盾構(gòu)長距離穿越上軟下硬富水石灰?guī)r地層施工技術(shù)

田瑞忠

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024)

1 前言

隨著城市軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，面對復(fù)雜多變的地下環(huán)境，地下區(qū)間施工大多會選擇安全和進(jìn)度可靠的盾構(gòu)法，但傳統(tǒng)盾構(gòu)法也表現(xiàn)出對復(fù)雜地層適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。土壓平衡式盾構(gòu)長距離穿越上軟下硬富水石灰?guī)r地層一直是國內(nèi)外盾構(gòu)技術(shù)人員研究的重點(diǎn)和難題。傳統(tǒng)盾構(gòu)法在施工過程中往往憑經(jīng)驗設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)穿越上軟下硬地層推力和扭矩變化幅度大，掘進(jìn)方向容易產(chǎn)生偏差，有可能突遇溶洞、螺旋機(jī)噴涌，導(dǎo)致大量水土回落至隧道和施工區(qū)域，甚至出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)掉落以及危及成型隧道安全的現(xiàn)象。另外盾構(gòu)機(jī)刀具磨損嚴(yán)重，頻繁開倉換刀，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)速度，使得施工進(jìn)度和安全無法得到保證。本文主要從盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、螺旋機(jī)出土口防噴涌改造、通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)有效控制刀具磨損等方面進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2 工程概況及水文地質(zhì)

2.1 工程概況

徐州地鐵2號線百果園站-拖龍山站左右線區(qū)間設(shè)計均采用盾構(gòu)施工工法，線路從百果園站東端出發(fā)，沿御景路和昆侖路南側(cè)綠化帶下方10～20 m深自西向東敷設(shè)，最后到達(dá)娃哈哈自來水廠對面的拖龍山站西端。右線全長1 299 m，左線全長1 309 m。區(qū)間縱斷面從百果園站出發(fā)后以26‰、3.3‰的縱坡向下至聯(lián)絡(luò)通道，再以4.7‰、26‰的坡度向上至拖龍山站。

2.2 地質(zhì)條件

本段盾構(gòu)區(qū)間穿越地層為粉質(zhì)黏土和老黏土，下伏基巖主要為頁巖和石灰?guī)r。其中頁巖以全～強(qiáng)風(fēng)化為主，巖石抗壓強(qiáng)度為5～23 MPa；石灰?guī)r以中風(fēng)化為主，巖石抗壓強(qiáng)度為50～166 MPa，平均抗壓強(qiáng)度90 MPa。巖石裂隙較發(fā)育，兩層灰?guī)r之間的頁巖在地下水波動情況下極易發(fā)展為溶洞或者空洞。線路連續(xù)穿越軟硬不均地層長420 m，上軟下硬地層使隧道拱頂圍巖穩(wěn)定性差[1]，極易發(fā)生坍塌。

2.3 水文條件

百果園站-拖龍山站區(qū)間巖溶裂隙水承壓水頭較高，水量較大，水位補(bǔ)給迅速，巖石滲透系數(shù)為2.38～3.02 m/d，平均2.78 m/d，單井涌水量為198.7 m3/d。抽水孔停泵后水位迅速恢復(fù)，10～20 s內(nèi)基本恢復(fù)至靜水位35～37.8 m。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)裝置優(yōu)化配置技術(shù)

根據(jù)百果園站-拖龍山站盾構(gòu)區(qū)間詳勘及補(bǔ)勘地質(zhì)資料，區(qū)間穿越有石灰?guī)r、頁巖、老黏土等上軟下硬不良地層，經(jīng)過適應(yīng)性評估選擇復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，并根據(jù)以下地層特點(diǎn)對盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)行針對性設(shè)計[2]:全斷面硬巖的破巖能力；極端上軟下硬地層的剛性；高粘性地質(zhì)防結(jié)泥餅；高沖擊地層的刀具保護(hù)；高粘地層和高硬巖層的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1.1 刀盤設(shè)計優(yōu)化

(1)針對區(qū)間穿越高硬地層，刀盤體采用舞陽鋼鐵Q345C高強(qiáng)度鋼板焊接而成，焊后整體退火消除內(nèi)應(yīng)力。刀盤面板加焊信鉻材質(zhì)耐磨鋼板，刀盤外圈鑲嵌合金式耐磨條裝帶，其它部位以耐磨焊條形成網(wǎng)狀耐磨層提高刀盤整體耐磨性能。

