泥水盾構(gòu)在上軟下硬地層中的施工技術(shù)探討

摘要：文章結(jié)合在廣州地鐵九號(hào)線施工的一些經(jīng)驗(yàn)，分析了在泥水盾構(gòu)施工中遇到上軟下硬地層施工的難點(diǎn)，探討了通過從盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性的要求、掘進(jìn)參數(shù)的控制等方面去采取相應(yīng)的措施，從而去提高泥水盾構(gòu)在上軟下硬地層中掘進(jìn)效率及安全。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；上軟下硬；巖層；施工技術(shù)；掘進(jìn)效率 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U455 文章編號(hào)：1009-2374（2015）24-0092-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.045

廣州所處地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、水文條件非常復(fù)雜、巖土特性多種多樣。在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行地鐵施工，會(huì)遇到各種各樣的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和施工難題。就從目前廣州地鐵完成的多條線路的施工中，就非常頻繁地遇到盾構(gòu)需要在上軟下硬地層中掘進(jìn)，特別是泥水盾構(gòu)在這類地層中施工時(shí)，局限于其環(huán)流輸送系統(tǒng)的特點(diǎn)，遇到的問題會(huì)更多。在廣州地鐵九號(hào)線隧道施工中，就存在以石灰?guī)r為主，風(fēng)化程度不一、巖層與軟土層交錯(cuò)的上軟下硬地層。本文介紹了在這段區(qū)間泥水盾構(gòu)施工中采用的一些掘進(jìn)控制方法和措施。

1 上軟下硬地層中泥水盾構(gòu)掘進(jìn)的難點(diǎn)

當(dāng)盾構(gòu)在上軟下硬地層里掘進(jìn)時(shí)，由于整個(gè)開挖斷面圍巖整體性差，刀盤滾刀在巖面上進(jìn)行碾壓，破裂面會(huì)在巖層裂隙處產(chǎn)生，不均勻的巖塊崩落進(jìn)土倉，很多體積較大的巖石塊，常常在土倉排泥口、排泥管的彎管處以及排泥泵造成堵塞，嚴(yán)重影響了環(huán)流系統(tǒng)的穩(wěn)定。

巖面的軟硬不均會(huì)讓盾構(gòu)機(jī)刀具在轉(zhuǎn)動(dòng)切削中不斷與突出的巖面發(fā)生碰撞，使得刀具受到很大的沖擊造成損壞，從而降低盾構(gòu)的掘進(jìn)效率，甚至損傷刀盤。盾構(gòu)姿態(tài)也容易在軟硬不均地層內(nèi)向偏軟的方向發(fā)生慣性的偏移。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)引起的振動(dòng)和環(huán)流系統(tǒng)的波動(dòng)也會(huì)加劇對周邊地層的擾動(dòng)，從而造成地面出現(xiàn)沉降。

2 施工控制措施

2.1 盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性

2.1.1 扭矩推力的要求。盾構(gòu)機(jī)選型之初，要考慮盾構(gòu)機(jī)裝備足夠大的刀盤驅(qū)動(dòng)力矩和盾構(gòu)推力，特別是正常最大工作扭矩應(yīng)不小于5000kNm，確保刀盤在復(fù)雜地層情況下的掘進(jìn)安全系數(shù)。

2.1.2 破碎機(jī)的配備。盾構(gòu)機(jī)的環(huán)流系統(tǒng)也要考慮裝備破碎機(jī)，以具備對切削巖塊的進(jìn)一步破碎，減小渣土巖塊粒徑，提高環(huán)流系統(tǒng)的輸送順暢性。

2.1.3 刀盤的開口率的控制。對于泥水盾構(gòu)機(jī)而言，過大的巖塊進(jìn)入土倉將不容易通過管路輸送出去，而且容易堵塞排泥口。因此，當(dāng)泥水盾構(gòu)機(jī)上軟下硬巖層地層掘進(jìn)時(shí)，可考慮將刀盤的開口尺寸進(jìn)行針對性減小。部分較大的巖塊能在刀盤前可以有效碾磨破碎，而不是直接從過大的刀盤開口中直接進(jìn)入土倉內(nèi)。

