砂軟土復(fù)合地層盾構(gòu)選型及適應(yīng)性分析

摘要：以盾構(gòu)穿越砂土、軟土地層工程案例為依托，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)工程中重難點(diǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，從刀盤(pán)刀具配置、推進(jìn)系統(tǒng)、盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、注漿系統(tǒng)和渣土改良系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性說(shuō)明，以更好滿足工程需要，可為類(lèi)似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層;泥餅防治;盾構(gòu)選型;刀盤(pán)配置

0" "引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市土地資源日益緊缺，交通擁堵成為限制人們出行質(zhì)量的一大通病，為緩解這一問(wèn)題，以地鐵為代表的一系列公共交通得到了大力發(fā)展。盾構(gòu)法因施工速度快、安全性高，對(duì)周?chē)徑庥绊懶〉葍?yōu)點(diǎn)成為地鐵建設(shè)的主要力量[1]。我國(guó)國(guó)土遼闊，土層差異性大，因此進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性選型成為盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者，對(duì)盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。田四明依托施工實(shí)例，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)控制等方面，對(duì)盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了適應(yīng)性分析與探討[2]。陳健分析了大直徑泥水盾構(gòu)在軟土和硬巖復(fù)合地層中刀盤(pán)刀具的選型配置，創(chuàng)新采用復(fù)合刀盤(pán)設(shè)計(jì)理念，研發(fā)出常壓條件下滾刀齒刀互換技術(shù)，最后針對(duì)不同地質(zhì)條件給出了刀具配置方案[3]。此外，還有一些學(xué)者根據(jù)不同地質(zhì)對(duì)盾構(gòu)選型進(jìn)行適應(yīng)性分析[4-6]。以上研究給本文提供了良好的理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)砂土和軟土復(fù)合地層進(jìn)行盾構(gòu)適應(yīng)性選型，擬為類(lèi)似工程提供參考。

1" "工程概況

某盾構(gòu)隧道為左右雙線，左線長(zhǎng)1318.2m，右線長(zhǎng)1299.5m，盾構(gòu)右線自始發(fā)井出站后以2‰上坡至最高點(diǎn)，再以21‰縱坡（240m坡長(zhǎng)）、4‰縱坡（510m坡長(zhǎng)）下坡到最低點(diǎn)，于最低點(diǎn)以8.533‰縱坡（198.287m坡長(zhǎng)）上坡，再以24‰縱坡（265m坡長(zhǎng)）上坡到最高點(diǎn)后，以2‰下坡進(jìn)入接收站。右線隧道最小埋深10m，最大埋深18m。

左線出站后采用V字坡先沿車(chē)站以2‰上坡至最高點(diǎn)，再以21‰縱坡（240m坡長(zhǎng)）、4‰縱坡（520m坡長(zhǎng)）下坡到最低點(diǎn)，于最低點(diǎn)以8‰縱坡（200m坡長(zhǎng)）上坡，再以23.919‰縱坡（271.421m坡長(zhǎng)）上坡到最高點(diǎn)后，以2‰下坡進(jìn)入接收井。左線隧道最小埋深10m，最大埋深18m。

襯砌隧道直徑6.2m，厚度0.55m，管環(huán)長(zhǎng)1.5m。盾構(gòu)隧道穿越土體為③₁砂質(zhì)粉土、④₂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥₁淤泥質(zhì)黏土夾粉土。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中下穿和側(cè)穿城市內(nèi)河、城市主干道和大量城市住宅。

2" "工程重難點(diǎn)

工程隧道穿越地層主要為砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土夾粉土。土體呈塑流性、止水性差，掘進(jìn)時(shí)排土不暢，引起土倉(cāng)土壓不穩(wěn)定以及推力增大。為防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，如何減小結(jié)“泥餅”風(fēng)險(xiǎn)，確保盾構(gòu)隧道安全順利掘進(jìn)完成是本工程的重點(diǎn)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，穿越城市主干道和重要構(gòu)建筑物，盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降控制為工程施工重難點(diǎn)。

