無水大粒徑砂卵石盾構綜合施工技術

王海明 夏清華 黃福昌 張 浩

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司 北京 100073)

1 地質(zhì)情況介紹

北京西南地區(qū)處于永定河沖積扇中上部，隧道主要穿越7號無水大粒徑砂卵石地層，此種地層是一種典型的力學不穩(wěn)定地層，其基本特征表現(xiàn)為結構松散，呈大小不等的顆粒狀，砂卵石地層顆粒之間的孔隙大，顆粒之間的黏聚力為零。這種地層一旦被擾動，就極易破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡的狀態(tài)，使開挖面或洞壁失去約束而產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。刀盤旋轉切削時，圍巖容易發(fā)生擾動，切削刀的開挖力傳遞到開挖部位周圍時，圍巖中的大塊卵石、礫石越多，粒徑越大，這種擾動程度則更大，特別是隧道頂部大塊卵石剝落會引起上覆地層的突然沉陷。

北京西南地區(qū)某標段盾構隧道全線主要穿越第四系沉積土中的卵石層，此地段為典型的無水砂卵石地層，卵石顆粒密集，100 mm以上粒徑的卵石約占80%，最大粒徑達1700 mm，含砂量約30%，且隧道底部分布有厚約1000 mm的膠結巖層，強度較高(見圖1)。

圖1 盾構始發(fā)井及盾構隧道施工地層

2 刀具優(yōu)化

無水大粒徑砂卵石地層進行土壓平衡盾構施工，刀具磨損嚴重，主要表現(xiàn)在刮刀合金塊剝落、滾刀偏磨等情況。為減少開倉換刀次數(shù)，降低刀具成本，結合工程地層特點，針對各種刀具的磨損情況，對刀具合金形式和合金材質(zhì)分析后，對刀具的種類配備進行了全面優(yōu)化。

2.1 刮刀(齒刀和邊緣刮刀)

刮刀是軟土刀具，一般適用于粒徑小于400 mm的砂、卵石、黏土等松散體地層。

圖2 加強方形刮刀

針對砂卵石地層開挖面整體單軸抗壓強度較低，土質(zhì)疏松等特點，在邊緣刮刀及正面方形刮刀的主切削刃上，采用鑲嵌深度較大的大圓角硬質(zhì)合金塊(合金牌號 JZ10，硬度 HRA為88.0 ～90.0，耐磨性為 7.01/cm3)(見圖2)，以提高刀具的耐磨及耐沖擊的能力，刀具硬質(zhì)合金塊與渣土接觸面積大，可減小鋼基體的磨損量，延長刀具的使用壽命，同時可改變硬質(zhì)合金塊的角度，增加其貫入度，提高其切削土體的能力。

圖3 渣土流動軌跡線及后刀面磨損分析

在刀盤正反轉過程中，刮刀長距離地掘進，其后刀面磨損嚴重。在后刀面位置增加若干硬質(zhì)合金(見圖3)，可有效地削弱渣土對刀體的磨損。

2.2 貝殼刀

圖4 超大合金貝殼刀

貝殼刀實質(zhì)上是先行刀(見圖4)，主要是先行于刮刀犁動地層，可有效保護好刮刀，防止刀盤磨損。刀盤配置兩種貝殼刀:一種是可更換式貝殼刀，替代正面滾刀;另外一種是焊接式貝殼刀，焊接在刀盤上，主要分布在刀盤上大半徑區(qū)域，交錯分布。

由于大粒徑砂卵石地層對刀具的沖擊磨損大，為應對這種對刀真高沖擊、高磨損的地層，采用焊接式強化先行刀，其工作高度高于切刀和邊緣刮刀，與滾刀工作高度一致。為了延長刀具的使用壽命，發(fā)揮其高耐磨特性，宜采用工作截面相對較小、刀體兩端焊接超大硬質(zhì)合金的貝殼刀，可以得到更小的分配扭矩，當遇到較大卵石時，還能相應實現(xiàn)對卵石的“錘擊”破碎的作用。

2.3 保徑刀

刀盤外周圈為刀盤上工作距離最長的部位，最易磨損，當其直徑小于盾體直徑時，導致盾構機推力增大、盾體磨損。保徑刀安裝或焊接在刀盤外周，與邊緣刮刀、外周耐磨板組合協(xié)同工作。對整個刀盤外周圈進行保護，外周保護刀高出外周耐磨板5～10 mm為宜，一般等分45°焊接刀盤外周(見圖5)。

