盾構法施工大漂石處理技術

張 穎

(蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215006)

0 引言

大漂石一般指粒徑大于200 mm的卵石，通常賦存在砂卵石地層或其他土層中，其空間分布具有較大的隨機性，很難找到規律;且由于鉆探布孔密度的原因，地質勘察時不易被發現，給盾構施工造成極大困難。其影響主要表現為:刀具磨損嚴重、刀座變形、刀具更換困難;刀盤過度磨耗導致刀盤強度和剛度降低，引起刀盤變形;刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞;大漂石無法破碎，導致盾構掘進受阻或偏離設計線路等。

在盾構法施工大漂石處理技術方面，陳饋等［1］介紹了刀具的種類和破巖機制;管會生等［2-3］介紹了地鐵施工時大漂石對盾構選型的影響、大漂石的行為預測和處理;酒井榮治等［4］研制了一種適合漂石、卵石砂礫層的盾構，該盾構盡量有效利用不破碎的優點，以減少刀具的磨損;楊書江及劉建國［5-6］等分別針對成都和深圳地鐵施工中的大漂石處理技術進行了介紹;張兵和劉東等［7-8］針對北京直徑線的富水砂卵石施工，論述了撕裂刀和滾刀對大卵石膠結層的破碎效果和刀具配置建議。上述研究大多是針對某一特定地質進行分析，反映的問題不夠系統，沒有給出解決較全面的措施。本文結合富水砂卵石地層中盾構法隧道施工實踐，對滾刀破碎大漂石原理進行了闡述，提出了土壓平衡盾構和泥水盾構在大漂石處理上的針對性設計，并總結出了行之有效的大漂石處理措施和“破大放小”的成功處理經驗。

1 大漂石破碎原理

在滾刀破碎卵石的過程中，以其通過線為起點，逐漸產生拉伸力，從而將卵石破碎。

如果是較小的卵石，破碎過程就如用鋼釬打入一樣。若是大直徑卵石則從表面出現細小的剝落開始，然后逐漸累積，根據切割連帶效果和滾刀的連續運轉帶來的沖擊，以刀尖為起點開始出現裂痕，最后實現破碎。具體過程見圖1。

對于最大卵石直徑不超過200 mm的砂卵石地層，在盾構選型和刀盤設計時按可能通過的最大卵石直徑確定刀盤開口率和開口寬度。進入土倉的卵石粒徑必須與螺旋輸送機的輸送能力相適應，確保進入土倉的卵石能被螺旋輸送機順利排出。

當最大卵石直徑超過200mm時，由于受安裝空間的限制，增大螺旋輸送機直徑受到多方面的制約，即使增大刀盤開口也難以有效解決排碴問題。只能在提高刀具破巖能力的同時，考慮其他輔助工法進行大漂石的破碎。對無水砂卵石地層可考慮采用輻條式刀盤或者輻條面板式刀盤，輔以帶式螺旋機出碴。3種刀盤類型見圖2。

圖1 大漂石破碎示意圖Fig.1 Pictureofboulderbreaking

2 大漂石對盾構選型的要求

為了確保盾構掘進的順利實施，根據大漂石的粒徑和密集成群的分布特點，在盾構選型時做了針對性設計。刀盤采用面板式結構，可維持掌子面的穩定，刀盤布置有多個開口槽，單個開口的大小將限制進入土倉或泥水倉的卵石大小。一般采用在開口部位焊接隔板的方法(見圖3)，把400mm粒徑以上的卵石阻止在刀盤以外，只允許400mm以下粒徑的碴塊通過以利于渣土排出。刀盤上安裝有滾刀、撕裂刀、刮刀和切刀，被擋在刀盤外的大漂石靠滾刀滾壓破碎。

圖2 刀盤圖Fig.2 Cutterheads

2.1 泥水平衡盾構

泥水盾構處理大漂石主要有以下2種方式:

1)刀盤前破碎 +機內破碎。在刀盤前利用布置的盤形滾刀將大漂石破碎至400mm以下，大漂石碎塊和小于400mm的卵石通過刀盤上的開口進入泥水倉內，在氣壓倉的底部、排泥管吸漿口的前端安裝了一臺雙顎板式破碎機(見圖4)，將卵石再次破碎到粒徑140mm以下后，才進入排泥管。破碎機能破碎的卵石的最大尺寸為400mm，其后配有隔柵條，用來限制進入排泥管的石塊的尺寸。

