復雜地層盾構施工技術研究

寧 銳,劉文斌

(1.中鐵南方投資發展有限公司,廣東 深圳 518055;2.中國中鐵一局集團有限公司,陜西 西安 710054)

北京地鐵 4號線北宮門-龍背村調出井盾構區間所處地質條件比較特殊,穿越永定河沖洪積扇,并受到西北玉泉山和香山等山脈的影響,且局部穿越出露的極硬巖,具有山前沖洪積扇地層的復合特性,施工難度大,施工技術要求高。對包括盾構機選型和刀具配置等盾構機主要技術參數進行較深入的探討以及對掘進模式的優選、掘進參數、盾構機姿態的控制和同步注漿參數的設定等方面的技術措施進行了研究,總結出了一套較為成熟的施工技術。

1 工程概況和施工重難點

1.1 工程概況

北京地鐵 4號線北(宮門)-龍(背村調出井)盾構區間長 523.294m,根據地勘資料,區間穿越第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層,局部穿越二迭系紅廟嶺組。第四紀沖洪積層主要以粉土、粉質黏土、粉細砂、卵石圓礫層為主;二迭系紅廟嶺組主要以強～中風化礫巖、微風化礫巖、微風化砂巖、強～中風化礫巖為主。

根據詳勘和補充勘探報告顯示,北-龍區間大約有 190 m左右的全斷面巖石,該段巖石為微風化礫巖和強風化砂巖,單軸抗壓強度最大 76.8 MPa。其余地層主要為粉質黏土、粉土、中粗砂以及全斷面的砂卵石層,有較為嚴重的軟硬不均地層出露,具有山前地區的典型特點。鉆孔中實測兩層地下水,第一層為潛水,第二層為層間潛水。由于本段地下水不具有承壓性,總體上對盾構施工沒有太大影響,但是盾構施工對含水的砂層產生一些不利因素,尤其是盾構開挖面上部的砂層容易受到擾動而引起局部坍塌(圖 1)。

1.2 工程重難點

由于本工程為山前沖洪積扇地形,地質復雜多變,盾構機在復合地層中掘進需要根據不同的地層情況頻繁轉換盾構機的掘進模式、掘進參數和注漿參數,同時也要及時調整添加材料的種類和數量。在巖石地層中掘進,刀具磨損較為嚴重,導致換刀頻率增加,增加了停機時間,對施工工期將產生較大影響。在上軟下硬地層中掘進,如何保證掌子面穩定,以及快速安全的通過是本工程的難點。

圖1 地質剖面

2 盾構機主要技術參數

2.1 盾構機選型

根據北京市地鐵 4號線北龍區間山間沖洪積扇地層的地質特點,對地質斷面進行了認真分析,并綜合經濟合理性的要求,選用了德國海瑞克 6.28復合式土壓平衡盾構機[1]。其主要性能參數見表 1。

值得注意的是盾構機刀盤的驅動扭矩、總推力的大小是決定一臺盾構機是否能適合復雜多變地層的關鍵參數。另外,還有刀盤的剛度強度以及刀具的選配也是至關重要的。

2.2 盾構機工作原理

復合式土壓平衡盾構機的工作原理則是向掌子面土體注入泡沫劑和膨潤土等塑流性材料,與開挖面切削下來的土體經過充分攪拌,形成具有一定塑流性和透水性低的塑流體,同時通過控制盾構機推進千斤頂速度與螺旋輸送機向外排土的速度相匹配,經艙內塑流體向開挖面傳遞設定的平衡壓力,實現盾構機始終在保持動態平衡的條件下連續向前推進[2]。由于復合式土壓平衡盾構機可以根據不同地層的地質條件,設計和配制出與之相適應的泡沫劑等,從而適應各類復雜地層的施工條件,故近年該盾構機型在隧道工程中得到廣泛應用。

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2.3 刀具配置

盾構機的刀盤采用平面直角形式,全部采用滾刀配置,即邊緣區 5把雙刃滾刀;正面區 8把雙刃滾刀;中心區 6把雙刃滾刀。為了減少滾刀在軟弱地層掘進的“偏磨”和“糊死”,在中心區和部分正面區滾刀附近加焊了幾把齒刀(羊角刀),刀面高度比滾刀刀面低 15mm[3]。滾刀和刮刀分別高出刀盤面板 175mm和 140mm;雙刃滾刀的刀刃間距 100 mm,通過刀盤布局,中心區的刀間距為 100mm,正面區的刀間距 100mm,邊緣區的刀間距 30mm。以此可以看出,邊緣區的破巖能力是最強的,而中心區的破巖能力最弱。同時,由于在刀盤轉動時,邊緣區刀具的線速度最大,所以磨損也最快。

3 盾構掘進時的主要技術措施

通過在施工前對該區間進行了較為詳細的地質補勘,將探孔盡量設在線路中心附近,加大了鉆孔密度(8～12m/個),認真分析了巖層在斷面上的分布情況以及巖性,針對“上軟下硬”地層巖面高的特點,采取了許多有效的技術措施,盾構機安全快速地通過了本區段。

3.1 掘進模式的優選

土壓平衡盾構機具有敞開式、半敞開式和土壓平衡模式三種掘進模式。根據本區間的地質情況,結合不同地層的特征,所選用的掘進模式也不相同。

(1)全斷面巖層掘進:采用敞開式掘進模式,使用泡沫劑來改良渣土。

(2)軟弱地層掘進:采用土壓平衡模式,渣土改良主要采用泡沫和適量的膨潤土。土倉壓力不需要頻繁調節,只需要保證土倉壓力略大于掌子面的土壓和水壓力之和即可。

(3)砂卵石及“上軟下硬”地層掘進:此段地層比較復雜,斷面上地層差異很大。由于斷面上部地層軟弱并局部有含水的砂層,所以容易引起上部塌方,所以也采用土壓平衡模式掘進。但在這種不良地層掘進時土倉壓力不易控制:過高,則盾構推力和扭矩增大,作用在開挖面的有效推力不易掌握;過低,則易引起開挖面坍塌造成地面沉陷[4]。

