盾構(gòu)穿越深埋破碎帶地層施工技術(shù)的研究

摘"要：盾構(gòu)在深埋破碎帶地層中掘進(jìn)相對(duì)普通地層更容易遇到地層收縮、塌方、卡刀盤、卡盾體、涌水等情況。通過以新疆某引水工程盾構(gòu)穿越深埋破碎帶地層段施工為背景，提出一套針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在大埋深、破碎帶地層中掘進(jìn)通過的保障措施，重點(diǎn)闡述了盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地層加固、止水環(huán)施工等技術(shù)要點(diǎn)，為后續(xù)盾構(gòu)穿越深埋破碎帶地層施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)深埋破碎帶地層"施工技術(shù)"注漿加固

中圖分類號(hào)：U455.43

Research"on"the"Construction"Technology"of"Shield"Tunneling"Through"the"Strata"of"Deeply-Buried"Fracture"Zones

LI"Junwu

（China"Railway"14th"Bureau"Group"Tunnel"Engineering"Co.，"Ltd.，"Jinan，"Shandong"Province，"250014"China）

Abstract："Compared"with"ordinary"strata，"the"shield"machine"is"more"likely"to"encounter"conditions"such"as"stratum"contraction，"collapse，"sticking"the"cutterhead，"sticking"the"shield"body"and"water"surge"when"tunneling"through"the"strata"of"deeply-buried"fracture"zones."This"paper"takes"the"construction"of"the"shield"machine"tunneling"through"the"stratum"section"of"deep"fracture"zones"in"a"water"diversion"project"in"Xinjiang"as"the"background，"and"puts"forward"a"set"of"safeguard"measuresnbsp;for"the"shield"machine"tunneling"through"the"strata"of"fracture"zones"with"large"embedded"depth，"focusing"on"the"key"technologies"of"the"targeted"structural"design"of"shield"machines，"stratum"reinforcement"and"the"construction"of"water-stopping"rings，"which"provides"references"for"the"subsequent"construction"of"the"shield"machine"tunneling"through"the"strata"of"deeply-buried"fracture"zones.

Key"Words：Shield;"Stratum"of"deep"fracture"zones;"Construction"technology;"Grouting"reinforcement

盾構(gòu)機(jī)具有安全、快捷、開挖面穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道施工中[1-3]。破碎帶是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中經(jīng)常遇到的一種地層，通常具有高度不規(guī)則性、不均勻性和復(fù)雜性，是盾構(gòu)穿越施工中的重要難點(diǎn)之一。穿越破碎帶時(shí)，盾構(gòu)機(jī)面對(duì)的挑戰(zhàn)包括地質(zhì)條件不穩(wěn)定坍塌收斂、地層破裂、鉆頭易損壞、地層富水等問題[4-5]，這些問題可能會(huì)導(dǎo)致涌水、盾構(gòu)機(jī)卡住、停工或損壞，給工程帶來嚴(yán)重的影響[6-7]。

為了解決盾構(gòu)穿越深埋地層破碎帶的難題，工程技術(shù)人員們不斷探索和創(chuàng)新，開發(fā)了一系列的施工技術(shù)和工具，以應(yīng)對(duì)地質(zhì)條件的多變性和破碎帶的復(fù)雜性。

1""工程背景

新疆某水利項(xiàng)目盾構(gòu)施工段存在寬度為68"m的斷裂帶，隧道埋深深度為122～128"m，埋深較大，根據(jù)地質(zhì)資料顯示，該處碎裂巖和斷層角礫巖為主，斷層帶巖體穩(wěn)定性差，盾構(gòu)施工至該處時(shí)因地層不穩(wěn)、巖體破碎極易發(fā)生刀盤、盾體卡死，噴涌情況。對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行補(bǔ)勘，巖芯主要為褐紅色凝灰質(zhì)砂巖，巖芯不完整。

2""深埋地層破碎帶盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1"盾構(gòu)機(jī)承壓能力設(shè)計(jì)

主驅(qū)動(dòng)及鉸接處采用耐高壓的聚氨酯密封結(jié)構(gòu)，盾尾密封采用四道“高性能鋼絲刷+油脂”密封結(jié)構(gòu)，整體承壓能力可達(dá)10"bar。具體結(jié)構(gòu)原理說明如下。