3" "盾構(gòu)適應(yīng)性選型

3.1" "盾構(gòu)選型

盾構(gòu)主要有泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)兩種類(lèi)型。二者在穩(wěn)定開(kāi)挖面、地層適應(yīng)性、地表沉降控制、碴土處理、施工場(chǎng)地和工程成本等方面都有較大差異，表1兩種盾構(gòu)進(jìn)行綜合比較分析。

盾構(gòu)機(jī)選擇的兩個(gè)主要影響因素為掘進(jìn)地層顆粒大小及組成，以及盾構(gòu)通過(guò)地層的滲透系數(shù)。根據(jù)地勘報(bào)告結(jié)果可知，本工程盾構(gòu)主要穿越土層有砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土夾粉土，土層滲透系數(shù)約為15×10-5m/s，粉粒和黏粒含量大于40，隧道盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中遇到的地層組合有輕微變化，土層的物理力學(xué)性質(zhì)有一定差異，但差異較小。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和場(chǎng)地條件，本工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工方式更加適宜。

3.2" "刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)

分析刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)原理可知，刀盤(pán)中心部位的線速度較低，黏性土在中心部位的流動(dòng)性較差，易沉積，故盾構(gòu)刀盤(pán)需著重考慮的是盾構(gòu)在砂質(zhì)粉土中掘進(jìn)時(shí)，如何提高渣土的流動(dòng)性，降低刀盤(pán)中心結(jié)泥餅的概率。同時(shí)對(duì)比類(lèi)似地質(zhì)條件下實(shí)際工程刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式發(fā)現(xiàn)，其刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式基本相似。最終確定刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和刀具形式如圖1所示。

刀盤(pán)鋼結(jié)構(gòu)由4個(gè)主刀梁、4個(gè)小刀梁及外圈梁組成，為增大刀盤(pán)耐磨性，在刀盤(pán)外圈圓周焊耐磨合金塊，以保護(hù)刀盤(pán)本體。為減小刀盤(pán)結(jié)泥餅概率，刀盤(pán)綜合開(kāi)口率定為40%，以減少渣土堵塞概率。同時(shí)在刀盤(pán)背面設(shè)2根主動(dòng)攪拌棒，與前盾上被動(dòng)攪拌棒一起對(duì)土倉(cāng)內(nèi)渣土進(jìn)行攪拌。刀盤(pán)設(shè)單向渣土改良噴口，背部配有疏通管路。

刀具是土體切削的主要部件，刀具選擇的合理性與否將直接影響盾構(gòu)速率、刀具磨損和刀盤(pán)結(jié)泥餅情況。刀具配備有撕裂刀、刮刀、邊緣刮刀和保徑刀，刀盤(pán)中心刀間距90mm，正面刀間距100mm;撕裂刀41刃，安裝高度175mm;刮刀36把，安裝高度130mm;邊緣刮刀8把，安裝高度130mm;保徑刀8把，伸出量60mm。各種刀具組合配置，優(yōu)化了盾構(gòu)掘進(jìn)速率。

3.3" "推進(jìn)系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置有30個(gè)推進(jìn)缸和1套推進(jìn)液壓泵站。推進(jìn)缸按照在圓周上的區(qū)域分為4組，可通過(guò)調(diào)整每組液壓缸的不同推進(jìn)壓力和速度，對(duì)隧道掘進(jìn)進(jìn)行糾偏和調(diào)向。盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)如表2所示。

3.4" "盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)中盾和盾尾之間采用被動(dòng)鉸接形式，設(shè)計(jì)有兩道密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封，如圖2所示。正常情況下橡膠密封起作用，異常情況下或橡膠密封需更換時(shí)，使用緊急氣囊密封。

