地鐵隧道超高強(qiáng)硬巖地層盾構(gòu)施工技術(shù)研究

摘要：以某城市軌道交通3號(hào)線工程區(qū)間盾構(gòu)隧道的施工為研究對(duì)象，在分析場(chǎng)區(qū)隧道穿越硬質(zhì)巖體的地質(zhì)特征和破巖機(jī)理基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為研究手段，對(duì)場(chǎng)區(qū)的超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石的不同掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：不同飽和單軸抗壓強(qiáng)度和風(fēng)化程度的巖體，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速率呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率，隨著巖體飽和單軸強(qiáng)度的增加而降低；超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速較為一致，范圍均位于0.90～1.19r/min之間；微風(fēng)化閃長巖與微風(fēng)化正長斑巖的刀盤扭矩相近，且明顯大于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)花崗巖的刀盤扭矩；超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的推進(jìn)速率與貫入度存在明顯的線形相關(guān)關(guān)系，與刀盤扭矩、盾構(gòu)總推進(jìn)力則存在明顯的對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：城市地鐵；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)；硬質(zhì)巖石；單軸抗壓強(qiáng)度；掘進(jìn)參數(shù)；破巖機(jī)理

0" "引言

在大量的城市軌道建設(shè)中，不可避免地遭遇到各種不良地質(zhì)，超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖層則是施工中需面臨的地質(zhì)問題之一[1]。對(duì)于地鐵隧道線路穿越高強(qiáng)硬質(zhì)巖層時(shí)，目前常用施工方法有明挖法、礦山法、盾構(gòu)法、礦山法+盾構(gòu)法以及深孔爆破預(yù)處理法+盾構(gòu)法[2]。在這些方法中，明挖法施工期間需要占用大量的地表空間，而礦山法和深孔爆破預(yù)處理法等則需要采用炸藥爆破，在城區(qū)中對(duì)此炸藥爆破具有嚴(yán)格的限制，而盾構(gòu)法具有技術(shù)成熟度高、機(jī)械化施工、在城區(qū)復(fù)雜條件下無需爆破施工等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在高強(qiáng)硬質(zhì)巖層中掘進(jìn)施工具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。因此研究超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石地層中的盾構(gòu)破巖機(jī)理以及盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)，提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速率成為目前的研究熱點(diǎn)，日益受到研究者們的關(guān)注。

1" "工程概況

某城市軌道交通3號(hào)線工程左右線起止里程均為DZK15+005～DZK18+400，單線長度為3395m，全線設(shè)置地下車站12座，區(qū)間隧道均為地下盾構(gòu)隧道。統(tǒng)計(jì)全線隧道穿越的巖質(zhì)地層表明，左線DZK15+884～DZK15+976（92m）為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，DZK17+158～DZK17+269（111m）為中風(fēng)化花崗巖，DZK18+073～DZK18+129（56m）為微風(fēng)化閃長巖，DZK18+238～DZK18+338（100m）為微風(fēng)化正長斑巖。右線DZK15+886～DZK15+972（89m）為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，DZK17+150～DZK17+270（120m）為中風(fēng)化花崗巖，DZK18+089～DZK18+230（141m）為微風(fēng)化閃長巖，DZK18+235～DZK18+308（73m）為微風(fēng)化正長斑巖。

隧道線路穿越場(chǎng)區(qū)硬質(zhì)巖層的基本地質(zhì)特征如表1所示。從表1中可以看出，地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)需要穿越的超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石主要有中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化閃長巖和微風(fēng)化正長斑巖，最大飽和單軸抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到93.7MPa、153.9MPa和186.9MPa。場(chǎng)區(qū)巖體的超高強(qiáng)度對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀盤和型號(hào)都提出了嚴(yán)格要求，合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)也成為保證隧道貫通的關(guān)鍵[4-6]。

