紅砂巖－卵石復(fù)合地層刀盤卡停分析及對(duì)策

孫翠華

(中鐵二十一局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000)

1 引言

富水砂卵石復(fù)合地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，卵石層結(jié)構(gòu)松散、大粒徑漂石隨機(jī)分布，且地下水位高、滲透性強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層成巖作用差，天然狀態(tài)力學(xué)性質(zhì)較好，浸水或擾動(dòng)易崩解呈散沙狀。在這種地層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，面臨刀盤刀具磨損嚴(yán)重、刀盤和螺旋輸送機(jī)卡死卡停等難題，會(huì)造成潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)以及工程費(fèi)用加大、進(jìn)度延緩等一系列問(wèn)題[1－3]。

目前常規(guī)的刀盤脫困解決方法有反復(fù)排渣進(jìn)行刀盤試轉(zhuǎn)、土倉(cāng)注入膨潤(rùn)土漿液軟化等措施[4－6]，前者會(huì)造成出渣嚴(yán)重超方，引發(fā)地面塌陷，后者會(huì)造成刀盤結(jié)成泥餅，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)功效，不僅增加了工程成本、延長(zhǎng)了工期，也增加了工程風(fēng)險(xiǎn)[7－9]。

本文以蘭州2號(hào)線公定區(qū)間盾構(gòu)刀盤卡死故障為例，探究紅砂巖砂卵石復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)刀盤卡死原因、處理及預(yù)防措施[10－12]。

2 工程概況及盾構(gòu)卡停原因分析

2.1 水文地質(zhì)條件

蘭州地鐵2號(hào)線公定區(qū)間埋深11～24 m，區(qū)間隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及中風(fēng)化粉砂巖(遇水易軟化崩解)、卵石層及兩者復(fù)合地層，存在粒徑≥60 cm的漂石，地下水埋深10～15 m，區(qū)間主要地層為卵石層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖及中風(fēng)化砂巖層。其中2～10層卵石厚度大、透水性好、賦水性強(qiáng)；砂巖透水性較小，賦水性弱，兩者之間相貫通。

區(qū)間左線在掘進(jìn)至136環(huán)時(shí)刀盤突然卡停，啟動(dòng)困難。地勘報(bào)告顯示，本段隧道埋深約為13.5 m，地下水位約8.8 m，隧道圍巖約70%為?2-10?卵石地層，卵石含量為70%；30%為?4-2-1?強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層。結(jié)合掘進(jìn)情況分析，隧道圍巖基本為?2-10?卵石地層，卵石含量約為90%，孔隙率大，級(jí)配不良，有大粒徑漂石存在，地下水補(bǔ)充及時(shí)。掘進(jìn)過(guò)程中，螺旋輸送帶中大粒徑卵石如圖1所示。

圖1 螺旋輸送帶中的大粒徑卵石

2.2 盾構(gòu)機(jī)性能

區(qū)間左線配置1臺(tái)ZTE6410盾構(gòu)機(jī)，主要為大粒徑砂卵石及硬巖復(fù)合地層設(shè)計(jì)，其主要性能如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)主要性能

刀盤為弧面刀盤，開(kāi)口率約為38%，為加強(qiáng)刀盤對(duì)整個(gè)區(qū)間地層的適應(yīng)性，采用滾刀＋重型齒刀、刮刀的配置。刀盤布局形式和刀具配置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具配置示意

2.3 刀盤卡停原因分析

綜合蘭州地鐵2號(hào)線公定區(qū)間水文地質(zhì)條件、盾構(gòu)機(jī)性能及刀盤布局情況，刀盤卡停原因主要有以下幾個(gè)方面:

(1)刀盤開(kāi)挖范圍內(nèi)以大粒徑砂卵石為主，級(jí)配不良，地層富水，砂卵石骨架效應(yīng)強(qiáng)，較難打破，且刀盤前方有大粒徑漂石存在。

