復(fù)雜地層盾構(gòu)施工技術(shù)研究

寧 銳,劉文斌

(1.中鐵南方投資發(fā)展有限公司,廣東 深圳 518055;2.中國中鐵一局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710054)

北京地鐵 4號(hào)線北宮門-龍背村調(diào)出井盾構(gòu)區(qū)間所處地質(zhì)條件比較特殊,穿越永定河沖洪積扇,并受到西北玉泉山和香山等山脈的影響,且局部穿越出露的極硬巖,具有山前沖洪積扇地層的復(fù)合特性,施工難度大,施工技術(shù)要求高。對包括盾構(gòu)機(jī)選型和刀具配置等盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行較深入的探討以及對掘進(jìn)模式的優(yōu)選、掘進(jìn)參數(shù)、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制和同步注漿參數(shù)的設(shè)定等方面的技術(shù)措施進(jìn)行了研究,總結(jié)出了一套較為成熟的施工技術(shù)。

1 工程概況和施工重難點(diǎn)

1.1 工程概況

北京地鐵 4號(hào)線北(宮門)-龍(背村調(diào)出井)盾構(gòu)區(qū)間長 523.294m,根據(jù)地勘資料,區(qū)間穿越第四紀(jì)全新世沖洪積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層,局部穿越二迭系紅廟嶺組。第四紀(jì)沖洪積層主要以粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵石圓礫層為主;二迭系紅廟嶺組主要以強(qiáng)～中風(fēng)化礫巖、微風(fēng)化礫巖、微風(fēng)化砂巖、強(qiáng)～中風(fēng)化礫巖為主。

根據(jù)詳勘和補(bǔ)充勘探報(bào)告顯示,北-龍區(qū)間大約有 190 m左右的全斷面巖石,該段巖石為微風(fēng)化礫巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖,單軸抗壓強(qiáng)度最大 76.8 MPa。其余地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土、中粗砂以及全斷面的砂卵石層,有較為嚴(yán)重的軟硬不均地層出露,具有山前地區(qū)的典型特點(diǎn)。鉆孔中實(shí)測兩層地下水,第一層為潛水,第二層為層間潛水。由于本段地下水不具有承壓性,總體上對盾構(gòu)施工沒有太大影響,但是盾構(gòu)施工對含水的砂層產(chǎn)生一些不利因素,尤其是盾構(gòu)開挖面上部的砂層容易受到擾動(dòng)而引起局部坍塌(圖 1)。

1.2 工程重難點(diǎn)

由于本工程為山前沖洪積扇地形,地質(zhì)復(fù)雜多變,盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)需要根據(jù)不同的地層情況頻繁轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)模式、掘進(jìn)參數(shù)和注漿參數(shù),同時(shí)也要及時(shí)調(diào)整添加材料的種類和數(shù)量。在巖石地層中掘進(jìn),刀具磨損較為嚴(yán)重,導(dǎo)致?lián)Q刀頻率增加,增加了停機(jī)時(shí)間,對施工工期將產(chǎn)生較大影響。在上軟下硬地層中掘進(jìn),如何保證掌子面穩(wěn)定,以及快速安全的通過是本工程的難點(diǎn)。

圖1 地質(zhì)剖面

2 盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)北京市地鐵 4號(hào)線北龍區(qū)間山間沖洪積扇地層的地質(zhì)特點(diǎn),對地質(zhì)斷面進(jìn)行了認(rèn)真分析,并綜合經(jīng)濟(jì)合理性的要求,選用了德國海瑞克 6.28復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)[1]。其主要性能參數(shù)見表 1。

值得注意的是盾構(gòu)機(jī)刀盤的驅(qū)動(dòng)扭矩、總推力的大小是決定一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)是否能適合復(fù)雜多變地層的關(guān)鍵參數(shù)。另外,還有刀盤的剛度強(qiáng)度以及刀具的選配也是至關(guān)重要的。

2.2 盾構(gòu)機(jī)工作原理

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理則是向掌子面土體注入泡沫劑和膨潤土等塑流性材料,與開挖面切削下來的土體經(jīng)過充分?jǐn)嚢?形成具有一定塑流性和透水性低的塑流體,同時(shí)通過控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂速度與螺旋輸送機(jī)向外排土的速度相匹配,經(jīng)艙內(nèi)塑流體向開挖面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)始終在保持動(dòng)態(tài)平衡的條件下連續(xù)向前推進(jìn)[2]。由于復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)可以根據(jù)不同地層的地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)和配制出與之相適應(yīng)的泡沫劑等,從而適應(yīng)各類復(fù)雜地層的施工條件,故近年該盾構(gòu)機(jī)型在隧道工程中得到廣泛應(yīng)用。

