大粒徑卵石地層隧道直接式泥水平衡盾構機關鍵技術研究

李鴻

摘? 要：大粒徑卵石地層隧道盾構掘進是業界棘手的施工難題。對于大多選用的直接式泥水盾構機，盾構機再掘進過程中極易產生排漿管堵管、出渣不暢、頻繁開采石箱清渣等施工難題。基于此，本文以大粒徑卵石地層盾構隧道為研究對象，對直接式泥水平衡盾構機關鍵施工技術進行研究，對盾構機刀盤刀具進行自適應優化，對掘進參數進行調整，對掘進設備進行優化改造，總結出適應該地層的施工技術，為類似地層隧道盾構施工提供指導和借鑒。

關鍵詞：礫石地層? 大粒徑卵石? 直接式泥水平衡盾構機? 盾構掘進? 關鍵技術

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0048-04

Abstract： Shield tunneling in large-size pebble stratum is a difficult construction problem in the industry. For most of the direct slurry shield machines， the construction problems such as blocking of discharge pipe， blocking of slag discharge pipe， frequent slag removal by stone box and so on， are easy to occur in the process of shield tunneling. Based on this， this paper studies the key construction technology of direct slurry balance shield machine with large particle size pebble stratum as the research object. The cutter head cutter of the shield machine is optimized adaptively， the tunneling parameters are adjusted， and the tunneling equipment is optimized. Finally， the construction technology suitable for stratum is summarized， which provides guidance and reference for shield construction of similar stratum tunnel.

Key Words： Gravel stratum; Large size pebble; Direct slurry balance shield machine; Shield tunneling; Key technology

泥水平衡盾構機施工關鍵技術的研究及應用是一個系統性科學難題。國內外諸多相關學者對此進行了一定程度的研究與探討。陳健[1]等以武漢地鐵八號線越江隧道、南京長江隧道等盾構隧道為研究對象，探究了泥水平衡盾構機穿越超大直徑復雜地層隧道的施工重難點及關鍵技術，總結得出盾構機始發、掘進及接收技術，膨脹土地層的盾構機改造技術、刀盤刀具更換技術及開挖穩定性控制技術等。劉濱[2]等探究了泥水平衡盾構機穿越高富水復雜地層隧道的施工關鍵技術，提出了盾構隧道砂漿回填方案、盾構機姿態控制及管片拆除方案等三方面研究。

不難發現，泥水平衡盾構機關鍵施工技術研究是一項復雜的系統性工程，一直是施工的重點及難點，研究的熱點及前沿。對于大粒徑卵石地層隧道，極少有對改良后的直接式泥水平衡盾構機關鍵技術進行研究，本文以此為研究對象，以期得出關鍵施工技術，供相關研究及工程應用參考。

1? 工程概況

以某盾構隧道為例進行說明。據隧道地質勘查資料顯示，隧道穿越的地層主要為礫石、泥巖、鈣質泥巖、泥質粉砂巖等復合地層。其中，礫石呈中密～密實狀，粒徑較大，粒徑大致范圍為2～30mm，厚度為1.90～28.00m;泥巖成巖程度較深，呈半巖半土狀，風干開裂，遇水易軟化，天然狀態下單軸抗壓強度為1.03～7.39MPa，屬A2類膨脹土;泥質粉砂巖為粉砂質結構，呈半巖半土狀，天然狀態下單軸抗壓強度為0.92～3.56MPa;鈣質泥巖已固結成巖石狀的半成巖，天然狀態下單軸抗壓強度為1.40～4.15MPa。

隧址區地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和基巖裂隙水。

其中上層滯水主要賦存于人工填土層和淺部粉土、砂土層中，分布不均勻、水位不連續、高低變化很大。第四系松散巖類孔隙水主要分布在邕江低階地亞區和高階地亞區。碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于下伏古近系半成巖的粉砂巖和泥質粉砂巖中，該層地下水具承壓性，富水性弱，屬弱～中透水層，水位埋深1.6～18.5m。基巖裂隙水主要賦存于泥質硅質巖全風化、強風化帶內，受大氣降水及地表水體補給，水量隨季節變化較大。

