土壓盾構(gòu)穿越復(fù)合地層技術(shù)

李學軍

(中鐵隧道局集團有限公司，四川成都 610031)

盾構(gòu)法具有安全、高效、地層適應(yīng)性強等優(yōu)點，在如今的隧道區(qū)間施工中得到廣泛地應(yīng)用。成都地鐵3號線采用盾構(gòu)法施工，沿線不同區(qū)段地質(zhì)條件有著較大差異。為了提高施工效率，某標段選用了3臺土壓盾構(gòu)機(編號4～6號)進行施工。由于地層的實際特點，在已有對于富水砂卵石地層盾構(gòu)施工適應(yīng)性分析[1]的基礎(chǔ)上，對選用的盾構(gòu)機的刀盤、刀具進行了適應(yīng)性的設(shè)計，同時還為了保持盾構(gòu)通過時土體的穩(wěn)定，針對軟弱地層進行了超前預(yù)加固[2]來滿足施工要求。

本文就6號盾構(gòu)機施工為例進行介紹，首先介紹盾構(gòu)機的選用，然后再介紹采用的土體加固方法，供業(yè)內(nèi)同行參考。

1 工程概況及施工重難點

1.1 工程地質(zhì)

經(jīng)勘察查明，在盾構(gòu)井及盾構(gòu)區(qū)間鉆探揭露深度范圍內(nèi)，場地土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)組成。隧道穿越地層主要為砂卵石地層[3]及泥巖地層。區(qū)間內(nèi)不良地質(zhì)為液化砂土和粉土，特殊性巖土為人工填土(圖1)。

6號盾構(gòu)掘進長度2 656.717m(含長、短鏈)。隧道曲線半徑在300～450m之間，最大坡度為27 ‰。

圖1 6號盾構(gòu)通過地層

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料、場地土層及地下水的賦存條件，地下水主要有3種類型：一是賦存于填土里的上層滯水；二是賦存于卵石層的孔隙潛水；三是基巖裂隙水。

1.3 施工重難點

通過對工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的分析，可以看出其對施工存在一定的影響[4]。

(1)盾構(gòu)經(jīng)過區(qū)段，主要為第四系土，由于第四系沉積物形成較晚，大多未膠結(jié)，結(jié)構(gòu)比較松散，屬于軟弱地層，這對于施工過程中地層穩(wěn)定性有一定的影響。

(2)地層主要由砂卵石土層和泥巖組成，而砂卵石以稍密～密實為主，局部松散，自穩(wěn)能力差；泥巖主要包括中風化和強風化泥巖兩種，都是極軟巖，并且中風化泥巖遇水易軟化。

(3)成都地區(qū)地下水豐富，在雨季地下水一般在3.0～4.0m，砂卵石地層滲透系數(shù)一般為18～25m/d，滲透系數(shù)大，施工時泥巖軟化會產(chǎn)生隱患。在換刀位置，需對砂卵石進行袖閥管注漿加固，但由于地下水流動性大和砂卵石的孔隙率大的特點，導(dǎo)致漿液(單液漿、雙液漿)無法有效凝固，影響地層固結(jié)效果。

(4)卵石層中卵石含量一般在60 %～70 %之間，粒徑以2～15cm為主，最大粒徑達20cm。盾構(gòu)掘進時，大顆粒切削或者破碎困難，加上砂卵石在掘進時與刀盤、刀具，輸送設(shè)備以及密封艙內(nèi)壁摩擦會產(chǎn)生較大的設(shè)備磨損，致使長距離掘進面臨較大困難。

2 盾構(gòu)機主要技術(shù)參數(shù)

2.1 盾構(gòu)機選型

鑒于成都地區(qū)的地層有著較大的滲透性，從經(jīng)濟性和地層適應(yīng)性方面考慮，最后決定選擇中鐵27號土壓平衡式盾構(gòu)機。

在施工過程中，為了增強盾構(gòu)機的適應(yīng)性，提高施工質(zhì)量，進行了盾構(gòu)機小范圍的適應(yīng)性改造，改造后主要性能參數(shù)如表1。

2.2 刀盤、刀具設(shè)計

2.2.1 刀盤

2.2.1.1 刀盤形式

輻條式刀盤易于控制土壓力、刀盤扭矩小、設(shè)備磨損相對較小，但是對于掌子面的支撐??；面板式刀盤雖然能對掌子面能起到很好的支撐作用，但是與土層摩擦力較大需要較大的扭矩，設(shè)備磨損較大。施工區(qū)域?qū)儆谲浫醯貙?，砂卵石與刀盤摩擦大，掌子面的自穩(wěn)定性差，單一輻條式和面板式刀盤并不能滿足施工要求。選用輻板式刀盤最為合理，兼具二者的優(yōu)點。刀盤主要由四個主刀梁和四個短刀梁及外圈梁組成，前面板和外圈梁含有耐磨層，保護刀盤本體，結(jié)構(gòu)如圖2。

