譚順輝

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 4 50016)

0 引言

深圳地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，軌道交通建設(shè)10余年來，在施工中遇到了諸多困難和問題，如盾構(gòu)刀盤刀具嚴(yán)重磨損、刀盤及盾體被卡、地表塌陷及盾構(gòu)推進困難等。該地區(qū)盾構(gòu)工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊建(構(gòu))筑物密集、地下水位高等特點。在先前的1，2，3號線和5號線區(qū)間隧道的盾構(gòu)施工中，在設(shè)計選用盾構(gòu)時，雖做了很多適應(yīng)性設(shè)計，但總體上沒有完全克服上述問題，盾構(gòu)掘進不順利，在過程中不得不采用輔助工法進行一些特殊地質(zhì)段的處理。地質(zhì)復(fù)雜是客觀條件，也是客觀存在，但在采用盾構(gòu)工法施工隧道時，如何結(jié)合地質(zhì)特點對盾構(gòu)設(shè)備采用針對性的設(shè)計和選型，盡可能使設(shè)備在滿足土壓平衡條件下又具有足夠的掘進能力，滿足這些復(fù)雜地層掘進施工的要求，是一個值得認(rèn)真研究和探討的技術(shù)難題。在以往的研究中:文獻［1］針對深圳地鐵土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用過程中所遇到的問題，對深圳地層特別是對盾構(gòu)施工影響較大的特殊地層展開研究，得到特殊地層對土壓平衡盾構(gòu)施工的主要影響因素，進而提出土壓平衡盾構(gòu)對深圳特殊地層適應(yīng)性的改進措施。文獻［2］總結(jié)十幾年來深圳地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)，提供深圳盾構(gòu)法施工的寶貴經(jīng)驗，展現(xiàn)盾構(gòu)法施工的最新技術(shù)和應(yīng)用成果。文獻［3］以廣州地鐵復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)施工的實踐為基礎(chǔ)，結(jié)合盾構(gòu)穿越敏感建筑物的經(jīng)驗和教訓(xùn)，分析土壓平衡盾構(gòu)在掘進施工管理中的特點，提出盾構(gòu)掘進的指導(dǎo)原則。文獻［4］分析了刀盤開口率對出土率的影響，提出了定量分析刀盤開口率對地層適應(yīng)性的計算方法，該方法能很好地解釋土壓平衡盾構(gòu)在砂性土中模擬掘進時出土率異常的現(xiàn)象。文獻［5］為解決砂卵石地層掘進的刀盤刀具異常磨損、泥餅阻塞及地表沉降明顯等問題，從刀盤刀具、螺旋輸送機、渣土改良及注漿控制等方面進行研究，并結(jié)合成都地鐵和北京地鐵現(xiàn)場應(yīng)用及試驗數(shù)據(jù)，對刀盤開口率的確定、刀具的布置、軸式/帶式螺旋輸送機的選取、渣土改良系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)的配置進行比較，得到了相應(yīng)地層土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計的解決方案。文獻［6］盾構(gòu)法在某些地層特別是復(fù)合地層中施工時會遇到一些困難，文中結(jié)合工程實例進行分析探討。文獻［7］通過對盾構(gòu)推進過程中盾構(gòu)與圍巖相互作用規(guī)律的分析，系統(tǒng)分析了土壓平衡盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩的影響因素。文獻［8］針對復(fù)合地層掘進扭矩載荷突變進行研究，解釋我國昆明上公山隧道施工中頻繁出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)事故的原因，為盾構(gòu)復(fù)雜地質(zhì)條件下順應(yīng)性設(shè)計提供指導(dǎo)。文獻［9］結(jié)合南京地鐵工程，分析了盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進時發(fā)生地面沉降的原因，介紹了處置沉陷的過程，以及處置沉陷的應(yīng)急措施、相應(yīng)的地面加固方案和恢復(fù)掘進后的施工方案，總結(jié)了盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進施工的經(jīng)驗。文獻［10］針對深圳羅湖區(qū)某盾構(gòu)隧道需穿越全斷面全強風(fēng)化巖、全斷面微風(fēng)化巖、粉質(zhì)黏性土層，隧道范圍還可能存在球狀風(fēng)化體的地質(zhì)情況，在盾構(gòu)設(shè)計時針對上述問題做了一些改進，取得了良好的效果。而本文則結(jié)合深圳軌道交通11號線及9號線的盾構(gòu)區(qū)間隧道工程，介紹所選用的中鐵系列盾構(gòu)在針對性設(shè)計選型上的特點，并根據(jù)其在實際掘進施工中取得的效果，提出深圳地質(zhì)條件下盾構(gòu)設(shè)計選型的針對性重點，同時對盾構(gòu)施工管理和盾構(gòu)設(shè)計改進提出建議。