(2)地層松散，多次被擾動(dòng)的土體加強(qiáng)了圍巖對(duì)刀盤的握裹力。

(3)渣土改良效果不理想，大粒徑砂卵石地層掘進(jìn)過(guò)程中容易積倉(cāng)，在土倉(cāng)內(nèi)形成骨架效應(yīng)，在主動(dòng)攪拌棒外側(cè)區(qū)域形成板結(jié)，盾構(gòu)機(jī)自身負(fù)載較重。

(4)刀盤正面刀具布置形式為滾刀＋重型齒刀、刮刀，松散地層掘進(jìn)當(dāng)貫入度較大時(shí)，刀盤旋轉(zhuǎn)阻力較大。

3 刀盤脫困對(duì)策

綜合分析區(qū)間水文地質(zhì)情況和盾構(gòu)機(jī)性能，從改善渣土環(huán)境及渣土改良、盾構(gòu)機(jī)自身減負(fù)及降低圍巖對(duì)刀盤握裹力三方面提出對(duì)策。刀盤脫困施工流程如圖3所示。

圖3 刀盤脫困流程

3.1 改善渣土環(huán)境

地下水對(duì)渣土改良的影響較大，在施工過(guò)程中采取以下幾個(gè)措施，以減緩地下水向土倉(cāng)及掌子面的補(bǔ)充，從而改善渣土環(huán)境，并在施工過(guò)程中保持渣土良好性能。

(1)采用二次注漿在盾尾后側(cè)5～10 m位置施作封堵環(huán)，可有效減緩盾構(gòu)機(jī)后側(cè)徑向水向土倉(cāng)的補(bǔ)充。

(2)用高稠度膨潤(rùn)土填充土倉(cāng)，在掌子面形成密閉泥膜，減緩掌子面前方地下水向土倉(cāng)的補(bǔ)充。

(3)根據(jù)地勘報(bào)告，地下水?dāng)U散系數(shù)約為40 m/d，應(yīng)適當(dāng)提高掌子面水土壓力，盡量減緩掌子面的水進(jìn)入土倉(cāng)，土倉(cāng)上部壓力應(yīng)在掌子面水頭壓力基礎(chǔ)上增加0.2 bar左右。

(4)對(duì)盾構(gòu)機(jī)擾動(dòng)區(qū)域進(jìn)行探孔，對(duì)空洞部位進(jìn)行填充，以加強(qiáng)地層的氣密性。根據(jù)空洞與盾構(gòu)機(jī)的位置關(guān)系，填充材料可使用M10砂漿或低強(qiáng)度的細(xì)石砼，以避免填充材料包裹刀盤。

3.2 盾構(gòu)機(jī)后移及消除圍巖對(duì)刀盤的握裹力

不排除刀盤前方有較大粒徑卵石嵌入土體的可能性，同時(shí)由于土質(zhì)松散，掌子面對(duì)刀盤的側(cè)壓力以及上部土體對(duì)刀盤的握裹力加大。具體措施為:將盾構(gòu)機(jī)整體后移，使刀盤脫離掌子面，減輕圍巖對(duì)刀盤形成的負(fù)載，具體后移距離可根據(jù)地層條件具體制定，建議后移15～20 cm，以便于刀盤迅速脫困。

3.2.1 后移盾體受力分析與計(jì)算

利用掌子面水土壓力后移盾體，需在土倉(cāng)形成較大的水土壓力以克服外界對(duì)盾構(gòu)機(jī)的阻力，主要有盾體與圍巖的摩擦力、盾尾刷與管片的摩擦力、管片對(duì)后配套臺(tái)車的阻力3個(gè)方面。

(1)盾體與圍巖的摩擦力

刀盤卡停位置隧道埋深13.5 m，盾構(gòu)的外部荷載按此埋深處的松動(dòng)土壓和2倍盾構(gòu)直徑的全土柱高產(chǎn)生的土壓計(jì)算，并取兩者最大值作為盾構(gòu)計(jì)算的外部荷載。計(jì)算中地質(zhì)參數(shù)按刀盤斷面的卵石地層選取，見(jiàn)表2。