3.2 掘進參數

盾構施工前,要根據不同的工程地質特性以及隧道的埋置深度計算確定主要的掘進參數,包括:盾構姿態、推力、扭矩、掘進速度、刀盤轉速、貫入度、土倉壓力,并根據始發掘進試驗段的監測情況進行及時的調整[5]。值得強調的是,由于土壓平衡模式下實際上是一種通過螺旋機的旋轉出土形成的動態平衡,所以在實際操作過程中螺旋機的轉速和壓力也要引起足夠重視[5]。

(1)土倉壓力:軟弱地層及“上軟下硬”地層土倉壓力 80～100 kPa,砂卵石層土倉壓力 60～80 kPa,停機拼環土壓120 kPa以上。

(2)推力及扭矩:推力 6000～10000 kN;設定工作油壓18MPa(急停扭矩約 3500 kN·m);

5.注重本國市場與國際市場的接軌。近幾年來，各國都加強了對金融衍生產品的立法監管，中國起步較晚、市場發展也并不全面，需要學習借鑒其他國家的經驗。一方面，金融衍生產品國際市場才是大盤，這要求各國加強合作，共同致力于金融衍生產品的風險控制。因此中國在金融市場的發展中，要注意對各個國家的雙邊及多邊協議和國際組織所訂立的協議進行整合，查漏補缺，取其精華，建立彼此聯系的法律應對機制。同時要加強與IMF、巴塞爾委員會，世界銀行等國際組織和國際重要金融機構之間的協作，各取所長，積極配合。

(3)刀盤轉速:全斷面巖層轉速 1.0～1.5 r/m in;其余地層轉速 0.5～1.0 r/m in。

(4)貫入度(切削量):軟弱地層 20～30mm/rpm;砂卵石層 15～25mm/rpm;全斷面巖石 10～15mm/rpm。

(5)同步注漿壓力及注漿量:漿液采用水泥砂漿。軟弱地層注漿壓力 180～280 kPa;砂卵石及巖層注漿壓力 150～200 kPa。注漿量大于 5.8m3/環。

(6)螺旋機轉速:低于 8r/min。

3.3 盾構機姿態的控制

在山前復雜地區掘進時,盾構機姿態控制非常重要,因為地層變化較大,尤其是在硬巖地層糾正盾構姿態難度比較大。因為硬巖段的開挖難度大,調整千斤頂推力糾偏效果不明顯,并且會加大刀具的磨損,同時糾偏過猛,存在盾構機被卡和管片錯臺加大的風險。因此,盾構機在掘進時,一定要控制好盾構姿態,一旦盾構姿態出現偏離,要遵循“長距離、緩糾偏”的思想[6]。而不能是通過猛糾,造成刀具的無謂磨損,甚至盾構機難以前進[6]。

3.4 同步注漿參數的設定

在山前沖洪積扇地層掘進時,由于刀盤和盾體的外徑不同,已拼裝的管片壁后與圍巖之間有 14 cm的間隙,如果不能及時注漿回填,管片在千斤頂推力的作用下會產生上移(盾構機推進千斤頂一般總是最下組推力大于其它幾組,對管片產生一個向上的分力)。在復雜地層盾構掘進時,合理控制同步注漿的注漿壓力、注漿量以及注漿速度,能夠有效遏制管片上浮現象[7]。同時,保證同步注漿質量,漿液將會在圍巖和管片間形成一層致密的防水層,對盾構隧道防水起到第一層保護作用。因此,同步注漿質量的好壞也是盾構隧道防水的關鍵。

4 結束語

北京地鐵 4號線北龍區間隧道所處山前沖洪積扇地層地質復雜,刀盤刀具磨損大,換刀頻率高,施工難度大。通過加強管理、提前策劃,尤其是對不同地層的特性進行了認真分析,盾構施工取得了較好的效果,安全快速地通過了本區間,并得出一些盾構施工經驗:地質認知是前提,施工技術管理是關鍵,盾構機選型及合理的參數是保證。基于本工程山前沖洪積扇地段的盾構施工經驗,總結出了一套較為成熟的施工技術方法,主要表現為:

(1)配置合理的刀具,提高刀盤切削土體的效率;

(2)設定適宜的掘進參數和同步注漿參數,確保盾構機在復合地層中能正常掘進;

(3)保證土倉內土壓的動態平衡,和螺旋輸送機的出土速度,保證盾構機能在巖層中安全快速地掘進。

[1]樂貴平.淺談北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型[J].現代隧道技術,2003,40(3):14

[2]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社,2004

[3]張勇智.硬巖隧洞掘進機(TBM)刀具的管理[J].現代隧道技術,2007(1):73-75

[4]趙全民.軟硬巖條件下土壓平衡盾構施工控制要點及對策[J].隧道建設,2005,25(增):47-48

[5]尤顯明,楊書江.短距離硬巖及上軟下硬地層盾構法施工技術[J].城市軌道交通研究,2007,2(1):32-34

[6]靳世鶴.廣州地鐵硬巖段土壓平衡盾構掘進施工的對策[J].都市快軌交通,2007(3):64-66

[7]楊書江.盾構在硬巖及軟硬不均地層施工技術研究[D].上海交通大學,2006