2.1.1主驅(qū)動(dòng)密封

主驅(qū)動(dòng)密封采用聚氨酯材料的多唇密封，這種密封結(jié)構(gòu)由4個(gè)唇齒并排構(gòu)成，可承受10"bar以上水土壓力，試驗(yàn)最大壓力可達(dá)12"bar。另外，聚氨酯材料具有極好的耐磨性能，使用壽命長。該密封結(jié)構(gòu)已在多個(gè)盾構(gòu)機(jī)施工項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.2盾體鉸接密封

鉸接密封布置于前、中盾鉸接段，密封的承壓能力和質(zhì)量直接關(guān)系到施工安全。采用兩道承壓能力強(qiáng)的聚氨酯雙唇密封和油脂注入通道，通過這些通道可對(duì)密封進(jìn)行潤滑，增強(qiáng)密封的使用壽命和可靠性。

2.1.3盾尾密封

盾尾密封采用四道進(jìn)口尾刷和一道止?jié){板的組合設(shè)計(jì)，尾刷腔內(nèi)設(shè)計(jì)有一定數(shù)量的盾尾油脂注入通道，可利用這些通道注入盾構(gòu)油脂形成可靠的密封油環(huán)，保證盾尾密封的密封性能。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，采用增強(qiáng)型鋼絲刷后，一道油脂腔可承受3.5～4"bar的壓力，采用4道鋼絲刷形成3個(gè)油脂腔后，總的承壓能力可達(dá)10.5～12"bar。另外，盾尾刷磨損后是可以在洞內(nèi)進(jìn)行更換的。因此該盾尾密封方案能夠承受最大10"bar的設(shè)計(jì)壓力。

2.2"盾構(gòu)防卡機(jī)設(shè)計(jì)

深埋破碎地層在加固后仍可能具有一定的變形量，需要在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有一定的保障。

（1）刀盤配置超挖刀，具備一定范圍的超挖量能夠進(jìn)行開挖斷面擴(kuò)挖。在局部地層易收斂地段可適當(dāng)加大刀盤擴(kuò)挖量，隧洞外周預(yù)留出一定的圍巖徑向變形量。刀盤圓周外側(cè)布置多把可拆式貝殼刀，當(dāng)?shù)貙邮諗孔冃魏螅庵軡L刀切削外，貝殼刀可切削最外側(cè)滾刀與盾體之間的泥巖，起到二次切削的作用，減小推進(jìn)阻力，如圖1所示。

（2）加強(qiáng)主驅(qū)動(dòng)配置，采用6個(gè)250"kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證主驅(qū)動(dòng)能夠擁有較大脫困能力，額定扭矩4"010"kN·m，脫困扭矩5"520"kN·m，扭矩系數(shù)達(dá)到33.1。

（3）適當(dāng)加大盾體前后錐度設(shè)計(jì)，防止被“裹挾”。常規(guī)地鐵盾構(gòu)機(jī)前后盾體外徑相差10"mm，在本項(xiàng)目上可將錐度差值設(shè)計(jì)成15"mm。

目前，眾多的施工實(shí)踐表明，盾構(gòu)機(jī)由于盾體長度短、具備一定的超挖能力。而且經(jīng)過注漿加固的地層的收斂存在一定的時(shí)空效應(yīng)，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過的短時(shí)期內(nèi)，地層的收斂發(fā)展程度有限，避免長時(shí)間停機(jī)可減少“卡機(jī)”概率。

2.3"盾構(gòu)防噴涌設(shè)計(jì)

2.3.1螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)

在連接橋處頂部設(shè)計(jì)1套保壓泵裝置，輔助系統(tǒng)供油提供動(dòng)力，將由保壓泵進(jìn)料口與螺旋機(jī)預(yù)留的保壓泵渣接口通過泥漿管進(jìn)行連接；將保壓泵出渣口連接管路延伸至隧道連續(xù)皮帶機(jī)處，即通過保壓泵直接將渣土泵送至隧道連續(xù)皮帶機(jī)上輸送出去。保壓泵參數(shù)如表1所示。

