李 銳

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

隨著城市地鐵的不斷發(fā)展，盾構(gòu)施工所涉及的地層也愈來愈復(fù)雜，針對盾構(gòu)在硬巖地層的掘進施工技術(shù)，文獻［1－3］針對不良地質(zhì)提出方案比選，優(yōu)化掘進工作參數(shù);文獻［4］簡略敘述了盾構(gòu)機械結(jié)構(gòu);文獻［5－10］根據(jù)實際刀盤及地質(zhì)相互關(guān)系，提出相應(yīng)技術(shù)處理措施。筆者通過實踐經(jīng)驗總結(jié)，以滿足現(xiàn)場操作為目的進行整理提煉，為盾構(gòu)機硬巖掘進提供較真實有效的實例參考，供同行探討。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州地鐵三號線北延4標位于廣州市白云區(qū)，盾構(gòu)區(qū)間線路呈南北走向，地質(zhì)和地表環(huán)境復(fù)雜，施工難度較大，為三號線北延段控制性工程。區(qū)間隧道施工采用2臺土壓平衡盾構(gòu)機施工，其中左線為德國海瑞克盾構(gòu)機，右線為加拿大LOVAT盾構(gòu)機，盾構(gòu)掘進線路長度為4 911.9 m。

本區(qū)段工程包括一站三區(qū)間，線路坡度為6‰，隧道上覆土厚度最大約35 m(位于白云山腳下)，最小覆土厚度約為4.5 m。盾構(gòu)隧道管片采用錯縫拼裝，每環(huán)6塊組成，外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，厚300 mm，環(huán)寬1.5 m，彎曲螺栓連接，遇水膨脹止水條止水，管片混凝土強度等級為C50，防水等級為S12。

本次研究依托工程中第三區(qū)間施工實例，該區(qū)間從永泰站東端始發(fā)，沿同泰路下方穿行，在竹韻山莊對面處右轉(zhuǎn)進入白云山下，下穿白云山和明日之星幼兒園后到達同和吊出井吊出。

1.2 地質(zhì)概況

同—永區(qū)間位于華南準地臺，湘桂贛粵褶皺帶中的粵中拗褶皺束中部，廣花凹陷、增城凸起的交接部位。沿線地貌為廣花沖積平原，地勢較平坦，上覆地層主要為第四系人工填土層，陸相沖、洪積地層，殘積土層;下伏基巖為新生界第三系莘莊村組陸相碎屑沉積巖、二迭系棲霞組和上古生界石炭系下統(tǒng)大潭階石凳子組、測水組、石炭系中上統(tǒng)壺天群。

區(qū)間地下水主要為第四系孔隙水與裂隙水，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

根據(jù)詳勘階段提供的地質(zhì)資料以及施工單位自行進行的地質(zhì)雷達探測，盾構(gòu)洞身地層大部分為全風(fēng)化、強風(fēng)化巖層，部分地段為中風(fēng)化與微風(fēng)化巖層，且?guī)r石單軸抗壓強度較高，具體巖層分布情況如表1所示。

左線隧道各地層所占比例如圖1所示。

表1 同永區(qū)間左線洞身地層情況統(tǒng)計表Table 1 Stratum statistics of left line on Tonghe-Yongtai section

圖1 同永區(qū)間左線各地層所占比例餅圖Fig.1 Proportions of every single stratum of left line on Tonghe-Yongtai section

2 硬巖地段掘進問題

區(qū)間地層取芯抗壓實驗揭示，該地段中巖石單軸抗壓強度為30～115 MPa。如何快速有效通過該區(qū)間的硬巖地段，成為整個工程的重點和難點。

區(qū)間左線掘進至176環(huán)后，速度明顯變慢，刀盤扭矩波動較大，推力明顯增加，之后1個月時間僅完成掘進21環(huán)，期間共計開倉6次、換刀5次，除去地表加固和開倉換刀時間共計掘進8 d，平均2.6環(huán)/d。該段左線具體掘進、換刀情況詳見表2—表3。

表2 更換刀具前后掘進參數(shù)情況表Table 2 Tunneling parameters before and after replacing cutting tools

續(xù)表

表3 刀具檢查磨損量及更換情況表Table 3 Wearing and replacing situation of cutting toolsmm

續(xù)表

地層情況及刀具磨損情況如圖2、圖3所示。

3 分析問題產(chǎn)生的原因

通過掘進數(shù)據(jù)、開倉地層情況、刀具損耗統(tǒng)計以及對刀盤結(jié)構(gòu)刀具分布的分析，找出了掘進困難及刀具異常損耗的原因。

1)地層過硬，巖石單軸抗壓強度最大為115 MPa，為保證掘進速度，盾構(gòu)推力較大，由于巖層開挖輪廓較清晰，底層穩(wěn)定性好;因此盾構(gòu)與地層間的摩阻力較軟土地層減少了很多，推力更多地作用在掌子面上，滾刀軸承受力較大，造成刀具軸承架破裂、滾柱變形。

2)地層穩(wěn)定性好，盾構(gòu)采用敞開式掘進模式，刀盤刀具受巖層沖擊力較大，刀具裝配質(zhì)量有缺陷或?qū)Φ貙拥倪m應(yīng)性不強，在硬巖段掘進中，在較高的壓力和振動下失效，主要表現(xiàn)為刀具刀體變形、刀具軸承失效、刀圈崩裂。

3)高硬度巖層加之大推力掘進，刀盤扭矩波動較大，刮刀以及單刃滾刀刀圈脫落，掉落土倉，與刀盤其他刀具發(fā)生碰撞，造成刀體撞傷變形、刀圈的撞傷以及刀具的異常損毀。