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2.3 刀具配置

盾構(gòu)機(jī)的刀盤采用平面直角形式,全部采用滾刀配置,即邊緣區(qū) 5把雙刃滾刀;正面區(qū) 8把雙刃滾刀;中心區(qū) 6把雙刃滾刀。為了減少滾刀在軟弱地層掘進(jìn)的“偏磨”和“糊死”,在中心區(qū)和部分正面區(qū)滾刀附近加焊了幾把齒刀(羊角刀),刀面高度比滾刀刀面低 15mm[3]。滾刀和刮刀分別高出刀盤面板 175mm和 140mm;雙刃滾刀的刀刃間距 100 mm,通過刀盤布局,中心區(qū)的刀間距為 100mm,正面區(qū)的刀間距 100mm,邊緣區(qū)的刀間距 30mm。以此可以看出,邊緣區(qū)的破巖能力是最強(qiáng)的,而中心區(qū)的破巖能力最弱。同時(shí),由于在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),邊緣區(qū)刀具的線速度最大,所以磨損也最快。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的主要技術(shù)措施

通過在施工前對該區(qū)間進(jìn)行了較為詳細(xì)的地質(zhì)補(bǔ)勘,將探孔盡量設(shè)在線路中心附近,加大了鉆孔密度(8～12m/個(gè)),認(rèn)真分析了巖層在斷面上的分布情況以及巖性,針對“上軟下硬”地層巖面高的特點(diǎn),采取了許多有效的技術(shù)措施,盾構(gòu)機(jī)安全快速地通過了本區(qū)段。

3.1 掘進(jìn)模式的優(yōu)選

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)具有敞開式、半敞開式和土壓平衡模式三種掘進(jìn)模式。根據(jù)本區(qū)間的地質(zhì)情況,結(jié)合不同地層的特征,所選用的掘進(jìn)模式也不相同。

(1)全斷面巖層掘進(jìn):采用敞開式掘進(jìn)模式,使用泡沫劑來改良渣土。

(2)軟弱地層掘進(jìn):采用土壓平衡模式,渣土改良主要采用泡沫和適量的膨潤土。土倉壓力不需要頻繁調(diào)節(jié),只需要保證土倉壓力略大于掌子面的土壓和水壓力之和即可。

(3)砂卵石及“上軟下硬”地層掘進(jìn):此段地層比較復(fù)雜,斷面上地層差異很大。由于斷面上部地層軟弱并局部有含水的砂層,所以容易引起上部塌方,所以也采用土壓平衡模式掘進(jìn)。但在這種不良地層掘進(jìn)時(shí)土倉壓力不易控制:過高,則盾構(gòu)推力和扭矩增大,作用在開挖面的有效推力不易掌握;過低,則易引起開挖面坍塌造成地面沉陷[4]。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)施工前,要根據(jù)不同的工程地質(zhì)特性以及隧道的埋置深度計(jì)算確定主要的掘進(jìn)參數(shù),包括:盾構(gòu)姿態(tài)、推力、扭矩、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、土倉壓力,并根據(jù)始發(fā)掘進(jìn)試驗(yàn)段的監(jiān)測情況進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整[5]。值得強(qiáng)調(diào)的是,由于土壓平衡模式下實(shí)際上是一種通過螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)出土形成的動(dòng)態(tài)平衡,所以在實(shí)際操作過程中螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓力也要引起足夠重視[5]。

(1)土倉壓力:軟弱地層及“上軟下硬”地層土倉壓力 80～100 kPa,砂卵石層土倉壓力 60～80 kPa,停機(jī)拼環(huán)土壓120 kPa以上。

(2)推力及扭矩:推力 6000～10000 kN;設(shè)定工作油壓18MPa(急停扭矩約 3500 kN·m);

