盾構(gòu)法施工大漂石處理技術(shù)

張 穎

(蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215006)

0 引言

大漂石一般指粒徑大于200 mm的卵石，通常賦存在砂卵石地層或其他土層中，其空間分布具有較大的隨機(jī)性，很難找到規(guī)律;且由于鉆探布孔密度的原因，地質(zhì)勘察時不易被發(fā)現(xiàn)，給盾構(gòu)施工造成極大困難。其影響主要表現(xiàn)為:刀具磨損嚴(yán)重、刀座變形、刀具更換困難;刀盤過度磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，引起刀盤變形;刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞;大漂石無法破碎，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離設(shè)計線路等。

在盾構(gòu)法施工大漂石處理技術(shù)方面，陳饋等［1］介紹了刀具的種類和破巖機(jī)制;管會生等［2-3］介紹了地鐵施工時大漂石對盾構(gòu)選型的影響、大漂石的行為預(yù)測和處理;酒井榮治等［4］研制了一種適合漂石、卵石砂礫層的盾構(gòu)，該盾構(gòu)盡量有效利用不破碎的優(yōu)點(diǎn)，以減少刀具的磨損;楊書江及劉建國［5-6］等分別針對成都和深圳地鐵施工中的大漂石處理技術(shù)進(jìn)行了介紹;張兵和劉東等［7-8］針對北京直徑線的富水砂卵石施工，論述了撕裂刀和滾刀對大卵石膠結(jié)層的破碎效果和刀具配置建議。上述研究大多是針對某一特定地質(zhì)進(jìn)行分析，反映的問題不夠系統(tǒng)，沒有給出解決較全面的措施。本文結(jié)合富水砂卵石地層中盾構(gòu)法隧道施工實(shí)踐，對滾刀破碎大漂石原理進(jìn)行了闡述，提出了土壓平衡盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)在大漂石處理上的針對性設(shè)計，并總結(jié)出了行之有效的大漂石處理措施和“破大放小”的成功處理經(jīng)驗。

1 大漂石破碎原理

在滾刀破碎卵石的過程中，以其通過線為起點(diǎn)，逐漸產(chǎn)生拉伸力，從而將卵石破碎。

如果是較小的卵石，破碎過程就如用鋼釬打入一樣。若是大直徑卵石則從表面出現(xiàn)細(xì)小的剝落開始，然后逐漸累積，根據(jù)切割連帶效果和滾刀的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的沖擊，以刀尖為起點(diǎn)開始出現(xiàn)裂痕，最后實(shí)現(xiàn)破碎。具體過程見圖1。

對于最大卵石直徑不超過200 mm的砂卵石地層，在盾構(gòu)選型和刀盤設(shè)計時按可能通過的最大卵石直徑確定刀盤開口率和開口寬度。進(jìn)入土倉的卵石粒徑必須與螺旋輸送機(jī)的輸送能力相適應(yīng)，確保進(jìn)入土倉的卵石能被螺旋輸送機(jī)順利排出。

當(dāng)最大卵石直徑超過200mm時，由于受安裝空間的限制，增大螺旋輸送機(jī)直徑受到多方面的制約，即使增大刀盤開口也難以有效解決排碴問題。只能在提高刀具破巖能力的同時，考慮其他輔助工法進(jìn)行大漂石的破碎。對無水砂卵石地層可考慮采用輻條式刀盤或者輻條面板式刀盤，輔以帶式螺旋機(jī)出碴。3種刀盤類型見圖2。

圖1 大漂石破碎示意圖Fig.1 Pictureofboulderbreaking

2 大漂石對盾構(gòu)選型的要求

為了確保盾構(gòu)掘進(jìn)的順利實(shí)施，根據(jù)大漂石的粒徑和密集成群的分布特點(diǎn)，在盾構(gòu)選型時做了針對性設(shè)計。刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)，可維持掌子面的穩(wěn)定，刀盤布置有多個開口槽，單個開口的大小將限制進(jìn)入土倉或泥水倉的卵石大小。一般采用在開口部位焊接隔板的方法(見圖3)，把400mm粒徑以上的卵石阻止在刀盤以外，只允許400mm以下粒徑的碴塊通過以利于渣土排出。刀盤上安裝有滾刀、撕裂刀、刮刀和切刀，被擋在刀盤外的大漂石靠滾刀滾壓破碎。

圖2 刀盤圖Fig.2 Cutterheads

2.1 泥水平衡盾構(gòu)