1 深圳地層特點

在深圳軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道穿越淤泥、礫質(zhì)黏性土、砂卵、孤石、硬巖和軟硬不均等多種復(fù)雜地層，地下水豐富，施工難度極大，主要具有以下特點。

1)淤泥質(zhì)地層。淤泥質(zhì)地層主要集中在填海區(qū)域，淤泥地層結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，容易產(chǎn)生觸變、流變。盾構(gòu)在淤泥質(zhì)地層中掘進時會對地層產(chǎn)生較大擾動，引起地基變形和失穩(wěn)。

2)全風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖、殘積土、礫質(zhì)黏性土地層。該地層顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點，顆粒成分中粗顆粒(＞2．0 mm)的組分及顆粒小的組分(＜0．075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少。在此地層中掘進，當(dāng)?shù)侗P結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差及渣土改良效果差時，黏粒成分很容易造成刀盤和土倉結(jié)泥餅。刀盤泥餅如圖1所示。

圖1 刀盤泥餅Fig．1 Cutterhead clogging

3)軟硬不均地層。深圳地區(qū)基巖面起伏較大，軟硬不均現(xiàn)象明顯，盾構(gòu)隧道施工時常遇到巖性變化較大的地層，其中以上軟下硬現(xiàn)象居多。盾構(gòu)掘進過程中主要存在以下難點:①下部硬巖地層產(chǎn)生的塊狀混合渣土流動性差，即使渣土改良也會使刀盤扭矩大，特別是土倉建壓時尤為明顯，土倉欠壓又會發(fā)生地表沉降。②下部硬巖地層對刀盤的偏心荷載較大，刀盤的彈性變形較大，對主軸承承載能力和刀盤的強度要求高。在深圳前期盾構(gòu)施工中，曾有刀盤外圈梁因承受偏載斷裂的情況，如圖2所示。③刀具在軟硬結(jié)合面受力突變，異常損壞的頻率高，換刀次數(shù)多，掘進進度慢。④盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制困難，易使盾構(gòu)姿態(tài)向上偏移。

圖2 上軟下硬地層掘進損壞的刀盤Fig．2 Damaged cutterhead of shield after boring in heterogeneous ground

4)硬巖地層，如圖3所示。硬巖巖質(zhì)堅硬，最大單軸抗壓強度高達230 MPa。如為全斷面硬巖且上覆層厚度合適，可采用敞開模式掘進，存在的問題是:①螺旋輸送機在常壓狀態(tài)下的出渣能力要求高。②渣土在土倉內(nèi)的流動需滿足螺旋輸送機出渣需求。③當(dāng)邊刀磨損后不能及時更換時，容易卡盾，轉(zhuǎn)向困難。④刀盤的振動較大。⑤盾構(gòu)在硬巖中掘進，刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率加大，甚至有可能損壞刀盤，從而導(dǎo)致工期延誤。

圖3 全斷面硬巖掌子面巖層Fig．3 Hard rock of full tunnel face

5)孤石地層。根據(jù)以往盾構(gòu)掘進施工經(jīng)驗，孤石處理非常困難，如果處理不當(dāng)，可能造成長時間停機、損壞刀盤)以及盾構(gòu)轉(zhuǎn)向偏離隧道軸線等嚴(yán)重問題。圖4為在孤石地層中掘進時刀盤異常磨損的情況。

圖4 孤石地層掘進損壞的刀盤Fig．4 Damaged cutterhead of shield after boring in ground containing boulders

6)富水地層的噴涌問題。由于深圳地處沿海地區(qū)，地下水位高，水壓大，在部分砂質(zhì)土、中粗砂和回填地層，可能出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，控制不當(dāng)會導(dǎo)致地層異常沉降。

2 對盾構(gòu)設(shè)計和選型的總體要求

根據(jù)深圳軌道交通工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況、盾構(gòu)特性、工程經(jīng)濟性和環(huán)境等條件，結(jié)合以往施工經(jīng)驗，盾構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)著重注意以下幾點:

1)宜采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。

2)刀盤及刀具應(yīng)具有很強的破巖能力及足夠的剛度和強度。

3)刀盤應(yīng)具備較大驅(qū)動扭矩及合適的轉(zhuǎn)速。

4)刀盤及螺旋輸送機要有較強的耐磨性。

5)渣土改良應(yīng)具備泡沫改良和膨潤土改良2種方式。

6)應(yīng)充分考慮帶壓換刀保證措施。

7)應(yīng)考慮必要的防噴涌設(shè)計。

8)應(yīng)針對地質(zhì)配置合理配套設(shè)備。

3 盾構(gòu)針對性設(shè)計及主要參數(shù)

