土壓平衡盾構機在硬巖夾芯地層中的掘進技術研究

朱樂峰

摘 要：隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，我國重要基礎設施建設取得了顯著的成效。隨著我國基礎道路建設技術的不斷提升，利用盾構機在復雜地形進行隧道開挖在一定程度上已經(jīng)普及，各種施工技術也在不斷升級和改善中，在進場階段以及后續(xù)的施工過程中，一個良好有序的施工場地是非常重要的。本文就土壓平衡盾構機在硬巖夾芯地層中的掘進技術展開探討。

關鍵詞：隧道掘進;硬巖夾芯地層;盾構機

0 引言

隨著我國基礎道路建設技術的不斷提升，利用盾構機在復雜地形進行隧道開挖在一定程度上已經(jīng)普及，各種施工技術也在不斷升級和改善中，在進場階段以及后續(xù)的施工過程中，一個良好有序的施工場地是非常重要的。

1 硬巖夾芯地層對盾構掘進施工的危害

中、微風化凝灰?guī)r地層中出現(xiàn)風化夾層的現(xiàn)象在地鐵工程中是很少見的，但這種地層的存在會對盾構施工造成較大的危害。由于硬巖地層中風化夾層出現(xiàn)的不可預見性很高，因此給地質勘察工作提出了很大的挑戰(zhàn)。硬巖地層中風化夾層的存在破壞了開挖面巖石物理性質的均一性，使得盾構開挖面內地層的物理特性出現(xiàn)巨大差異，巖石強度、完整性等由于風化程度的不同存在較大的差別。這種開挖面內巖石物理特性的差異會對盾構機的刀具造成較大的傷害，從而降低施工效率，增加施工成本。盾構機一般在全斷面硬巖地層中掘進時采用“高轉速、低貫入度”的施工原則，而在硬巖夾芯層掘進時更宜用“低轉速，低貫入度”的施工原則。往往由于風化夾層出現(xiàn)的隨機性導致盾構施工時掘進參數(shù)得不到及時調整，從而加劇對盾構機刀具的損壞。

2 土壓平衡盾構機在硬巖夾芯地層中的掘進技術

2.1 土壓平衡盾構施工場地布置的應遵循的原則

（1）有序整潔。隧道施工所屬的環(huán)境比較復雜，各項工序之間存在較多交叉作業(yè)的情況，應對施工場地進行規(guī)范化、有序化的整理，促進土壓平衡盾構施工的正常進行。因此，在進行場地布置設計前，應對所有的施工流程、工序、材料運輸要求等問題進行充分的考慮，可事先利用計算機進行場布預演，提前規(guī)避可能出現(xiàn)的問題，保證隧道施工的有序進行。場地有序布置是建立在完善合理的運輸系統(tǒng)上，僅停留在表面整潔無法保證施工的正常進行，應重點考慮地面運輸系統(tǒng)的構建，包括盾構管片的運輸、龍門吊運輸系統(tǒng)、廢舊渣土運輸系統(tǒng)等，應將所有的運作環(huán)節(jié)充分考慮其中，最大限度保證施工過程中的流暢性和高效性。（2）工作效率。在土壓平衡盾構隧道施工時，應滿足施工工期要求，最大限度在有限時間內完成應有的工程量。在提升工效上應從兩方面入手：第一，遵循就近原則，土壓平衡盾構機體龐大，主要機械設備運輸困難，因此，在施工場地選址時必須就近安排，減少地面運輸系統(tǒng)的壓力。第二，各項設備配置應合理，在實際的場地設計中應以滿足土壓平衡盾構機的工作為中心，各類配置應結合施工的先后順序有序安排，使得具體施工可以高效展開。

2.2 盾構機吊裝

盾構機最大件一般都在100 t以上，一般采用履帶吊現(xiàn)場吊裝，吊裝前需編制專項施工方案且需要專家論證。同時應對吊耳焊接質量委托第三方檢測合格，吊裝使用的鋼絲繩繩頭盡量選用工廠化壓制的，如采用編結鋼絲繩，編結長度務必符合不小于20d的規(guī)范要求。另外需復核履帶下地基承載力（一般采用重型動力觸探），吊裝過程中設備、技術及安全部門安排專人現(xiàn)場監(jiān)督專項施工方案的實施。

