic imaging

由現(xiàn)場3條具有代表性的瞬變電磁測線物探成像(見圖2)推斷分析可知：

1) 區(qū)間巖溶非常發(fā)育，發(fā)育深度大多數(shù)在15 m以下，與隧道埋深范圍重合較大，主要巖溶與破碎帶(見圖2中的虛線橢圓圈區(qū)域)對隧道施工影響較大，存在溶洞等重大地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源，擬建隧道與溶洞等風(fēng)險(xiǎn)源相互存在一定水力聯(lián)系。

2) 探測范圍內(nèi)存在一條導(dǎo)水巖溶破碎帶，主要位于隧道區(qū)間中間部位，基本呈東西向發(fā)育，對區(qū)間施工影響較大。

3) 對于探測圈定的低阻異常區(qū)域，施工過程中應(yīng)給予重視，必要情況下應(yīng)采取控制措施，以避免溶洞等地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生。

2 強(qiáng)富水灰?guī)r盾構(gòu)掘進(jìn)效率影響分析

1) 灰?guī)r強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度大于80 MPa，顯著影響刀具磨損及掘進(jìn)效率。根據(jù)加密鉆探試驗(yàn)數(shù)據(jù)，灰?guī)r天然單軸飽和抗壓強(qiáng)度普遍分布大于80 MPa，最高強(qiáng)度可達(dá)122 MPa，盾構(gòu)掘進(jìn)速度由原來的平均10.0 mm/min降低至5.0 mm/min，掘進(jìn)速度約為2.4 m/d。

由于巖石強(qiáng)度變化較大、灰?guī)r強(qiáng)度高，刀盤、刀具磨損嚴(yán)重，如圖3所示。刀具壽命嚴(yán)重降低，而導(dǎo)致?lián)Q刀頻繁，第二段灰?guī)r掘進(jìn)30環(huán)已兩次換刀，換刀周期僅約20 m，一般每次換刀耗費(fèi)時(shí)間約3～4 d，且該段裂隙水豐富，開挖面涌水突泥，換刀風(fēng)險(xiǎn)較高。開倉刀具檢查頻率由原設(shè)計(jì)的40環(huán)/次調(diào)整至3環(huán)/次，開倉檢查和更換刀具占用了大量時(shí)間。換刀計(jì)劃改為24 m一次，顯著降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

圖3 刀具磨損情況Fig.3 Tool wear state

圖4 開挖面涌水突泥照片F(xiàn)ig.4 Pictures of gushing water and mud in excavation face

2) 盾構(gòu)開挖面涌水突泥，土壓平衡不易控制，導(dǎo)致掘進(jìn)困難。在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，土壓力艙內(nèi)土體透水性大，級(jí)配不良，從螺旋機(jī)出口處發(fā)生涌水、噴泥等噴涌現(xiàn)象，如圖4所示。噴涌現(xiàn)象嚴(yán)重影響正常施工排土和壓力艙土壓平衡，掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)劇增，易引發(fā)地表沉降與塌陷以及管片漏水等施工病害。

3) 裂隙水量大，螺旋機(jī)噴涌嚴(yán)重，排水、清渣占用大量時(shí)間。盾構(gòu)機(jī)在中風(fēng)化灰?guī)r段掘進(jìn)過程中，地層裂隙水補(bǔ)給量大，螺旋機(jī)噴涌嚴(yán)重，渣土變?yōu)槟酀{，如圖5所示。渣土外運(yùn)困難、效率降低，由原來的4斗/環(huán)增加至7斗/環(huán)，額外消耗大量排水、清渣時(shí)間，每掘進(jìn)1環(huán)額外消耗8 h的清渣時(shí)間，占有效工作時(shí)間的36%，嚴(yán)重影響施工效率。同時(shí)，裂隙水高速流動(dòng)沖刷背后同步漿液，導(dǎo)致填充不密實(shí)，嚴(yán)重影響了隧道防水質(zhì)量，需進(jìn)行大量二次注漿補(bǔ)充，造成了施工成本及施工時(shí)間的增加。

圖5 螺旋機(jī)噴涌與排水照片F(xiàn)ig.5 Pictures of screw machine spouting and draining

4) 渣土含水量大，出渣處置與外運(yùn)困難。盾構(gòu)機(jī)采用的立式渣漿泵僅能抽出沉渣表部浮漿及細(xì)渣，底部沉渣仍需人工清理。隧道內(nèi)大量地下水通過土斗傾倒進(jìn)渣土池，需要耗費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間來處置渣土，影響了渣土外運(yùn)效率，對掘進(jìn)連續(xù)性具有一定的影響。另外，一般渣土場不接受石渣，且其環(huán)保、揚(yáng)塵等環(huán)境要求較高，影響渣土外運(yùn)，導(dǎo)致渣土存放占用大量場地。