2? 適應性盾構機設計

如上所述，該地層隧道地質情況較為復雜，地層起伏變化較大，泥巖占比高達70%，刀盤易結泥餅，根據盾構機適應性設計分析，采用2臺泥水平衡盾構機分別用于隧道左線和右線，泥水倉由氣墊式改造成直接式，提高排渣效率。盾構機簡介如表1所示。

盾構機刀盤開口在整個盤面均勻分布，能夠實現碴土徑向方向的順利流動，使碴土在刀盤中心區域不易形成因流動不暢而引起的堵塞和堆積，保證刀盤掘進過程中碴土順利進入泥水倉，有效提高出渣效率。刀盤結構見圖1，刀具配置見表2。

3? 盾構機始發段掘進參數控制及設備優化改造

3.1 掘進參數

盾構始發段穿越礫石層，自穩定較差，地下水位較高，為確保掌子面穩定及提高排漿管攜帶大粒徑礫石能力，根據實際掘進情況、倉內液位的波動情況、地面沉降監測等確定掘進參數，如表3所示。

3.2 盾構機姿態

結合拼裝管片姿態與人工復合姿態對比，礫石地層成型管片平均上浮量為20～30mm，盾構機掘進垂直姿態控制在-20～30mm，每環糾偏量控制在6mm以內。

3.3 同步注漿及二次注漿

同步注漿采用注漿量及注漿壓力雙重控制，每環注漿量控制在5.5～6m3，注漿壓力控制在0.3～0.35Mpa，確保壁后空隙填充密實，同步注漿配合比如表4所示。

二次注漿通過盾尾平臺自備KBY-50雙液注漿泵在管片拖出盾尾后4～6環進行，采用水泥水玻璃雙液漿作為注漿材料，漿液配比為1：1，二次注漿壓力為0.3～0.4Mpa，單孔注漿量為1～1.5m3。通過同步注漿和二次注漿，有效解決了泥水盾構機穿越礫石地層管片易上浮、地面沉降難控制的難題。

3.4 設備優化改造

通過進排漿管流量計算重新匹配P2泵功率，將原排漿管直徑200mm調整為250mm，提高可最大攜帶礫石直徑。

第一次改造采石箱內部結構，增加橫向鋼筋格網，間距150mm，利用鋼筋網將采石箱分為二層，使排漿管路內大于150mm礫石頭留在采石箱內，小于鋼筋格網的礫石可正常循環至分離設備分離，大塊礫石通過開采石箱進行人工清理，由于橫向鋼筋格網強度較低，實際施工過程中易變形。采石箱內部結構及第一次改造見圖2。

第二次改造采石箱內部結構，將橫向鋼筋格網改為橫向鋼板格網，間距150mm，滿足實際施工強度及剛度要求，但由于鋼板格網上部存渣數量有限，每掘進一環需開采石箱3～5次，掘進效率較低。第三次改造采石箱內部結構，將橫向鋼板格網改為豎向鋼筋格網，間距150mm，通過實際施工驗證，強度滿足要求。同時增大采石箱容積，提高采石箱存渣量，將原將采石箱倉門螺栓連接改造為簡易連接，確保快速開關倉門進行人工清理大塊礫石，減少因開采石箱影響盾構掘進時間。

經過三次改造采石箱，使每環掘進開采石箱次數降低至1次，人工開采石箱清理渣土開關倉門時間節約0.5h，大大提高了掘進效率。

4? 結語

本文所得大粒徑卵石地層隧道直接式盾構掘進施工技術，在工程中的成功應用，大大減少了排漿管堵管及開采石箱清理礫石次數，提高了掘進效率，降低了施工成本，取得了良好的經濟效益和社會效益。其研究成果對今后地鐵或類似工程的建設提供了重要參考，同時對提高我國隧道和地下工程領域的總體技術水平也有著十分重要的意義。

參考文獻

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