4)刀體受到大顆粒巖石擠壓，導(dǎo)致刀體受力變形，密封失效漏油，致使沙粒進入刀具內(nèi)部，軸承無法正常轉(zhuǎn)動，造成刀具異常磨損。

5)地下水豐富，在刀具與掌子面接觸時存在打滑現(xiàn)象，達不到刀具的啟動扭矩，刀具不滾動，造成刀具弦磨和偏磨。

6)海瑞克盾構(gòu)邊緣滾刀(31～39號)布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發(fā)生刀具損壞，易引起周邊刀具的連鎖反應(yīng)，致使開挖輪廓變小，造成盾構(gòu)摩阻力變大，甚至導(dǎo)致盾構(gòu)卡死。

4 制定方案

為保證正常掘進，做好刀盤、刀具的保護工作，為加快施工進度，決定在后續(xù)左、右線硬巖段掘進中采取以下措施。

4.1 施工措施

1)在掘進過程中向土倉內(nèi)添加有一定濃度的膨潤土漿液進行碴土改良，保證螺旋輸送價運轉(zhuǎn)和出碴順暢，避免出現(xiàn)刀盤和螺旋輸送機被卡。

2)從主機徑向孔注入膨潤土，潤滑盾殼，避免出現(xiàn)盾殼被卡的情況。

3)加大刀具檢查頻率，正常情況下每2環(huán)檢查一次刀具，出現(xiàn)異常應(yīng)立即開倉檢查刀具，及時更換刀具，避免刀具出現(xiàn)較大的磨損量，做好刀具的保護工作。

4)加強注漿控制，保證注漿質(zhì)量，并且在盾尾后方每3環(huán)進行一次雙液漿封堵止水，減少地下水的流動性，避免盾尾后方的地下水流到刀盤前方。

5)加強對泡沫注入系統(tǒng)的保養(yǎng)和檢修，避免在泡沫管路不暢的情況下掘進。

6)盡量保持勻速推進。有序的調(diào)整參數(shù)，減少刀具的異常損傷，同時有利于碴土控制和改良。

7)如刀盤異響、碴土出現(xiàn)異物等情況，應(yīng)選擇合適地點，盡快檢查刀具。

8)加強每環(huán)的碴土檢查和留樣，實時監(jiān)控碴土溫度，若出現(xiàn)碴溫上升，應(yīng)及時調(diào)整加水和泡沫情況，改良碴土，若溫度持續(xù)上升應(yīng)停止掘進，排除問題后再恢復(fù)施工。

9)調(diào)整刀具啟動扭矩至40 N·m，邊滾刀刀圈選用材質(zhì)好、硬度高的刀圈。

10)遵循“小推力、低轉(zhuǎn)速、勤檢查、早更換”的原則，穩(wěn)步推進。

4.2 掘進控制

1)掘進參數(shù)。① 采用敞開模式掘進;② 控制刀盤低轉(zhuǎn)速(1.5～1.8 r/min);③ 控制貫入度(控制在5 mm以下);④推力1 400 t以下;⑤刀盤最大扭矩不得超過15 MPa，刀盤扭矩變化3 MPa以下。

2)嚴格控制盾構(gòu)機姿態(tài)，盡量保證盾構(gòu)機沿直線掘進，避免掘進方向出現(xiàn)大的調(diào)整和變化。

3)掘進過程中加強碴樣分析，根據(jù)碴樣情況及時調(diào)整掘進參數(shù)。

4.3 施工組織

1)實行項目技術(shù)骨干現(xiàn)場值班制度，項目相關(guān)技術(shù)負責(zé)人深入一線，了解現(xiàn)場掘進控制和施工情況，及時解決施工中出現(xiàn)的各種問題，保證施工順利進行。

2)實行掘進情況分析制度，每班下班后，由總工程師組織，經(jīng)理、副經(jīng)理、調(diào)度、盾構(gòu)主司機、值班工程師參加，分析本班的掘進參數(shù)及施工情況，調(diào)整掘進參數(shù)，分析刀具磨損情況，解決施工中出現(xiàn)的異常問題，及時組織開倉換刀，保證掘進正常、順暢。

3)生產(chǎn)部門合理安排各工序施工，減少工序銜接時間，避免出現(xiàn)非正常停機的情況。

5 施工效果

在第189環(huán)開倉以后，通過采用小推力、刀盤低轉(zhuǎn)速、控制刀盤扭矩和扭矩變化、控制貫入度、向土倉內(nèi)添加膨潤土等新措施后，刀具的非正常磨損較前3次開倉有很大程度的好轉(zhuǎn)，刀具損壞程度明顯減少，施工成本有效地降低，施工效率明顯提高，對最終總工期的實現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用。

6 結(jié)論與討論

盾構(gòu)法因其對環(huán)境影響小、占地面積小、施工不受天氣限制、安全、高效、快速等優(yōu)點，已經(jīng)在城市隧道施工技術(shù)中建立了穩(wěn)固的地位，其適用地層范圍也從最初的軟土、砂卵土、軟巖擴充到硬巖。通過本工程的實踐證明，在區(qū)間隧道存在距離硬巖地層時，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，加強刀具管理，增加輔助措施，盾構(gòu)也能有效的進行施工。無需再對該種地段進行地面深孔爆破巖層或進行暗挖施工措施，能有效地縮短工期，降低施工風(fēng)險。但對于長大斷面硬巖掘進，受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)、能力的限制，依然存在低效率、高投入等問題，有待進一步解決。

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