3 高強(qiáng)度灰?guī)r地質(zhì)刀具選型及優(yōu)化

刀盤、刀具是盾構(gòu)掘進(jìn)的核心部件，其地質(zhì)條件的適應(yīng)性將直接決定盾構(gòu)掘進(jìn)效率與開挖面穩(wěn)定性，需根據(jù)具體地質(zhì)環(huán)境及施工條件進(jìn)行針對性的刀盤布置與刀具選型[3-4]。

3.1 刀盤刀具選型

針對強(qiáng)富水灰?guī)r地質(zhì)的單軸飽和抗壓強(qiáng)度在80～122 MPa、填充性溶洞發(fā)育、灰?guī)r局部破碎、巖溶裂隙水豐富等特點(diǎn)，刀盤設(shè)計(jì)采用四輻條+四面板復(fù)合式刀盤，支撐方式為中間支撐。刀盤直徑為6 680 mm，并可實(shí)現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)出碴。刀盤中心設(shè)計(jì)有中心回轉(zhuǎn)接頭，可向開挖艙及刀盤中心注入渣土改良劑。刀盤各部分設(shè)有耐磨保護(hù)措施，并設(shè)有磨損檢測7處，刀盤背部設(shè)計(jì)有主動(dòng)攪拌棒。刀盤和刀具配置如圖6所示，可拆卸式刀具均可從刀盤背部進(jìn)行更換。

圖6 復(fù)合式刀盤配置圖Fig.6 Configuration diagram of compound cutter plate

盾構(gòu)機(jī)在該段灰?guī)r地質(zhì)掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)：①盾構(gòu)掘進(jìn)效率較低，正常掘進(jìn)僅1～2環(huán)/d；②刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻次增加，功效降低；③開倉換刀造成盾構(gòu)停機(jī)，引起灰?guī)r裂隙水突涌和螺旋機(jī)噴涌，進(jìn)一步加劇了施工難度，且排水、清渣消耗大量時(shí)間；④若盾尾排水、清渣不干凈，將影響管片的拼裝質(zhì)量。

3.2 刀具磨損分析

在盾構(gòu)穿越高強(qiáng)度灰?guī)r地質(zhì)的過程中，對滾刀磨損進(jìn)行開倉檢查發(fā)現(xiàn)：①中心滾刀和單刃滾刀出現(xiàn)不同程度的偏磨、崩刃及刀圈脫落等現(xiàn)象，中心滾刀整體磨損較為嚴(yán)重；②邊緣部分刀具雖磨損量較為正常，也未出現(xiàn)嚴(yán)重崩刃現(xiàn)象，但普遍出現(xiàn)刀圈松動(dòng)，與刀軸發(fā)生位移，已無法繼續(xù)使用。

分析刀具磨損與掌子面的破巖情況表明，較多刀具磨損并非由掘進(jìn)巖層時(shí)造成的，而是由掉落的切刀或刀盤上的金屬構(gòu)件與正常刀具相互磨損造成的。因此，開倉檢查發(fā)現(xiàn)切刀或刀盤上金屬構(gòu)件脫落時(shí)，應(yīng)立即將其取出，以免掉落破壞正常刀具而形成惡性循環(huán)。

3.3 刀具優(yōu)化

針對上述盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤磨損及突涌水等問題，需對刀盤、刀具進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。由于灰?guī)r強(qiáng)度高達(dá)122 MPa，為增加刀具的抗沖擊能力，將原刀盤的普通滾刀改為一體式滾刀，將刃寬由原來的24 mm減小至19 mm；刀圈底部加厚并調(diào)整刀具材質(zhì)，刀具中心采用楔形鑲齒滾刀以提高刀具韌性。同時(shí)，刀盤增加耐磨格柵，滾刀、齒刀可互換，以提高盾構(gòu)機(jī)在強(qiáng)富水灰?guī)r地層中的適應(yīng)性，在減少換刀頻次的同時(shí)提升掘進(jìn)效率。刀具優(yōu)化如圖7所示。

圖7 刀具優(yōu)化改進(jìn)照片F(xiàn)ig.7 Pictures of cutter tool optimization and adaptation

刀具優(yōu)化后，在堅(jiān)硬灰?guī)r地質(zhì)中的破巖效果明顯有所增強(qiáng)，如圖8所示。由圖8可知，盾構(gòu)掘進(jìn)速度由0～2.0 mm/min提升至3.0～5.4 mm/min。掘進(jìn)效率穩(wěn)定在2～3環(huán)/d，提高了約170%，刀具磨損和崩刃情況有所減少，換刀頻率有所降低，由此可見，優(yōu)化刀具后取得了良好的應(yīng)用效果。