泥水盾構(gòu)處理大漂石主要有以下2種方式:

1)刀盤前破碎 +機(jī)內(nèi)破碎。在刀盤前利用布置的盤形滾刀將大漂石破碎至400mm以下，大漂石碎塊和小于400mm的卵石通過刀盤上的開口進(jìn)入泥水倉內(nèi)，在氣壓倉的底部、排泥管吸漿口的前端安裝了一臺雙顎板式破碎機(jī)(見圖4)，將卵石再次破碎到粒徑140mm以下后，才進(jìn)入排泥管。破碎機(jī)能破碎的卵石的最大尺寸為400mm，其后配有隔柵條，用來限制進(jìn)入排泥管的石塊的尺寸。

圖3 刀盤開口位置焊接的隔板Fig.3 Welded diaphragm at opening position of cutterhead

圖4 雙顎板式破碎機(jī)Fig.4 Double-jaw slat crusher

2)刀盤前破碎 +卵石分級。盤形滾刀將大漂石在刀盤前進(jìn)行破碎之后，利用在氣壓倉與排泥管之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)式分級器進(jìn)行卵石分級處理，將粒徑大于70 mm的卵石分離出來，采用碴車運(yùn)輸至洞外，相當(dāng)于在泥水盾構(gòu)之外，還需要配備土壓盾構(gòu)的礦車出碴系統(tǒng)(差別僅是沒有安裝螺旋輸送機(jī))，這種方式出碴效率較低，從而制約了盾構(gòu)掘進(jìn)效率的發(fā)揮，國內(nèi)尚未見到工程應(yīng)用實(shí)例的報道。

2.2 土壓平衡盾構(gòu)

土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)進(jìn)行排土，由于配備的螺旋機(jī)直徑受到盾構(gòu)尺寸的限制，使排除的卵石直徑受到限制，如軸式螺旋輸送機(jī)直徑為800 mm時，通過最大卵石粒徑為300 mm。需利用刀盤上的滾刀將大粒徑漂石破碎至300 mm以下，然后通過刀盤上的開口進(jìn)入土倉內(nèi)后采用螺旋輸送機(jī)排土，效率較高。在富水砂卵石地層中，土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)采用了雙螺旋、軸式，不僅提供更大的內(nèi)徑以利于大卵石的通過，而且有效地防止噴涌。成都地鐵一號線一期工程盾構(gòu)4標(biāo)通過螺旋輸送機(jī)上的預(yù)留孔注入膨潤土、泡沫或聚合物等，極大改善了渣土的的流動性，確保了排碴的順暢。

針對大漂石的盾構(gòu)設(shè)計有另外一種思路，即采用輻條式刀盤，開口率65%左右，帶式螺旋機(jī)排碴。日本在這方面成功經(jīng)驗較多，日立盾構(gòu)采用直徑1 000 mm的帶式螺旋機(jī)，可以輸送725 mm×670 mm的卵石，直徑845 mm的帶式螺旋機(jī)，可以輸送630 mm×570 mm的卵石，即使在含大漂石的砂卵石地層中亦完全適用;但地下水位較高時，帶式螺旋機(jī)容易出現(xiàn)噴渣問題，實(shí)際效果還有待于驗證。

3 大漂石處理措施

清除大漂石對于施工人員和工程項目的危險性較高，掌子面坍塌可能造成人員傷亡，也可能引起隧道頂部地面過大的沉降。在沒有自穩(wěn)能力的地層，常壓進(jìn)入土倉或泥水倉的風(fēng)險極大，通常需要從地面注入漿液或通過刀盤向開挖面地層注入漿液對土體進(jìn)行加固。

3.1 掘進(jìn)過程中出現(xiàn)大漂石的判斷

在掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)下列情況之一時，初步判斷刀盤前方可能遇到大漂石。

1)刀盤前方出現(xiàn)異常聲音;2)正常掘進(jìn)速度突然變小;

3)盾構(gòu)推力、扭矩突然波動較大;

4)刀盤轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，無法繼續(xù)掘進(jìn)。

3.2 利用盾構(gòu)切削處理大漂石

1)做好補(bǔ)充地質(zhì)勘察，在盾構(gòu)到達(dá)大漂石地段前做好刀盤刀具的檢查，保證刀盤刀具處于良好的工作狀態(tài)。

2)改變掘進(jìn)參數(shù)，適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速，增大推力，將刀具的貫入量控制在10 mm/r以下，同時刀盤采取正、反轉(zhuǎn)的方式緩慢切削大漂石，注意控制刀盤的扭矩變化量在10%以內(nèi)。在刀盤正、反轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)有耐心，不得急燥。