深圳軌道交通11號線采用了外徑6 700 mm和6 000 mm 2種管片規(guī)格，而9號線只有外徑6 000 mm 1種管片規(guī)格，因此存在2種規(guī)格的盾構(gòu)，一種是適應(yīng)外徑6 700 mm管片的φ6 980 mm變頻驅(qū)動土壓平衡盾構(gòu)，一種是適應(yīng)外徑6 000 mm管片的φ6 280 mm液壓驅(qū)動土壓平衡盾構(gòu)。

3．1 盾構(gòu)針對性設(shè)計

1)采用大功率驅(qū)動設(shè)計，以滿足深圳地區(qū)普遍地質(zhì)條件要求。既可以在全斷面中、微風(fēng)化巖地層提供高轉(zhuǎn)速(φ6 980 mm盾構(gòu)最大轉(zhuǎn)速3．6 r/min，φ 6 280 mm盾構(gòu)最大轉(zhuǎn)速3．35 r/min)，又可以在復(fù)合地層或砂層提供大扭矩(φ6 980 mm盾構(gòu)最大工作扭矩7 806 kN·m，脫困扭矩9 757 kN·m;φ6 280 mm盾構(gòu)最大工作扭矩6 650 kN·m，脫困扭矩8 100 kN·m，其扭矩見圖5)。

圖5 φ6 280 mm扭矩-轉(zhuǎn)速Fig．5 Torque Vs rotation speed:φ6 280 mm shield

2)刀盤采用面板結(jié)構(gòu)設(shè)計，六主梁+六小面板結(jié)構(gòu)，如圖6所示。刀盤開口率為32% ～34%，可安裝足夠數(shù)量的滾刀，在滿足破巖要求前提下，又具有較大的開口率;刀盤面板和周邊都設(shè)計有耐磨板。刀具配置上，通過轉(zhuǎn)換刀座可以實現(xiàn)滾刀和撕裂刀的互換，以適應(yīng)不同的地層的配刀需要，如圖7所示。

圖6 φ6 980 mm刀盤Fig．6 Cutterhead of φ6 980 mm shield

圖7 滾刀與撕裂刀互換示意圖Fig．7 Replacing between disc cutter and ripper

3)采用φ800 mm或φ900 mm軸式螺旋輸送機，雙閘門設(shè)計。為提高螺旋輸送機的耐磨性，在螺旋軸最易磨損的前端葉片上加裝硬質(zhì)合金塊，如圖8所示。在螺旋輸送機前端筒體加裝可更換的耐磨塊，如圖9所示。

圖8 前端葉片耐磨塊Fig．8 Anti-wearing block

4)渣土改良系統(tǒng)采用至少4路泡沫+2路膨潤土，使用單管單泵的方式。每路均可獨立工作，不受土倉壓力和管道阻力的影響;改良劑噴口采用成熟的防堵塞設(shè)計;泡沫系統(tǒng)采用泡沫劑提前預(yù)混合方式，可提高泡沫的發(fā)泡效果。

5)刀盤土倉中心防泥餅設(shè)計。改進常規(guī)中間驅(qū)動方式驅(qū)動箱結(jié)構(gòu)，刀盤法蘭采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此刀盤在土倉中心的結(jié)構(gòu)與隔板中心區(qū)域存在相對運動，加上土倉中心隔板安裝固定攪拌棒(如圖10所示)。掘進時可與刀盤的旋轉(zhuǎn)形成相對的運動，達到中心區(qū)域渣土攪拌的功能;中心隔板上設(shè)計高壓水沖刷裝置，一定程度上可實現(xiàn)渣土沖刷的功能，并可防止土倉中心泥餅的產(chǎn)生。

圖9 筒體前端可更換耐磨塊Fig．9 Replaceable anti-wearing block

圖10 土倉隔板固定攪拌棒布置Fig．10 Layout of agitators on bulkhead

6)刀盤上選用重型滾刀和重型切刀，提高刀具的耐磨性能和抗沖擊性能。

7)設(shè)備配置有雙聯(lián)人倉，滿足必要的帶壓換刀作業(yè)需用。

8)配備有盾殼膨潤土注入系統(tǒng)，在前盾和中盾外表留有注漿口，可注入泥漿，減小盾殼外表摩擦阻力，防止卡盾。

9)為防止富水地層的噴涌問題，螺旋輸送機配置有前倉門、后閘門(雙門)，并在螺旋輸送機筒體外壁和土倉隔板上設(shè)計有聚合物注入系統(tǒng)的接入口。

3．2 2種盾構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)

見表1。

表1 深圳軌道交通中鐵盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)Tabel 1 Main technical parameters of φ6 980 mm shield and φ 6 280 mm shield made by CREG used in Shenzhen