圖8 刀具優(yōu)化前后掘進(jìn)速度對比

4 巖溶灰?guī)r地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

王大區(qū)間在76環(huán)至221環(huán)盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)灰?guī)r基巖上浮段，對盾構(gòu)掘進(jìn)總推力、刀盤扭矩、同步注漿量、掘進(jìn)出土量、土倉壓力、掘進(jìn)速度等關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)[5-6]進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其參數(shù)分布如圖9所示。

由圖9的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分布可知：

1) 穿越灰?guī)r地質(zhì)的盾構(gòu)總推力分布范圍為6 100～10 900 kN，集中分布于8 000～10 000 kN，部分參數(shù)跳躍波動(dòng)較大。這是由于刀盤掘進(jìn)至巖溶溶洞，溶洞多為黏性土填充或半填充，地質(zhì)軟硬不均，尤其在串珠狀溶洞處參數(shù)跳動(dòng)較為明顯。

2) 刀盤扭矩分布范圍為1 600～3 100 kN·m，比進(jìn)入灰?guī)r段之前的黃土、黏土中的掘進(jìn)扭矩增大200～500 kN·m，這主要是由于灰?guī)r抗壓與抗剪強(qiáng)度較大，刀盤與開挖面巖層間的摩擦力較大，需配合注入膨潤土潤滑。在210環(huán)至220環(huán)的刀具扭矩較大，這是由于該段灰?guī)r剛度較大，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到80 MPa以上。

圖9 盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測圖Fig.9 Diagram of shield tunneling key parameters monitoring

3) 穿越灰?guī)r段的同步注漿量主要分布在4.4～5.8 m3/環(huán)，注漿量主要根據(jù)地質(zhì)巖溶發(fā)育情況產(chǎn)生一定的波動(dòng)，在溶洞發(fā)育或巖溶水較大處的注漿量較大，注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。根據(jù)詳細(xì)勘探資料，在溶洞較為發(fā)育的區(qū)域，先進(jìn)行地面鉆孔注漿加固，再進(jìn)行同步注漿處理；在巖溶水豐富區(qū)域，應(yīng)控制注漿材料的膠凝時(shí)間，通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整配比并加入促凝劑，可以獲得早期強(qiáng)度，保證良好的注漿效果。

4) 盾構(gòu)掘進(jìn)出土量控制在50.0～57.0 m3/環(huán)，在巖溶水豐富地段，巖溶裂隙水補(bǔ)給量大，螺旋機(jī)發(fā)生噴涌現(xiàn)象，渣土變?yōu)槟酀{，導(dǎo)致外運(yùn)困難，且消耗了大量排水及清渣時(shí)間，因此要加強(qiáng)渣土改良，以確保盾構(gòu)掘進(jìn)正常出渣并控制地層變形。

5) 灰?guī)r段盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，土倉壓力波動(dòng)較大，主要分布范圍為5～30 kPa，土倉壓力較小是由于開挖面巖層自穩(wěn)性較高，下部土倉壓力明顯大于上部土倉壓力。

6) 盾構(gòu)在灰?guī)r中掘進(jìn)速度緩慢，一般維持在12.0～30.0 mm/min，明顯低于土層中的掘進(jìn)效率，刀盤磨損較為嚴(yán)重，這主要是由于灰?guī)r強(qiáng)度較高，需控制較小的貫入度以便于切削巖層。掘進(jìn)速度必須與地表隆陷控制、出土量、開挖面土壓平衡及同步注漿等相協(xié)調(diào)。

5 結(jié)論

1) 濟(jì)南軌道交通1號(hào)線是濟(jì)南首條盾構(gòu)法施工的地鐵線路，承擔(dān)著先行先試巖溶地質(zhì)盾構(gòu)施工技術(shù)的使命，分析強(qiáng)富水灰?guī)r地質(zhì)盾構(gòu)掘進(jìn)影響因素，并制定科學(xué)可行的控制技術(shù)，對類似地質(zhì)環(huán)境盾構(gòu)施工及災(zāi)害防控意義重大。

2) 針對強(qiáng)富水灰?guī)r地質(zhì)巖石強(qiáng)度高、填充性溶洞發(fā)育、灰?guī)r局部破碎、巖溶裂隙水豐富等特點(diǎn)，確定了盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具配置，并結(jié)合現(xiàn)場刀具磨損情況對刀具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3) 制定盾構(gòu)穿越富水灰?guī)r地質(zhì)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)控制范圍，盾構(gòu)總推力波動(dòng)跳躍，這主要是由于刀盤掘進(jìn)至巖溶溶洞、地質(zhì)軟硬不均所造成的。穿越灰?guī)r段同步注漿量應(yīng)控制在5.0～5.8 m3/環(huán)，在溶洞發(fā)育區(qū)域，應(yīng)先進(jìn)行地面注漿加固，在巖溶水豐富區(qū)域，應(yīng)控制注漿材料的膠凝時(shí)間。