2.3.2減小皮帶輸送角度，提高皮帶機(jī)帶速

在螺旋機(jī)下出渣口配置雙閘門的條件下，設(shè)計(jì)小傾角皮帶機(jī)，皮帶輸送機(jī)傾斜端角度大約5.5°。皮帶機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速可提高到3.2"m/s，提高帶速來加強(qiáng)皮帶機(jī)的攜渣能力。

2.3.3通過預(yù)留口向土艙/螺旋機(jī)內(nèi)注入添加劑

可通過向盾體及螺旋機(jī)上的預(yù)留口注入添加劑，如聚合物、膨潤土等渣土改良或者止水方式進(jìn)行防噴涌處理。

2.4"袖閥管注漿加固

在盾構(gòu)達(dá)到破碎帶前采用注漿加固的目的為：避免大埋深松散地層在掘進(jìn)后的快速收斂，進(jìn)而避免因盾構(gòu)機(jī)周圍土體產(chǎn)生巨大握裹力而導(dǎo)致的卡機(jī)現(xiàn)象；增加碎裂地層整體性，減少孤石效應(yīng)，有利于刀盤對(duì)土體的切削。袖閥管注漿施工流程圖如圖2所示。

2.4.1鉆孔

先由SP220挖機(jī)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，測(cè)量放線定出注漿孔孔位，選用KR909-1鉆機(jī)，按標(biāo)出的孔位進(jìn)行鉆孔；在鉆孔過程中采用套管定位和泥漿循環(huán)護(hù)壁成孔，成孔后立即清理。在鉆孔中做詳細(xì)記錄，并對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行描述以利于下一步注漿作業(yè)施工。

2.4.2安裝袖閥管、澆注套殼料及固管止?jié){

在不注漿部位下A型沒孔的袖閥管注漿管，在注漿部位下B型有孔的Φ65×5PVC袖閥管注漿管，B管要覆蓋橡膠套。在頂部加上悶蓋，然后進(jìn)行封孔作業(yè)。

2.4.3開環(huán)灌漿

注漿液采P0.42.5普通硅酸鹽水泥，注漿時(shí)按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比。開環(huán)壓力為0.5"MPa。正常注漿壓力為0.5～1"MPa。注漿終壓力控制在1.5～2"MPa以內(nèi)。滿足2"MPa穩(wěn)壓狀態(tài)下，進(jìn)漿量小于1"L/min，繼續(xù)灌注30"min結(jié)束灌注。

2.4.4注漿加固參數(shù)

袖閥管采用Φ65×5"PVC袖閥管和雙向皮碗式止?jié){塞；采用Φ25鍍鋅鋼管做芯管分段進(jìn)行注漿；注漿材料采用普通硅酸鹽水泥，水灰比W∶C=0.8∶1～1∶1；注漿加固參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；注漿終壓1.5～2.0"MPa。具體灌漿施工技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.5"盾構(gòu)止水環(huán)施工措施

在大埋深破碎帶地層，富水、高壓情況比較常見，為了減少高壓水對(duì)施工的影響，除了進(jìn)行常規(guī)的二次注漿外，另通過在后配套區(qū)域進(jìn)行二次雙液注漿制作管片壁后止水環(huán)，在破碎帶地層止水環(huán)將每隔5環(huán)施工一段，每段5環(huán)，止水環(huán)施工采用增高注漿壓力、降低水灰比措施，充填掘進(jìn)造成的施工空腔、補(bǔ)強(qiáng)地面地層加固部位，將水與主機(jī)處隔絕，緩解主機(jī)內(nèi)水壓力，保障盾構(gòu)機(jī)高速通過破碎帶地層。

3""結(jié)語

本文以新疆某水利項(xiàng)目隧道盾構(gòu)隧道施工為例，提出了一套針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在大埋深、破碎帶地層中掘進(jìn)通過的保障措施。該套措施在盾構(gòu)機(jī)通過深埋破碎地層的收斂、深埋地層高壓、破碎地層富水方面進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，并結(jié)合袖閥管注漿方式對(duì)掘進(jìn)段的破碎地層提前進(jìn)行固結(jié)，配合止水環(huán)阻擋后方來水，為盾構(gòu)機(jī)順利通過深埋、破碎地層提供了可靠保障。

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