2.1.4 刀具的選用。軟巖中夾雜大石塊及中風(fēng)化地層和微風(fēng)化地層的交界面，形成類似孤石的狀態(tài)。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，給孤石周圍軌跡線內(nèi)的刀具造成巨大的沖擊。中心滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)不良，刀圈受到軸向剪切力過大，使得刀圈斷裂。盾構(gòu)機(jī)選用的滾刀、貝殼刀和刮刀都必須采用特殊硬質(zhì)高強(qiáng)度合金鋼。為應(yīng)對過大沖擊對刀具的損傷，滾刀的刀圈應(yīng)選用硬度在HRC45～50。同時(shí)滾刀的啟動(dòng)扭矩需結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行相應(yīng)的增大，確保軸承具有足夠的承載力，確保所有刀具復(fù)雜地層條件下具備高的使用壽命，減小更換刀具的頻率和次數(shù)。在刀盤外周環(huán)部還必須安裝外周保護(hù)刀，與外周環(huán)上的硬質(zhì)堆焊一同發(fā)揮防止刀盤外周部磨損的作用。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

2.2.1 刀盤轉(zhuǎn)速和推力的控制。刀盤轉(zhuǎn)速，掘進(jìn)速度太快或是刀盤轉(zhuǎn)速過高都不能較好的切碎巖體，同時(shí)容易造成刀具的偏磨。通常盾構(gòu)掘進(jìn)的速度決定刀具的貫入度，速度越大刀具入巖的進(jìn)尺越大。而盾構(gòu)在上軟下硬的巖層中內(nèi)掘進(jìn)，由于巖體存在裂隙發(fā)育，刀具進(jìn)尺過大會(huì)使得開挖掌子面的巖體沿裂隙整塊剝離，起不到切碎巖體的作用，并且剝離下來的大塊巖體無法帶出，會(huì)堆積在土倉內(nèi)影響盾構(gòu)的掘進(jìn)。因此盾構(gòu)在這類地層掘進(jìn)，其速度要控制在15mm以內(nèi)，并且刀盤的轉(zhuǎn)速也不能超過1rap/min，以減少刀具撞擊到突出巖石時(shí)受到的瞬間反沖力，從而對刀具起到一定的保護(hù)作用。

2.2.2 盾構(gòu)姿態(tài)的控制。進(jìn)入上軟下硬地層后，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)千斤頂由于受力不均，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)方向控制困難，造成盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)偏差。因此，在掘進(jìn)過程中密切觀察盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)測量系統(tǒng)的盾構(gòu)姿態(tài)的趨勢，提前采用改變推進(jìn)千斤頂數(shù)量和改變鉸接行程的方法對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，提前將盾構(gòu)機(jī)往另一側(cè)壓，防止盾構(gòu)機(jī)超限。同時(shí)，如果刀盤設(shè)置有仿形刀，也可以利用仿形刀對硬巖部分適當(dāng)超挖亦可以避免盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏移過大。如盾構(gòu)姿態(tài)已經(jīng)發(fā)生較大的誤差時(shí)，需及時(shí)遵循“連續(xù)、緩糾”的原則逐個(gè)方向地進(jìn)行糾偏。同時(shí)，在糾偏過程中要經(jīng)常松開一下頂在管片上的千斤頂，防止對管片造成損壞。

2.2.3 切口水壓的控制。在上軟下硬的地質(zhì)條件下，隧道開挖斷面上部及隧道頂部存在較為松軟的土層或砂層。為了保證施工過程和地面建筑物的安全，必須保持掌子面穩(wěn)定，必須要推進(jìn)過程中保持切口水壓穩(wěn)定，防止切口水壓變化幅度過大引起上部土層的坍塌或者擊穿地面引起冒漿。