4 盾構(gòu)掘進施工應(yīng)用情況

4．1 φ6 980 mm盾構(gòu)使用情況

深圳軌道交通11號線車公廟站—紅樹灣站、南山站—前海灣站及機場站—福永站等3個區(qū)間共投入6臺φ6 980 mm盾構(gòu)。該3區(qū)間除存在深圳地區(qū)的黏性土、全強中微風(fēng)化巖、孤石、上軟下硬復(fù)合地層和富水砂層等普遍地質(zhì)外，還存在長距離掘進設(shè)備耐磨的問題(車紅區(qū)間長5．5 km，南前區(qū)間長3．6 km，機福區(qū)間長3．4 km)。目前6臺盾構(gòu)已累計安全順利掘進約10 km，最高日進度24 m，最高月進度591 m(主要是風(fēng)化巖地層)。從掘進參數(shù)表(見表2)可以看出，掘進效果良好。盾構(gòu)出洞后，刀盤及刀具磨損正常，如圖11所示。

表2 深圳φ6 980 mm盾構(gòu)掘進參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Boring parameters of φ6 980 mm shield made by CREG used in Shenzhen

圖11 中鐵67號盾構(gòu)出洞刀盤照片F(xiàn)ig．11 Cutterhead of CREG No．67 shield at breakthrough

4．2 φ6 280 mm盾構(gòu)使用情況

該型號盾構(gòu)主要應(yīng)用在深圳軌道交通11號線及9號線的建設(shè)，共投入11臺盾構(gòu)，區(qū)間地質(zhì)除具有區(qū)域普遍性特點外，局部地段還有濱?；靥畹貙拥那闆r。目前已經(jīng)累計安全掘進約7 100 m，最高日進度27 m，最高月進度426 m。從表3所示的掘進參數(shù)比對，以及圖12所示的盾構(gòu)出洞后的圖片對照，實現(xiàn)了設(shè)計意圖，掘進效果良好。

表3 深圳φ6 280 mm盾構(gòu)掘進參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Boring parameters of φ6 280 mm shield made by CREG used in Shenzhen

圖12 中鐵103號盾構(gòu)出洞刀盤照片F(xiàn)ig．12 Cutterhead of CREG No．103 shield after breakthrough

5 結(jié)論與建議

5．1 結(jié)論

1)深圳復(fù)雜地質(zhì)條件下，采用土壓平衡盾構(gòu)掘進是適宜的。

2)盾構(gòu)的主要性能要求具備足夠的安全儲備，尤其在主驅(qū)動能力、刀盤及盾體脫困能力方面，要使盾構(gòu)在建立足夠平衡土壓的情況下，能夠安全掘進。

3)要滿足上軟下硬地層和全斷面風(fēng)化地層的掘進要求，刀盤的強度和剛度除滿足最大應(yīng)力荷載條件的基本前提下，其結(jié)構(gòu)形式、開口率和刀具的布置設(shè)計、刀具的選用上，必須使整個刀盤具有足夠的破巖能力。

4)深圳地質(zhì)中風(fēng)化巖和砂質(zhì)土的石英含量很高，對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損造成很大危害，這就要求必須充分考慮盾構(gòu)耐磨設(shè)計。如刀盤面板和周邊的耐磨保護塊、螺旋輸送機葉片和前端筒體的耐磨層設(shè)計是很有效的設(shè)計重點。

5)破巖刀具的配置和選用上要考慮長距離掘進、少換刀的設(shè)計要求;同時盾構(gòu)設(shè)備具備帶壓換刀的功能非常必要。

6)遵循地質(zhì)是條件、設(shè)備是前提和管理是關(guān)鍵的盾構(gòu)施工理念。在深圳復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工，良好的設(shè)備維護、操作管理和科學(xué)的施工生產(chǎn)組織管理是保持好的設(shè)備機況、確保盾構(gòu)施工順利進行的關(guān)鍵，在掘進中，每天定時日常保養(yǎng)非常重要;要堅持勻速施工的原則，同時根據(jù)地質(zhì)資料、渣土狀況和掘進參數(shù)變化情況，及時調(diào)整渣土改良參數(shù)、調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、推進力和螺旋輸送機的出土速度等，才能控制好地層沉降，保證安全高效的施工進度。

5．2 建議

雖然上述設(shè)計選型的盾構(gòu)在施工中解決了一些問題(有效防止泥餅和噴涌現(xiàn)象的發(fā)生、順利通過了局部硬巖、上軟下硬地層和少量的孤石地層等)，但在一些稍長距離局部硬巖侵入地段，采取先期密排鉆孔鉆裂硬巖后的掘進時，刀盤外沿及相應(yīng)位置刀具出現(xiàn)異常磨損情況。如何進一步增強刀盤的防撞和耐磨功能需要加強研究;在大塊孤石地層，還是主要靠外圍輔助手段進行處理，如何提升盾構(gòu)設(shè)備對付孤石地層的施工能力，也需要進一步地研究。

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