表1 土壓式盾構(gòu)機改造后參數(shù)

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)

2.2.1.2 刀盤開口

已有研究表明[5]，隨著盾構(gòu)的開口率增大，刀盤扭矩減小，土倉壓力增大，因此在進行開口率設(shè)計時當選擇一個合適值，不應(yīng)過大也不應(yīng)過小。對于砂卵石地層，盾構(gòu)機刀盤整體開口率一般設(shè)計為38 %～41 %。

為了避免在施工過程中形成泥餅，在中心部位留有合適的開口以防止刀盤中心泥餅，但大面積的開口布置在刀盤外環(huán)周邊，共有12個開口，每個方向旋轉(zhuǎn)時可有6個有效的進碴口以滿足敞開模式掘進時的進碴需求。

2.2.2 刀具

根據(jù)刀具各自的特點，盾構(gòu)機刀具采用了5把雙聯(lián)中心滾刀，31把單刃滾刀，40把切刀和32把刮刀。配置中心滾刀用于大直徑卵石顆粒的粉碎；切刀是主刀具，開挖大部分斷面；刮刀開挖周邊土體，保證開挖直徑。大量刀具的配置，可以減小開挖所需的刀盤扭矩。

在進行刀具布置時，考慮到對刀具的保護。邊刀采用大傾角(70 °)布置，以便增大刀體與開挖面的距離，減少塊狀碴土對刀體的額外附加荷載以減少滾刀軸承荷載，使軸承荷載盡可能用于刀刃。刀盤外環(huán)所有刀具均設(shè)計有刀體保護塊，以便排開刀盤底部存留碴土，避免其對刀體的附加荷載及損壞。

3 土體加固措施

施工區(qū)間的地層屬于第四系軟弱巖層，在加上地下水豐富，地下水對于泥巖具有軟化作用，施工條件不易滿足。需要配以相應(yīng)的土體加固措施，來輔助盾構(gòu)推進，保證盾構(gòu)通過時地層要求。

3.1 加固原理

利用管棚鉆機在隧道拱頂區(qū)域鉆設(shè)注漿孔，打設(shè)超前支護鋼管，并進行注漿固結(jié)地層，使隧道拱頂預(yù)先形成保護帶。此結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪功能可有效承載局部松馳的地層荷重，適時提供隧道盾構(gòu)露出刀盤、無法及時注漿或補充注漿前這一空當所需的支撐力，使地表得以穩(wěn)定安全，從而保證盾構(gòu)施工。

3.2 實際施工參數(shù)

在本次掘進中，鉆孔采用跟管鉆機，管棚采用φ108mm，壁厚6mm的無縫鋼管，分節(jié)安裝。管棚分節(jié)為3m×2+4m=10m。兩節(jié)之間采用螺紋連接，螺紋段長大于150mm，相鄰兩根鋼花管的接頭要錯開，錯開長度不小于1.0m。注漿鋼管上鉆注漿孔，孔徑φ10mm，孔間距200mm，呈梅花型布置。鋼管尾部2.0m不鉆孔作為止?jié){段，注漿采用水泥漿液。管棚地層加固如圖3所示。

4 施工效果

高省區(qū)間左線1 142.343m，右線1 149.459m。地質(zhì)條件主要為全斷面砂卵石地層。實現(xiàn)無換刀完成掘進任務(wù)。創(chuàng)造了成都地區(qū)砂卵石地層無換刀掘進長度的新紀錄。

5 結(jié)論

成都地鐵3號線修建區(qū)間在施工時，對盾構(gòu)機進行了適應(yīng)性改造，并且輔以相應(yīng)的土體加固措施來保證施工，以提高效率和質(zhì)量。通過對6號盾構(gòu)機改造以及取得良好的施工效果，可以得出以下結(jié)論。

圖3 管棚地層加固示意(單位：mm)

(1)刀盤開口率設(shè)計要根據(jù)實際土層情況進行選擇，綜合考慮土倉壓力、刀盤扭矩和泥餅防治等因素。

(2)輻條式刀盤和面板式刀盤各有優(yōu)劣，當單一式難以滿足施工要求時，可以選用兼具二者優(yōu)點的輻板式刀盤。

(3)刀具配置方面，大量刀具的設(shè)計能在一定程度上減小掘進所需的刀盤扭矩。

配置一定數(shù)量的中心滾刀，可以保證大顆粒卵石的破碎，避免盾構(gòu)機卡殼。同時邊刀的大角度布置起到了保護刀具的作用。

(4)對于軟弱地層而言，配以相應(yīng)的土體加固措施十分必要。