2.3 掘進模式

當盾構掘進過程中各項參數(shù)控制不當時，螺旋輸送器會出現(xiàn)涌水、噴碴等情況，導致掘進過程中將要花費大量的人力、物力及時間來清理盾尾碴土。開挖面上部為碎裂狀強風化地層，具有風化裂隙發(fā)育、強度較低的特點，但掘進時在一定時間內尚有自穩(wěn)性。因受水的影響，需在掘進掌子面建立一定的壓力來防止地下水涌入土倉，造成水土流失及螺旋輸送器噴涌的情況發(fā)生。因此掘進采用盾構機半敞開模式，即在土倉內保留1/2～1/3的碴土，向土倉內注入壓縮空氣或泡沫、膨潤土來維持開挖面上部土壓，并輔助開挖作業(yè)。此地層掘進，上部碎裂狀強風化地層只需掌子面進行切削便可破壞土層，但下部中風化地層硬度較高，對刀具的磨損較大，應適當?shù)慕档偷侗P轉速，控制貫入度以使刀具受到的瞬時沖擊小。

2.4 周邊環(huán)境監(jiān)測

掘進時應根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB50911-2013）要求做好測點布置，地面和隧道內監(jiān)測點宜在同一斷面布設，并及時取得初始值，初始值從盾構掘進將影響該監(jiān)測區(qū)域前10d開始。穿越建筑物時，刀盤到達建筑物前10環(huán)至盾尾推出建筑物后10環(huán)（穿越段）應加強監(jiān)測和巡視。盾尾推出建筑物10～20環(huán)后，根據(jù)沉降監(jiān)測情況對穿越段管片進行二次注漿。另外，監(jiān)測務必與現(xiàn)場巡查相結合，每天不少于一次。特殊情況，如出渣量出現(xiàn)異常，應增加監(jiān)測頻次與巡查次數(shù)。

2.5 貫通整個施工場地的環(huán)形硬化道路設計

為了保證現(xiàn)場施工的便利性，減少陰雨天氣對道路地面的影響，應設立永久性道路，保證車輛行駛運輸?shù)耐〞常嫣嵘ぷ餍省Ｔ谑┕龅氐孛嬗不缆吩O計中，為了最大限度地利用硬化地面，降低施工成本，可以將其設計成圍繞整個施工場地的環(huán)境網(wǎng)狀結構，增加車道的數(shù)量，縮算運渣車輛和運貨車輛在場地內的運輸距離，提升場地車輛來往工作效率，在建設過程中，設立好排水設施，保證硬化道路的使用壽命。

3 硬巖夾芯地層中盾構施工的改進措施及建議

硬巖夾芯地層在盾構法隧道施工中出現(xiàn)的頻率雖然不高，但確實存在，且對盾構施工造成的危害和影響較大。針對這種地層的復雜性、隨機性和危害性，提出以下改進措施及建議。（1）提高地質勘察的手段，增強對硬巖夾芯地層的預見性，為盾構工程的順利進行提供技術支撐和保障。（2）為盾構機配置具備自動磨損監(jiān)測功能的滾刀，滾刀的磨損超量或不能發(fā)生自轉時可及時報警，提高盾構機自身的預警能力，防止因盾構機在硬巖夾芯地層中施工時刀具異常損壞后未及時發(fā)現(xiàn)而造成磨損刀盤的惡性事件。（3）提高盾構工程技術人員的風險意識和對硬巖夾芯地層的認知，特別是在微風化凝灰?guī)r地層中，發(fā)現(xiàn)掘進參數(shù)有異常時，要立即停止掘進，及時進倉檢查刀具及開挖面的情況。（4）當已經(jīng)探明或已知的硬巖夾心層對盾構施工影響較大時，在條件具備的情況下建議進行預處理，并制定針對性的盾構掘進施工措施。

4 結語

盾構施工從端頭加固、盾構機吊裝、圍護結構破除、始發(fā)、負環(huán)管片拆除、穿越復雜環(huán)境、開倉換刀、接收等多項施工過程均需要編制專項施工方案且需要專家評審。盾構施工從端頭加固、盾構機吊裝、圍護結構破除、始發(fā)、負環(huán)管片拆除、穿越復雜環(huán)境、開倉換刀、接收等多項施工過程均需要編制專項施工方案且需要專家評審。安全風險不僅來自盾構作業(yè)本身，還有來自周邊環(huán)境、不良地質及工程自身，施工過程中隨時都可能發(fā)生險情，為此只有抓好施工過程重要環(huán)節(jié)的管控，才能減少或避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。實踐證明，雖然硬巖夾芯地層具有很高的不可預見性和復雜性，但只要相應的措施到位后，復合式盾構機也是可以應對的。當然，如果對有些方面再進行一些改進和加強，盾構機應對這種不利地層會更加從容。

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