2" "盾構(gòu)機(jī)滾刀與高強(qiáng)硬巖的相互作用機(jī)理

一般而言，盾構(gòu)機(jī)刀具對(duì)巖體的破碎機(jī)理主要有2種方式，分別是滾壓破巖和削切破巖。削切破巖主要是在覆蓋土層中發(fā)揮作用，切刀到刀刃與土層或者軟弱巖體進(jìn)行施加剪切力，使得巖碎屑與母巖之間進(jìn)行削切分離。而滾壓破巖主要是在硬質(zhì)巖層中發(fā)揮作用，通過圓形刀盤的滾動(dòng)，使?jié)L刀對(duì)周圍巖體時(shí)間沖擊壓力和剪切壓力，達(dá)到巖體壓碎和剪切的作用[7]。

本研究中面臨的巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度具有高強(qiáng)度的特征，因此采取的破碎巖體方式主要以滾壓破巖為主。盾構(gòu)機(jī)滾刀與高強(qiáng)度硬質(zhì)圍巖的相互作用機(jī)理如圖1所示。

滾刀在刀盤的帶動(dòng)下，對(duì)超高強(qiáng)度硬質(zhì)圍巖施加沖擊壓力，巖體受力后經(jīng)歷3個(gè)階段的變化，分別是彈性變形、塑性變形以及壓碎裂紋剝離，從而達(dá)到巖體破碎過程的目的。滾刀的滾動(dòng)過程一般以螺旋運(yùn)行為主，其中心軌跡方程如公式（1）所示[8]。

（1）

式中，xi、yi和zi為滾刀的中心坐標(biāo)，R0為滾刀中心與刀盤中心之間的距離，w為滾刀運(yùn)動(dòng)的角速度，φ為滾刀的安裝角度，V為刀盤的推進(jìn)速度，r為滾刀半徑，t為時(shí)間。

在一定的刀盤推力作用下，刀盤滾刀的受力大小可以按公式（2）、公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

（2）

（3）

式中，D為滾刀刀圈的外半徑，F(xiàn)n為滾刀受到的法向力，F(xiàn)r為滾刀受到的切向力，r為滾刀刀尖圓角半徑，k為與滾刀距離有關(guān)的系數(shù)，E1為刀刃的彈性模量，E2為圍巖的彈性模量，h為盾構(gòu)貫入度。

3" "不同強(qiáng)度巖石盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)差異分析

3.1" "盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過泥水平衡盾構(gòu)機(jī)與土壓平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)比，本研究中選定的盾構(gòu)機(jī)為土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，其總質(zhì)量為500t，驅(qū)動(dòng)功率為945kW，最大掘進(jìn)速度為80mm/min，最大推力可以提供42550kN，最大轉(zhuǎn)速為3.7r/min，最大扭矩為7200kN·m，額定扭矩為6000kN·m。盾尾部采用3道鋼絲刷密封，最大工作壓力為0.3MPa，最大設(shè)計(jì)壓力為0.5MPa。水平最大轉(zhuǎn)彎半徑為25m，縱向爬坡能力為±50‰，鉸接形式為被動(dòng)交接，螺旋機(jī)最大通過粒徑為φ340mm×560mm。

3.2" "刀盤與刀具選取

為克服超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石對(duì)道具磨損和破碎，同時(shí)為減少在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的換刀次數(shù)，盾構(gòu)機(jī)配置的刀盤采用強(qiáng)韌性16Mnr鋼材復(fù)合式刀盤（輻條+面板）。刀盤的規(guī)格為φ6470mm×1595mm。中心雙刃滾刀數(shù)量為6把，高度為175mm，單刃滾刀為35把，高度為175mm。邊刮刀數(shù)量為12把，高度為140mm，正面切刀數(shù)量為43把，高度為140mm。耐磨合金到刀為17把。

刀具能破碎最大硬質(zhì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度σmax為250MPa，由此增強(qiáng)了刀盤削切土體的能力。刀盤開口為45%，適應(yīng)軟硬不均復(fù)合地層掘進(jìn)的同時(shí)，能有效保持掌子面的平衡。同時(shí)配置6個(gè)泡沫口、2個(gè)膨潤土扣、4個(gè)攪拌棒和1把20mm超挖量的超挖刀，以便于大顆粒的破碎巖塊和渣土能夠通過刀盤進(jìn)入艙體，進(jìn)而輸出洞外。