2.2.4 環(huán)流操作控制。通常泥水盾構(gòu)掘進(jìn)，環(huán)流是采用正循環(huán)，而盾構(gòu)在上軟下硬巖層中掘進(jìn)，由于巖體破碎會(huì)有較大粒徑的碎石進(jìn)入土倉無法從排泥管帶出，使得環(huán)流容易堵塞無法掘進(jìn)。因此盾構(gòu)在此類地層掘進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)環(huán)流堵塞情況后，結(jié)合逆洗送正操作，及時(shí)通過正送盡可能多的排出石塊。始終保證土倉內(nèi)巖塊和渣土不急劇增多，雖然掘進(jìn)速度慢但可保證盾構(gòu)的正常掘進(jìn)。可大大減少開倉取礫的次數(shù)，提高進(jìn)度。不能單一采用逆循環(huán)掘進(jìn)，這樣部分小粒徑的碎石可通過送泥管帶出，部份大粒徑的碎石也會(huì)在土倉內(nèi)磨成小碎石從送泥管帶出。但逆推的排渣效率很低，時(shí)間一久必然造成土倉被渣土堆滿。

通過使用土倉循環(huán)泵，加大泥水盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)的泥漿流量，使得巖塊不易大量積存在底部的排泥口，有利于渣土的排出。

2.2.5 人工開倉清除石塊。由于巖體破碎切屑過程中將有較多粒徑不一的碎石自行剝落，無法通過環(huán)流帶出的大粒徑碎石將積存在土倉內(nèi)，因此掘進(jìn)過程中應(yīng)密切關(guān)注推力、扭矩的變化，當(dāng)推力、扭矩異常增大時(shí)要立即停機(jī)開倉檢查，人工清除土倉內(nèi)積存的大粒徑巖塊。

2.2.6 注漿管理。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，要及時(shí)對土體與管片間的開挖間隙及時(shí)進(jìn)行注漿填充。要考慮盾構(gòu)姿態(tài)和開挖擾動(dòng)的影響，實(shí)際注漿量往往要達(dá)到理論計(jì)算空隙的130%～180%。注漿壓力根據(jù)切口水壓和埋深厚度進(jìn)行確定，一般比切口水壓大100kPa左右。同時(shí)，注漿過程中還應(yīng)根據(jù)地表隆陷監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整和動(dòng)態(tài)管理。在結(jié)構(gòu)與地層變形不能得到有效控制、下穿地面建筑物或存在地下水滲漏區(qū)段，通過吊裝孔對管片背后進(jìn)行補(bǔ)充注漿，以增加注漿層的密實(shí)性并提高防水效果。必要時(shí)間隔5～10環(huán)注入雙液注漿（水泥漿+水玻璃）形成止?jié){環(huán)，減小地下水滲漏通道。

2.3 泥漿質(zhì)量控制

由于多處在全斷面巖層和開挖斷面內(nèi)無全風(fēng)化巖層或黏土層，地層的造漿能力差。而要穩(wěn)定開挖斷面內(nèi)軟弱地層并確保泥漿的攜渣能力，需要濃度較高的優(yōu)質(zhì)泥漿。在掘進(jìn)中需要及時(shí)檢測泥漿的黏度、比重、析水率等參數(shù)，確保泥漿具備較高性能的指標(biāo)。泥漿比重可控制在1.25～1.35g/cm3，黏度24～26s。由于地層的造漿能力差，隨著不斷推進(jìn)，泥漿消耗速度也非常快。要結(jié)合地質(zhì)情況事先儲(chǔ)備較高濃度的泥漿進(jìn)行備用，或者儲(chǔ)備足夠高質(zhì)量的膨潤土進(jìn)行及時(shí)的調(diào)漿補(bǔ)充。

3 結(jié)語

通過在廣州地鐵九號(hào)線上軟下硬地層中的施工經(jīng)驗(yàn)來看，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行針對性的適應(yīng)性改造，并在施工中采用信息法指導(dǎo)施工，采取針對實(shí)際地質(zhì)條件的掘進(jìn)方案和控制措施，可以確保泥水盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工的效率和安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 竺維彬，鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2] 楊書江.廣州地鐵大石～漢溪區(qū)間盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，（41）.

作者簡介：龍國強(qiáng)（1985-），男，廣西桂林人，廣東華隧建設(shè)股份有限公司工程師，研究方向：盾構(gòu)施工技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）