圖3 刀盤開口位置焊接的隔板Fig.3 Welded diaphragm at opening position of cutterhead

圖4 雙顎板式破碎機Fig.4 Double-jaw slat crusher

2)刀盤前破碎 +卵石分級。盤形滾刀將大漂石在刀盤前進行破碎之后，利用在氣壓倉與排泥管之間設置的旋轉式分級器進行卵石分級處理，將粒徑大于70 mm的卵石分離出來，采用碴車運輸至洞外，相當于在泥水盾構之外，還需要配備土壓盾構的礦車出碴系統(差別僅是沒有安裝螺旋輸送機)，這種方式出碴效率較低，從而制約了盾構掘進效率的發揮，國內尚未見到工程應用實例的報道。

2.2 土壓平衡盾構

土壓平衡盾構采用螺旋輸送機進行排土，由于配備的螺旋機直徑受到盾構尺寸的限制，使排除的卵石直徑受到限制，如軸式螺旋輸送機直徑為800 mm時，通過最大卵石粒徑為300 mm。需利用刀盤上的滾刀將大粒徑漂石破碎至300 mm以下，然后通過刀盤上的開口進入土倉內后采用螺旋輸送機排土，效率較高。在富水砂卵石地層中，土壓平衡盾構螺旋輸送機采用了雙螺旋、軸式，不僅提供更大的內徑以利于大卵石的通過，而且有效地防止噴涌。成都地鐵一號線一期工程盾構4標通過螺旋輸送機上的預留孔注入膨潤土、泡沫或聚合物等，極大改善了渣土的的流動性，確保了排碴的順暢。

針對大漂石的盾構設計有另外一種思路，即采用輻條式刀盤，開口率65%左右，帶式螺旋機排碴。日本在這方面成功經驗較多，日立盾構采用直徑1 000 mm的帶式螺旋機，可以輸送725 mm×670 mm的卵石，直徑845 mm的帶式螺旋機，可以輸送630 mm×570 mm的卵石，即使在含大漂石的砂卵石地層中亦完全適用;但地下水位較高時，帶式螺旋機容易出現噴渣問題，實際效果還有待于驗證。

3 大漂石處理措施

清除大漂石對于施工人員和工程項目的危險性較高，掌子面坍塌可能造成人員傷亡，也可能引起隧道頂部地面過大的沉降。在沒有自穩能力的地層，常壓進入土倉或泥水倉的風險極大，通常需要從地面注入漿液或通過刀盤向開挖面地層注入漿液對土體進行加固。

3.1 掘進過程中出現大漂石的判斷

在掘進過程中，出現下列情況之一時，初步判斷刀盤前方可能遇到大漂石。

1)刀盤前方出現異常聲音;2)正常掘進速度突然變小;

3)盾構推力、扭矩突然波動較大;

4)刀盤轉動時出現顛簸現象，無法繼續掘進。

3.2 利用盾構切削處理大漂石

1)做好補充地質勘察，在盾構到達大漂石地段前做好刀盤刀具的檢查，保證刀盤刀具處于良好的工作狀態。

2)改變掘進參數，適當減小刀盤轉速，增大推力，將刀具的貫入量控制在10 mm/r以下，同時刀盤采取正、反轉的方式緩慢切削大漂石，注意控制刀盤的扭矩變化量在10%以內。在刀盤正、反轉的過程中應有耐心，不得急燥。

3)泥水平衡盾構在切削大漂石過程中注意控制好泥漿性能和泥水倉壓力，保證掌子面泥膜能有效穩定掌子面，減小刀盤刀具的磨損，必要時調配優質泥漿。在切削大漂石過程中注意碎石機系統的檢修，保證碎石機以良好的工作狀態及時破碎可能產生的大粒徑卵石，防止泥漿管路堵塞。

4)土壓平衡盾構在切削大漂石時，盡可能多的向刀盤、土倉以及螺旋輸送機內加入泡沫或膨潤土泥漿進行潤滑。

3.3 帶壓進倉處理

采取上述措施后，若未能破碎大漂石，優先考慮帶壓處理。在富水砂卵石地層中已經有成功實施泥水平衡盾構和土壓平衡盾構帶壓進倉的技術。作業人員進入泥水倉(或土倉)利用液壓錘或靜態爆破進行大漂石的處理。