3.3" "穿越不同巖性的推進(jìn)速率研究

在超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石中，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率是最為重要的掘進(jìn)參數(shù)之一，直接關(guān)系到超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石的破碎和削切效率以及地鐵施工的工期。但盾構(gòu)推進(jìn)速率并非是越快越好，在超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石中，如果盾構(gòu)速率過快，破碎的巖石塊體對(duì)刀具設(shè)備的沖擊研磨加劇，使得刀具出現(xiàn)開裂、松動(dòng)，增加了換刀的頻次。同時(shí)過快的推進(jìn)速度也不利于盾構(gòu)姿態(tài)的控制。另一方面如果盾構(gòu)速度過慢，不僅影響施工效率，刀具設(shè)備與超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石之間會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)研磨效應(yīng)，增加刀具的磨損程度。同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)卡殼的風(fēng)險(xiǎn)。因此，控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度時(shí)需要考慮不同地質(zhì)巖性的影響。

3.3.1" "不同巖性的盾構(gòu)機(jī)速率

對(duì)場(chǎng)區(qū)隧道穿越不同巖性的推進(jìn)速率V進(jìn)行研究，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，不同飽和單軸抗壓強(qiáng)度和風(fēng)化程度的巖體，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速率呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。相對(duì)于其他巖體而言，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低，且強(qiáng)風(fēng)化花崗巖存在風(fēng)化不均等現(xiàn)象，巖體內(nèi)還殘存有中風(fēng)化塊體，球形風(fēng)化現(xiàn)象明顯，因此導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在穿越該層巖體時(shí)，其盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率V變化浮動(dòng)范圍大，表現(xiàn)出明顯的離散性。盾構(gòu)機(jī)最大推進(jìn)速率為29.86mm/min，最小推進(jìn)速率為15.13mm/min。

超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率V，隨著巖體飽和單軸強(qiáng)度σ的增加而降低，且盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率V的變化浮動(dòng)范圍相對(duì)集中。其中中風(fēng)花崗巖的盾構(gòu)機(jī)速率最大值Vmax為24.98 mm/min，最小值Vmin為15.13 mm/min，中位值Vmed為22.15 mm/min。微風(fēng)化閃長巖的盾構(gòu)機(jī)速率最大值Vmax為24.20mm/min，最小值Vmin為15.02mm/min，中位值Vmed為17.97mm/min。微風(fēng)化正長斑巖的盾構(gòu)機(jī)速率最大值Vmax為19.86mm/min，最小值Vmin為13.09mm/min，中位值Vmed為15.98mm/min。

3.3.2" "不同巖性的盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速

刀盤轉(zhuǎn)速由盾構(gòu)機(jī)人員施工時(shí)設(shè)定，其大小可以影響滾刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，滾刀對(duì)超高強(qiáng)度的硬質(zhì)巖石的破碎沖擊力也會(huì)有所不同。因此，對(duì)場(chǎng)區(qū)隧道穿越不同巖性的刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，由于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度σ相對(duì)其他圍巖而言較低，因此盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速Vn出現(xiàn)明顯的分離。其最大刀盤轉(zhuǎn)速Vn，max為1.49r/min，最小刀盤轉(zhuǎn)速Vn，min為1.21 r/min，中位值Vn，med為1.33 r/min。而對(duì)于超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體而言，盾構(gòu)機(jī)的刀盤速度轉(zhuǎn)速Vn較為一致，分別范圍均位于0.90～1.19r/min之間。

3.3.3" "不同巖性的刀盤扭矩

刀盤扭矩Mn與巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σ有明顯的相關(guān)關(guān)系，一般而言，越堅(jiān)硬的巖石，需要的刀盤扭矩Mn也越大。而對(duì)于風(fēng)化程度較高，單軸抗壓強(qiáng)度σ較低的巖石而言，所需的刀盤扭矩Mn則越低。對(duì)場(chǎng)區(qū)隧道穿越不同巖性的刀盤扭矩Mn進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，不同風(fēng)化程度的巖體其刀盤扭矩Mn存在明顯的不同，呈現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，其中，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的刀盤扭矩Mn由于風(fēng)化程度不均，其刀盤扭矩Mn呈現(xiàn)較寬范圍的離散型，最大扭矩值Mn，max為3459kN·m，最小扭矩值Mn，min為1102 kN·m，扭矩中位值Mn，med為2289kN·m。中風(fēng)化花崗巖的刀盤扭矩Mn比強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的扭矩略大，但其分布范圍進(jìn)一步縮小，集中程度更高，最大扭矩值Mn，max為3988kN·m，最小扭矩值Mn，min為2000kN·m，扭矩中位值Mn，med為2959kN·m。微風(fēng)化閃長巖與微風(fēng)化正長斑巖的刀盤扭矩相近，且明顯大于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)花崗巖的刀盤扭矩，最大扭矩值Mn，max為4496kN·m，最小扭矩值Mn，min為2644kN·m，扭矩中位值Mn，med為3801kN·m。