表2 刀盤卡停段地層參數(shù)

太沙基的地基極限荷載計(jì)算充分考慮到受土壓、水壓的影響。拱形荷載示意如圖4所示。

圖4 拱形荷載示意

拱寬度B1及高度H0為:

其中盾體直徑D＝6.41 m，盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度L＝9 m，盾構(gòu)主機(jī)重量W＝380 t。

計(jì)算兩倍盾構(gòu)直徑的全土柱土壓(見(jiàn)圖5):

圖5 土壓荷載示意

盾體和土層的摩擦力:

盾尾和土層的摩擦力:

(2)盾尾刷與管片的摩擦力:

式中:μc為盾尾內(nèi)表面與管片外表面的摩擦系數(shù)，約為0.3；Ws為作用于盾尾部分的重量(相當(dāng)于2環(huán)管片的重量)。

(3)管片對(duì)后配套臺(tái)車的阻力，拖拉后配套的力FNL(經(jīng)驗(yàn)值):

式中:μb為后配套臺(tái)車與鋼軌的摩擦系數(shù)，約為0.3；Wb為后配套臺(tái)車重量(120 t)。

(4)土倉(cāng)提供水土壓力:

盾構(gòu)機(jī)后移需克服的阻力:

則掌子面需提供的水土壓力為:

式中:Ac為盾構(gòu)機(jī)刀盤面積。

砂卵石地層氣密性較差，難以提供2.6 bar的土倉(cāng)壓力，同時(shí)考慮到盾體后移時(shí)管片對(duì)盾構(gòu)刷的摩擦力較大，因此將盾構(gòu)機(jī)后移分為盾尾后移和中前盾后移兩部分實(shí)施。

3.2.2 盾體后移

(1)盾尾后移

①收放鉸接油缸，過(guò)程中觀察鉸接油缸的行程，當(dāng)行程達(dá)到140 mm時(shí)停止(鉸接油缸最大行程150 mm)。

②當(dāng)盾構(gòu)機(jī)自身回路不能滿足要求時(shí)，可利用拆、裝機(jī)時(shí)頂推油缸泵站提供動(dòng)力，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)鉸接油缸壓力分析，需泵站提供的油壓為:

式中:Ao為所有鉸接油缸橫截面面積之和。

盾構(gòu)機(jī)后退時(shí)圍巖和管片對(duì)盾尾刷的摩擦力加大，同時(shí)盾體上部土體坍塌造成圍巖對(duì)盾體的握裹力加大，在實(shí)際施工過(guò)程中當(dāng)油壓加大到60～70 bar左右時(shí)盾尾開(kāi)始后移。

盾尾后移完成后手動(dòng)注入盾尾油脂，以加強(qiáng)對(duì)盾尾刷的保護(hù)。

(2)中前盾后移

收縮16組推進(jìn)油缸，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)保壓系統(tǒng)向土倉(cāng)內(nèi)填充高壓空氣，同時(shí)通過(guò)同步注漿管路向土倉(cāng)內(nèi)填充鈉基膨潤(rùn)土，土倉(cāng)頂部壓力控制在1.7～2.0 bar，并且收縮鉸接油缸，觀察盾體向后移動(dòng)情況。

3.2.3 改善土倉(cāng)堆積及板結(jié)狀況

采用風(fēng)鎬從中隔板預(yù)留孔洞對(duì)土倉(cāng)進(jìn)行物理振動(dòng)，待預(yù)留孔洞周邊板結(jié)區(qū)域松動(dòng)后，從預(yù)留孔洞注入分散劑。

(1)在中隔板下部1＃(DN100預(yù)留球閥)、2＃(DN100預(yù)留球閥)處使用G10氣動(dòng)風(fēng)鎬來(lái)回振動(dòng)破碎，使土倉(cāng)下部堆積的土體松動(dòng)。