(2)由于區(qū)間穿越大量老黏土地層，刀盤進(jìn)渣口設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)有利于渣土順暢流入土艙，以免渣土板結(jié)成塊堵塞刀盤開口。

(3)考慮刀具磨損后開挖直徑仍能大于盾構(gòu)切口環(huán)的直徑，設(shè)置刀盤直徑為φ6 440 mm(管片外徑φ6 200 mm)，以保證盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。

3.1.2 刀具設(shè)計優(yōu)化

(1)考慮區(qū)間上軟下硬地層距離較長，采用軸式滾刀，便于軟硬不均地層滾刀的更換。刀座式齒刀替換滾刀后，可實(shí)現(xiàn)軟巖地層的掘進(jìn)。

(2)對于高強(qiáng)度巖石，適當(dāng)配置盤形滾刀，達(dá)到更好的破碎效果。

(3)在上軟下硬地層中，采用滾刀高出切刀布置形式，先有盤形滾刀破巖，再有切刀刮削入倉，以保障切刀使用壽命[3]。

刀盤型式見圖1，刀盤參數(shù)見表1，刀盤優(yōu)化技術(shù)措施見表2。

圖1 刀盤優(yōu)化后型式

3.2 出土口改造技術(shù)

(1)將出土口中心斜板改裝成角度可調(diào)節(jié)

根據(jù)盾構(gòu)穿越地層特性，調(diào)整中心斜板角度。對于含水量較小、流動性差的地層，中心斜板角度(與水平方向夾角)設(shè)置為小角度，反之設(shè)置為大角度[4]。

(2)出土口中心斜板兩側(cè)加設(shè)引流側(cè)板

兩側(cè)引流側(cè)板設(shè)置在出土口中心斜板兩側(cè)，向內(nèi)傾斜，引流側(cè)板附帶底板。盾構(gòu)在穿越老黏土層時渣土呈硬塑狀，流動性差，在出土口難以掉落，容易造成出土口兩側(cè)掛土，引流側(cè)板引導(dǎo)聚集老黏土向中間流動，此時底板打開；掘進(jìn)機(jī)經(jīng)過含水量較大的地層時底板合上[5]。

表1 刀盤相關(guān)參數(shù)

表2 刀盤優(yōu)化技術(shù)措施及效果

(3)加設(shè)延伸管裝置

加設(shè)延伸管裝置，用液壓裝置控制伸縮，與引流側(cè)板連接，管的長度延伸到傳送帶上。穿越富水石灰?guī)r地層時，容易產(chǎn)生噴涌，大量水土沖出出土口回落到隧道及其它施工區(qū)域，通過延伸管裝置，將水土運(yùn)至離傳送帶末端較遠(yuǎn)的地方，避免水土回落至隧道。遇富水石灰?guī)r地層引流側(cè)板底板需收起，與延伸管裝置組成封閉系統(tǒng)。具體優(yōu)化改造見圖2。

圖2 防噴涌出土口改良裝置示意

3.3 掘進(jìn)參數(shù)選定

長距離上軟下硬石灰?guī)r地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制的關(guān)鍵是如何減少刀具磨損延長刀具使用壽命進(jìn)而減少換刀次數(shù)[6]，確保盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)有序穩(wěn)步推進(jìn)。

根據(jù)現(xiàn)有對刀具磨損研究[7]資料可知刀具磨損量計算公式和貫入度公式為:

導(dǎo)出刀具磨損量和貫入度的關(guān)系，得出盾構(gòu)機(jī)在這種地層中每掘進(jìn)10 m刀具的磨損量為:

式中，δ為磨損量(mm)；K為磨耗系數(shù)(mm/km)；D為盾構(gòu)刀盤外徑(m)；N為刀盤的轉(zhuǎn)動速度(r/min)；L為掘進(jìn)距離(m)；V為掘進(jìn)速度(mm/min)；P為貫入度(mm/r)。

從公式(3)可以看出，在同一地層中使用固定刀具，在同一盾構(gòu)刀盤外徑下，決定刀具磨損量大小的可變因素為刀具切削土體和巖石的貫入度P，且二者之間成反比，故提高刀具使用壽命的最佳辦法為提高刀具的貫入度。增大刀具貫入度可通過提高掘進(jìn)速度或降低刀盤轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到降低刀具磨損量的目的。刀盤轉(zhuǎn)速在不同地層中一般有經(jīng)驗可循且變化幅度不大，根據(jù)以往經(jīng)驗并集合本工程地質(zhì)實(shí)際情況，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.2～1.3 r/min為宜。