4" "不同掘進(jìn)參數(shù)條件下的施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1" "盾構(gòu)推進(jìn)速率與貫入度相互關(guān)系

在施工現(xiàn)場(chǎng)，采用盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置的傳感器，對(duì)超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)分析。高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的盾構(gòu)推進(jìn)速率V與貫入度h相互關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出，超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的推進(jìn)速率V與貫入度h存在明顯的線形相關(guān)關(guān)系，隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率V的增加，貫入度h也不斷增加，兩者的相互關(guān)系如公式（4）所示。

h=0.7937V-0.652，R2=0.9592" " " " " " " " "（4）

式中，h為盾構(gòu)機(jī)在超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體中的貫入度，V為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速率，R為線性擬合系數(shù)。

4.2" "盾構(gòu)推進(jìn)速率與刀盤扭矩相互關(guān)系

高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的盾構(gòu)推進(jìn)速率V與刀盤扭矩Mn相互關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出，超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的推進(jìn)速率V與刀盤扭矩Mn存在明顯的對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著推進(jìn)速率V的增加，刀盤扭矩Mn也不斷增加，兩者的相互關(guān)系如公式（5）所示。

Mn=448.01ln·V+1381.7，R2=0.8998" " " " " " " " （5）

式中，Mn為盾構(gòu)機(jī)在超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體中的刀盤扭矩，V為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速率，R為擬合系數(shù)。

4.3" "盾構(gòu)推進(jìn)速率與總推進(jìn)力相互關(guān)系

高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的盾構(gòu)推進(jìn)速率V與盾構(gòu)總推進(jìn)力F相互關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出，超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的推進(jìn)速率V與總推進(jìn)力F存在明顯的對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著推進(jìn)速率V的增加，刀總推進(jìn)力F也不斷增加，兩者的相互關(guān)系如公式（6）所示。

F=4137.1ln·V+14119，R2=0.8890" " " " " " （6）

式中，F(xiàn)為盾構(gòu)機(jī)在超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體中的總推進(jìn)力，V為盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速率，R為擬合系數(shù)。

5" "結(jié)語

本文以某城市軌道交通3號(hào)線工程區(qū)間盾構(gòu)隧道的施工為研究對(duì)象，在分析場(chǎng)區(qū)隧道穿越硬質(zhì)巖體的地質(zhì)特征以及破巖機(jī)理基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為研究手段，對(duì)場(chǎng)區(qū)的超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖石的不同掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行研究，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

不同飽和單軸抗壓強(qiáng)度和風(fēng)化程度的巖體，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速率呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率隨著巖體飽和單軸強(qiáng)度的增加而降低，且盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率的變化浮動(dòng)范圍相對(duì)集中。

由于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)其他圍巖而言較低，因此盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯的分離；而對(duì)于超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體而言，盾構(gòu)機(jī)的刀盤速度轉(zhuǎn)速Vn較為一致，范圍分別位于0.90～1.19r/min之間。

不同風(fēng)化程度的巖體其刀盤扭矩存在明顯的不同，呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，微風(fēng)化閃長巖與微風(fēng)化正長斑巖的刀盤扭矩相近，且明顯大于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)花崗巖的刀盤扭矩。超高強(qiáng)度硬質(zhì)巖體的推進(jìn)速率V與貫入度h存在明顯的線形相關(guān)關(guān)系，與刀盤扭矩Mn和盾構(gòu)總推進(jìn)力F則存在明顯的對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系。

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