3)泥水平衡盾構(gòu)在切削大漂石過程中注意控制好泥漿性能和泥水倉壓力，保證掌子面泥膜能有效穩(wěn)定掌子面，減小刀盤刀具的磨損，必要時調(diào)配優(yōu)質(zhì)泥漿。在切削大漂石過程中注意碎石機(jī)系統(tǒng)的檢修，保證碎石機(jī)以良好的工作狀態(tài)及時破碎可能產(chǎn)生的大粒徑卵石，防止泥漿管路堵塞。

4)土壓平衡盾構(gòu)在切削大漂石時，盡可能多的向刀盤、土倉以及螺旋輸送機(jī)內(nèi)加入泡沫或膨潤土泥漿進(jìn)行潤滑。

3.3 帶壓進(jìn)倉處理

采取上述措施后，若未能破碎大漂石，優(yōu)先考慮帶壓處理。在富水砂卵石地層中已經(jīng)有成功實(shí)施泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉的技術(shù)。作業(yè)人員進(jìn)入泥水倉(或土倉)利用液壓錘或靜態(tài)爆破進(jìn)行大漂石的處理。

3.4 地層加固后常壓進(jìn)倉處理

在帶壓進(jìn)倉條件不允許時，考慮從地面進(jìn)行地層加固，待掌子面有足夠的自穩(wěn)能力后，進(jìn)入泥水倉(或土倉)利用液壓錘進(jìn)行大漂石處理。常壓進(jìn)倉地層加固應(yīng)綜合考慮地質(zhì)情況、隧道埋深、地面環(huán)境等確定加固措施。地層加固方面的工程實(shí)例較多，在此不做詳細(xì)介紹。

3.5 深孔爆破處理

深圳地鐵在地面具有圍擋施工的條件下，采用了深孔爆破處理新技術(shù)。深孔爆破是指孔深在5 m以上的鉆孔爆破技術(shù)，可根據(jù)大漂石的形狀、大小來確定孔徑、深度和裝藥量，對厚度較大的大漂石可實(shí)施分層爆破?？紤]盾構(gòu)的出渣能力，爆破后石塊的單邊長度控制在300 mm以下，以利于螺旋輸送機(jī)順利出渣。爆破后石塊的大小通過調(diào)整爆破孔間距和用藥量來進(jìn)行控制。鉆孔直徑為110 mm，孔距和排距均為800 mm?？變?nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，起爆雷管選用順發(fā)電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標(biāo)準(zhǔn)直徑為60 mm。

3.6 人工挖孔樁或沖孔樁破碎

對個別體積較大的大漂石，采用地表人工挖孔樁或沖孔樁的方法破碎，設(shè)計挖孔直徑1.5 m。人工挖孔至孤石位置，采用風(fēng)鉆打眼，間距300 mm×300 mm，梅花形布置，孔徑40 mm。鉆孔結(jié)束后使用巖石劈裂機(jī)對大漂石進(jìn)行破碎，破碎后碴塊被清理吊出，破除至盾構(gòu)周身范圍以外15cm。大漂石破碎后，對孔洞進(jìn)行黏土回填，并隨填隨夯，保證密實(shí)度，同時在孔中埋設(shè)注漿管，回填完畢后對其進(jìn)行注漿加固。

準(zhǔn)確判定大漂石的位置后，用沖孔鉆機(jī)從地面沖孔破碎也是一種有效的處理方法。

4 結(jié)論與建議

實(shí)踐證明，利用盾構(gòu)切削系統(tǒng)破碎大粒徑的漂石然后排出(即“破大放小”)的原則是可行的。在含大漂石地層中掘進(jìn)時，應(yīng)進(jìn)一步提高盾構(gòu)刀盤刀具、碎石機(jī)和排漿泵及管路、螺旋輸送機(jī)等系統(tǒng)的耐磨損性能。對土壓平衡盾構(gòu)，采用增大刀盤開口或采用輻條式刀盤同時利用大直徑帶式螺旋輸送機(jī)來輸送大粒徑卵石的措施來處理大漂石，以提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率、減小刀盤刀具以及渣土輸送系統(tǒng)的磨耗，可在今后的施工中做一些嘗試。

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