提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度最直接的辦法為提高盾構(gòu)機(jī)的推力，但是盾構(gòu)機(jī)推力一定要在合理的范圍內(nèi)，推力的大小直接決定了刀具所承受的載荷。推力過小，則推進(jìn)速度低，影響施工效率；推力過大，會導(dǎo)致滾刀刀圈的偏磨或斷裂[8]。因此需要對盾構(gòu)機(jī)的推力進(jìn)行準(zhǔn)確計算并確定實(shí)際推力范圍，保證工程的順利進(jìn)行。

盾構(gòu)的推力計算公式:

式中，F(xiàn)1為盾構(gòu)外殼與土體之間摩擦阻力；F2為刀盤承受的主動土壓力；F3為切削土石所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩擦阻力；F5為牽引后方臺車的拉力。

根據(jù)本標(biāo)段地勘資料進(jìn)行計算，掌子面按照半土半巖情況進(jìn)行考慮，得出盾構(gòu)總推力[9]F＝572＋245＋139＋16＋12＝984 t。

因此盾構(gòu)應(yīng)提供的總推力至少為984 t，式(4)中F2、F3為直接作用在刀具上的作用力，兩者之和為384 t。盾構(gòu)機(jī)刀盤上共配置44把18寸的盤形滾刀，單把滾刀承受最大推力為25 t，掘進(jìn)時推進(jìn)油缸的總推力不能大于25 t×44＝1 100 t，再加F1、F4、F5的總和，即為1 700 t，故本區(qū)間復(fù)合段地層控制總推力范圍為984～1 700 t。

同時必須考慮不同推力對扭矩的影響，一般推力與扭矩是正比關(guān)系。過小的扭矩控制會減弱盾構(gòu)的切削能力，達(dá)不到預(yù)期切削效果；扭矩過高會造成轉(zhuǎn)動角變化過快、盾構(gòu)機(jī)振動過大、油溫和水溫過高、刀盤卡死等[10]。

綜上所述，盾構(gòu)在上軟下硬富水石灰?guī)r地層中掘進(jìn)時[11]，要在適合的刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)推力的前提下盡量增大刀具貫入度[12]，這樣既可以提高總體施工進(jìn)度，也可以減少刀具磨損，同時減少換刀次數(shù)。

最終現(xiàn)場盾構(gòu)施工參數(shù)控制范圍確定如下:

總推力:(990 ～1 500)t；

刀盤扭矩:(2 500～3 500)kN·m；

掘進(jìn)速度:(10～20)mm/min；

刀盤轉(zhuǎn)速:(1.2～1.3)r/min；

貫入度:(7 ～16)mm/r。

4 結(jié)論

徐州地鐵2號線百果園站-拖龍山站區(qū)間連續(xù)穿越上軟下硬富水石灰?guī)r地層長420 m，巖石最高強(qiáng)度166 MPa，平均90 MPa。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通過合理控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少了刀具磨損量，延長了刀具使用壽命，左右線各換刀2次即完成區(qū)間隧道的施工任務(wù)。上軟下硬富水石灰?guī)r地層達(dá)到平均日掘進(jìn)5環(huán)，大大提高了掘進(jìn)功效并降低了安全風(fēng)險，成型隧道無錯臺、漏水、破損，未因盾構(gòu)換刀出現(xiàn)掌子面坍塌、超限地面沉降及建(構(gòu))筑物損壞情況，安全快速完成了該區(qū)間的施工任務(wù)。

在盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)過程中要對刀具的磨損、開裂、螺栓松動等情況勤于檢查，并在檢查過程中摸索總結(jié)該地層刀具磨損規(guī)律以便于指導(dǎo)施工。另外，渣土超排控制、同步及二次注漿的及時和足量、監(jiān)控量測、帶壓換刀等技術(shù)[13]也是施工控制的重點(diǎn)。石灰?guī)r地層溶洞較發(fā)育，要高度重視超前地質(zhì)探測，必要時進(jìn)行詳細(xì)的補(bǔ)勘以探明溶洞分布情況及大小，便于采取有效措施提前對溶洞進(jìn)行處理以確保盾構(gòu)機(jī)安全順利通過溶洞區(qū)域。