(2)在中隔板下部3＃(DN50預(yù)留球閥)、4＃(DN50預(yù)留球閥)處進(jìn)行同步注漿，注入量和土倉(cāng)壓力綜合控制。

(3)采用惰性漿液及高濃度液體膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良，改善渣土級(jí)配，置換土倉(cāng)內(nèi)堆積的砂卵石，達(dá)到掘進(jìn)量與排土量的平衡。

3.2.4 試轉(zhuǎn)刀盤

準(zhǔn)備工作完成后開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，在轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí)注意以下事項(xiàng):

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋機(jī)排渣，并根據(jù)排渣情況適當(dāng)補(bǔ)充高濃液體膨潤(rùn)土，同時(shí)將土倉(cāng)壓力調(diào)整至正常掘進(jìn)狀態(tài)，以保證掌子面的穩(wěn)定。

(2)刀盤勤換向，在刀盤左右旋轉(zhuǎn)過(guò)程中觀察土倉(cāng)下部土壓傳感器，當(dāng)土壓傳感器壓力明顯變化時(shí)，適當(dāng)出渣。

(3)當(dāng)?shù)侗P長(zhǎng)時(shí)間試轉(zhuǎn)而不能形成持續(xù)有效的轉(zhuǎn)速時(shí)，可利用刀盤脫困模式，短時(shí)間內(nèi)扭矩可提供至7 000 kN·m。

(4)整個(gè)刀盤試轉(zhuǎn)過(guò)程盾構(gòu)機(jī)上方地表全程監(jiān)控。

4 預(yù)防措施

(1)加強(qiáng)地質(zhì)補(bǔ)勘

項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)后，及時(shí)組織現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地質(zhì)補(bǔ)勘，為盾構(gòu)機(jī)提供選型依據(jù)，提高盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層和風(fēng)險(xiǎn)源的適應(yīng)性。

(2)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)階段，充分考慮盾構(gòu)機(jī)對(duì)不同地層的適應(yīng)性，以提高盾構(gòu)機(jī)的周轉(zhuǎn)性能。同時(shí)可在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場(chǎng)前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行局部的優(yōu)化，以加強(qiáng)對(duì)特定地層的適應(yīng)性。

(3)制定切實(shí)可行的參數(shù)配置

根據(jù)地質(zhì)資料和風(fēng)險(xiǎn)源資料，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)性能參數(shù)，制定階段性的施工參數(shù)配置，主要從推力、轉(zhuǎn)速、貫入度、扭矩、土倉(cāng)壓力等方面進(jìn)行控制。掘進(jìn)控制中密切關(guān)注地層及掘進(jìn)參數(shù)的變化，結(jié)合渣溫、渣位等相關(guān)要素進(jìn)行綜合分析，及時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。

(4)砂卵石不良地質(zhì)的欠壓推進(jìn)

砂卵石地層與刀盤的摩擦系數(shù)較大，同時(shí)砂卵石的骨架效應(yīng)較難打破，在保證隧道上方構(gòu)筑物安全的前提下，適當(dāng)降低土倉(cāng)壓力，能有效降低盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)摩阻力。

5 結(jié)束語(yǔ)

土壓平衡盾構(gòu)在富水紅砂巖與砂卵石復(fù)合地層掘進(jìn)易造成積倉(cāng)、卡頓等異常狀況。本文通過(guò)盾構(gòu)機(jī)自有系統(tǒng)，從渣土改良、盾構(gòu)機(jī)自身減負(fù)及消除圍巖對(duì)刀盤握裹力三個(gè)方面提出的處理措施成功解決了紅砂巖與大粒徑砂卵石復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)卡頓問(wèn)題，避免了進(jìn)倉(cāng)或地面加固后處理，在保證工期的同進(jìn)也節(jié)約了成本。