5.注重本國市場與國際市場的接軌。近幾年來，各國都加強(qiáng)了對金融衍生產(chǎn)品的立法監(jiān)管，中國起步較晚、市場發(fā)展也并不全面，需要學(xué)習(xí)借鑒其他國家的經(jīng)驗(yàn)。一方面，金融衍生產(chǎn)品國際市場才是大盤，這要求各國加強(qiáng)合作，共同致力于金融衍生產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)控制。因此中國在金融市場的發(fā)展中，要注意對各個(gè)國家的雙邊及多邊協(xié)議和國際組織所訂立的協(xié)議進(jìn)行整合，查漏補(bǔ)缺，取其精華，建立彼此聯(lián)系的法律應(yīng)對機(jī)制。同時(shí)要加強(qiáng)與IMF、巴塞爾委員會(huì)，世界銀行等國際組織和國際重要金融機(jī)構(gòu)之間的協(xié)作，各取所長，積極配合。

(3)刀盤轉(zhuǎn)速:全斷面巖層轉(zhuǎn)速 1.0～1.5 r/m in;其余地層轉(zhuǎn)速 0.5～1.0 r/m in。

(4)貫入度(切削量):軟弱地層 20～30mm/rpm;砂卵石層 15～25mm/rpm;全斷面巖石 10～15mm/rpm。

(5)同步注漿壓力及注漿量:漿液采用水泥砂漿。軟弱地層注漿壓力 180～280 kPa;砂卵石及巖層注漿壓力 150～200 kPa。注漿量大于 5.8m3/環(huán)。

(6)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速:低于 8r/min。

3.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制

在山前復(fù)雜地區(qū)掘進(jìn)時(shí),盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制非常重要,因?yàn)榈貙幼兓^大,尤其是在硬巖地層糾正盾構(gòu)姿態(tài)難度比較大。因?yàn)橛矌r段的開挖難度大,調(diào)整千斤頂推力糾偏效果不明顯,并且會(huì)加大刀具的磨損,同時(shí)糾偏過猛,存在盾構(gòu)機(jī)被卡和管片錯(cuò)臺(tái)加大的風(fēng)險(xiǎn)。因此,盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí),一定要控制好盾構(gòu)姿態(tài),一旦盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)偏離,要遵循“長距離、緩糾偏”的思想[6]。而不能是通過猛糾,造成刀具的無謂磨損,甚至盾構(gòu)機(jī)難以前進(jìn)[6]。

3.4 同步注漿參數(shù)的設(shè)定

在山前沖洪積扇地層掘進(jìn)時(shí),由于刀盤和盾體的外徑不同,已拼裝的管片壁后與圍巖之間有 14 cm的間隙,如果不能及時(shí)注漿回填,管片在千斤頂推力的作用下會(huì)產(chǎn)生上移(盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂一般總是最下組推力大于其它幾組,對管片產(chǎn)生一個(gè)向上的分力)。在復(fù)雜地層盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),合理控制同步注漿的注漿壓力、注漿量以及注漿速度,能夠有效遏制管片上浮現(xiàn)象[7]。同時(shí),保證同步注漿質(zhì)量,漿液將會(huì)在圍巖和管片間形成一層致密的防水層,對盾構(gòu)隧道防水起到第一層保護(hù)作用。因此,同步注漿質(zhì)量的好壞也是盾構(gòu)隧道防水的關(guān)鍵。

4 結(jié)束語

北京地鐵 4號(hào)線北龍區(qū)間隧道所處山前沖洪積扇地層地質(zhì)復(fù)雜,刀盤刀具磨損大,換刀頻率高,施工難度大。通過加強(qiáng)管理、提前策劃,尤其是對不同地層的特性進(jìn)行了認(rèn)真分析,盾構(gòu)施工取得了較好的效果,安全快速地通過了本區(qū)間,并得出一些盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn):地質(zhì)認(rèn)知是前提,施工技術(shù)管理是關(guān)鍵,盾構(gòu)機(jī)選型及合理的參數(shù)是保證。基于本工程山前沖洪積扇地段的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出了一套較為成熟的施工技術(shù)方法,主要表現(xiàn)為:

(1)配置合理的刀具,提高刀盤切削土體的效率;

(2)設(shè)定適宜的掘進(jìn)參數(shù)和同步注漿參數(shù),確保盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中能正常掘進(jìn);

(3)保證土倉內(nèi)土壓的動(dòng)態(tài)平衡,和螺旋輸送機(jī)的出土速度,保證盾構(gòu)機(jī)能在巖層中安全快速地掘進(jìn)。

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