3.4 地層加固后常壓進倉處理

在帶壓進倉條件不允許時，考慮從地面進行地層加固，待掌子面有足夠的自穩能力后，進入泥水倉(或土倉)利用液壓錘進行大漂石處理。常壓進倉地層加固應綜合考慮地質情況、隧道埋深、地面環境等確定加固措施。地層加固方面的工程實例較多，在此不做詳細介紹。

3.5 深孔爆破處理

深圳地鐵在地面具有圍擋施工的條件下，采用了深孔爆破處理新技術。深孔爆破是指孔深在5 m以上的鉆孔爆破技術，可根據大漂石的形狀、大小來確定孔徑、深度和裝藥量，對厚度較大的大漂石可實施分層爆破。考慮盾構的出渣能力，爆破后石塊的單邊長度控制在300 mm以下，以利于螺旋輸送機順利出渣。爆破后石塊的大小通過調整爆破孔間距和用藥量來進行控制。鉆孔直徑為110 mm，孔距和排距均為800 mm。孔內雷管選用毫秒導爆管雷管，起爆雷管選用順發電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標準直徑為60 mm。

3.6 人工挖孔樁或沖孔樁破碎

對個別體積較大的大漂石，采用地表人工挖孔樁或沖孔樁的方法破碎，設計挖孔直徑1.5 m。人工挖孔至孤石位置，采用風鉆打眼，間距300 mm×300 mm，梅花形布置，孔徑40 mm。鉆孔結束后使用巖石劈裂機對大漂石進行破碎，破碎后碴塊被清理吊出，破除至盾構周身范圍以外15cm。大漂石破碎后，對孔洞進行黏土回填，并隨填隨夯，保證密實度，同時在孔中埋設注漿管，回填完畢后對其進行注漿加固。

準確判定大漂石的位置后，用沖孔鉆機從地面沖孔破碎也是一種有效的處理方法。

4 結論與建議

實踐證明，利用盾構切削系統破碎大粒徑的漂石然后排出(即“破大放小”)的原則是可行的。在含大漂石地層中掘進時，應進一步提高盾構刀盤刀具、碎石機和排漿泵及管路、螺旋輸送機等系統的耐磨損性能。對土壓平衡盾構，采用增大刀盤開口或采用輻條式刀盤同時利用大直徑帶式螺旋輸送機來輸送大粒徑卵石的措施來處理大漂石，以提高盾構掘進效率、減小刀盤刀具以及渣土輸送系統的磨耗，可在今后的施工中做一些嘗試。

［1］ 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 管會生，高波.陸建新軟土隧道中大漂石的處理與行為預測［C］//大直徑隧道與城市軌道交通工程技術——2005上海國際隧道工程研討會文集.上海:上海市土木工程學會，2005.

［3］ 管會生.盾構選型中大漂石的影響及處理［J］.建筑機械化，2008(4):57-59.(GUAN Huisheng.Affection of boulder to shield model selection and its processing method［J］.Construction Mechanization，2008(4):57-59.(in Chinese))

［4］ 酒井榮治，島田英樹，松井紀九男，等.漂石、卵石砂礫層用多軸破碎型盾構掘進機的研制［C］//2003非開挖技術會議論文專輯.北京:非開挖技術中心，2003.

［5］ 楊書江，章龍管，韓亞麗，等.富水砂卵石地層盾構法施工關鍵技術研究［R］.鄭州:中鐵隧道股份有限公司，2009.

［6］ 劉建國.深圳地鐵軟硬不均復雜地層盾構施工對策［J］.現代隧道技術，2010(5):79-83.(LIU Jianguo.Countermeasures for shield tunneling in aard and soft mixed strata of Shenzhen Subway［J］.Modern Tunnelling Technology，2010(5):79-83.(in Chinese))

［7］ 張兵，李建華.砂卵石地層大直徑泥水盾構刀具配置適應性分析［C］//中鐵隧道集團第三屆科技大會論文集.洛陽:中鐵隧道集團有限公司，2010.

［8］ 劉東.繁華城區富水砂卵石地層大直徑泥水盾構隧道施工關鍵技術［J］.隧道建設，2011，31(1):76-81.(LIU Dong.Key construction technology for large diameter slurry shield tunneling in water-rich sandy gravel strata in busy urban area［J］.Tunnel Construction，2011，31(1):76-81.(in Chinese))