密封環(huán)端部設(shè)置壓緊塊，在壓緊塊和橡膠密封之間設(shè)置擋條，在端部利用調(diào)節(jié)螺栓使擋條壓緊橡膠密封，壓緊的程度可用擰動(dòng)螺栓進(jìn)行調(diào)整。

此種鉸接形式可滿足任意方向的鉸接運(yùn)動(dòng)，使曲線施工和方向調(diào)整更加便利，可滿足任意方向最小曲線半徑250m施工要求。

3.5" "螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)安裝于開(kāi)挖室下部，其通過(guò)渣土輸送速度和閘門(mén)的開(kāi)度控制土倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面平衡。螺旋輸送機(jī)入口前部承壓隔板上安裝有安全閘門(mén)，當(dāng)螺旋輸送機(jī)縮回進(jìn)行維修時(shí)，關(guān)閉隔板上的安全閘門(mén)，及時(shí)封閉土倉(cāng)，確保在此期間前方有涌水或意外塌陷時(shí)的工作安全。

為防治孤石堵塞，設(shè)置最大通過(guò)粒徑為Φ330×570mm。螺旋機(jī)筒體內(nèi)徑900mm，出渣能力為458m³/h。螺旋輸送機(jī)出閘口設(shè)兩道閘門(mén)，根據(jù)掘進(jìn)速度在操作室控制閘門(mén)的開(kāi)啟度，通過(guò)調(diào)節(jié)排土量來(lái)實(shí)現(xiàn)土塞效應(yīng)，以形成良好的排土止水效果。在土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)，以起到調(diào)節(jié)土倉(cāng)土壓力的作用。另外預(yù)留保壓泵接口，發(fā)生噴涌時(shí)，及時(shí)關(guān)閉閘門(mén)，接保壓泵調(diào)節(jié)土倉(cāng)壓力。

3.6" "注漿系統(tǒng)

為防止盾構(gòu)間隙和施工間隙引起過(guò)大地表沉降，配備單液同步注漿系統(tǒng)用于及時(shí)填充盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地層損失。盾構(gòu)機(jī)砂漿罐最大可容納7m3漿液，注漿能力為30m³/h，盾殼上設(shè)置有10個(gè)注漿管路，以確保注漿均勻飽滿。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注漿的功能，在管路注入端安裝壓力傳感器檢測(cè)注漿壓力，可通過(guò)控制液壓油流量調(diào)整注漿泵動(dòng)作次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整泵送注漿量目的。

3.7" "渣土改良系統(tǒng)

土壓平衡式盾構(gòu)一道關(guān)鍵工序就是將土艙內(nèi)土體調(diào)節(jié)為塑性流動(dòng)狀態(tài)，以防止渣土凝結(jié)形成泥餅。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，開(kāi)挖時(shí)需向土倉(cāng)內(nèi)添加水+泡沫組成的添加劑，以增加開(kāi)挖土體的流塑性。為此盾構(gòu)機(jī)配有一套泡沫發(fā)生系統(tǒng)，在刀盤(pán)設(shè)置6個(gè)渣土改良注入孔，用于渣土改良。

泡沫系統(tǒng)主要由泡沫混合液泵、泡沫原液泵、電磁流量閥、泡沫發(fā)生器、壓力傳感器、管路等組成。通過(guò)膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)，將泥漿或膨潤(rùn)土壓入刀盤(pán)、土倉(cāng)、盾壁和螺旋輸送機(jī)內(nèi)，從而達(dá)到渣土改良目的。

4" "結(jié)論

本文以盾構(gòu)穿越砂土、軟土地層工程案例為依托，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)工程中重難點(diǎn)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，從刀盤(pán)刀具配置、推進(jìn)系統(tǒng)、盾構(gòu)鉸接系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、注漿系統(tǒng)和渣土改良系統(tǒng)進(jìn)行了適應(yīng)性說(shuō)明，以更好滿足工程需要，可為類(lèi)似工程提供參考。

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