圖5 保徑刀安裝位置

2.4 滾刀

滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動產(chǎn)生剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的。在無水大粒徑砂卵石地層中，刀盤中心半徑在1.5 m范圍內(nèi)，刀箱里容易擠滿砂土，經(jīng)過壓密結塊形成泥餅，產(chǎn)生力矩阻止?jié)L刀轉動，造成滾刀偏磨或弦磨而失效，掘進中滾刀受力情況見圖6。因此在半徑1.5 m范圍內(nèi)多采用貝殼刀，其余部分仍采用滾刀。

圖6 滾刀受力圖

無水大粒徑砂卵石地層中滾刀宜采用轉動扭矩小(約25 Nm)、刀轂面較寬的合金鋼圈來增加其破碎亂石的能力，延長刀具的使用壽命。

3 土體改良

在盾構始發(fā)階段雖然進行了常規(guī)的土體改良，但因土體不能達到流塑狀態(tài)而無法建立真正的土壓平衡，且盾構機刀盤進土口渣土易凝結成餅(見圖7)，導致刀盤扭矩為4500～7000 kNm，推力一般為13000～17000 kN，掘進速度只有1～10 mm/min，而且經(jīng)常出現(xiàn)無掘進速度的現(xiàn)象，超挖現(xiàn)象難以控制。

圖7 盾構機刀盤進土口處泥餅

3.1 優(yōu)化后土體改良措施

3.1.1 注入泡沫

根據(jù)本工程具體的地層特點，經(jīng)過大量的配比試驗(見圖8)，主要從泡沫劑的類型、種類、注入?yún)?shù)等方面進行了優(yōu)化，將以前單純的泡沫劑更換為SLF30+10%SLFP1型泡沫劑，同時加入了Rheosoil143發(fā)泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫劑，采取多種改良材料共同對掌子面土體進行塑流化改良。泡沫注入?yún)?shù)調(diào)整為:膨脹率(FER)值在1∶10 ～1∶20，注入比(FIR)值在40% ～80%，泡沫流量在400～600 L/min，但需根據(jù)掌子面地層情況及時調(diào)整注入?yún)?shù)。在這幾種措施的綜合作用下，渣土的流塑性得到了有效改善，土壓平衡得以真正建立，刀盤的扭矩也由以前的20 MPa降至15 MPa，并且排土順暢，效果明顯。

圖8 泡沫劑配比試驗

3.1.2 注入膨潤土

根據(jù)本工程具體的地層特點，經(jīng)過多種嘗試(見圖9)，最終選用更加適用于無水砂卵石地層條件的鈉基優(yōu)質(zhì)膨潤土、純堿和羧甲基纖維素鈉(簡稱CMC)的混合漿液來代替原先的純膨潤土漿液，優(yōu)化后混合膨潤土漿液(質(zhì)量)配比為水∶膨潤土∶CMC=1000∶80∶2;發(fā)酵膨化時間最少保持在18 h以上，最佳為24 h，使其充分溶解發(fā)酵，黏稠度以50～60 s為最佳。

圖9 膨潤土配置池及泥漿黏度測定

3.1.3 注入水

1)一定壓力的水注射到掌子面土體內(nèi)，使沖刷下來的、流動性好的土體能及時通過開口率較小的刀盤面板進入土倉，減少了刮刀、齒刀的磨損。

2)冷卻刀盤面板上的各種刀具，特別是刀具的硬質(zhì)合金部分。

3)水與潤滑劑的混合液具有減摩作用，可降低刀盤扭矩，延長刀具使用壽命。

4)加在刀盤前方的水隨土體進入土倉內(nèi)，在刀盤后方攪拌棒的作用下，土體流動性加大，有利于順利出土，可減少卵石對螺旋機螺桿和葉片的磨損。

針對刀盤每次凝結泥餅的情況，在容易形成泥餅的部位(或其附近)增設3根加水管路，水量注入的大小需根據(jù)出渣情況及時調(diào)整。

3.2 優(yōu)化后土體改良效果

1)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施，渣土的流塑性得到了有效改善(見圖10)。

圖10 土體改良措施優(yōu)化前后渣土

2)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施，土壓平衡得以真正建立，刀盤的扭矩由優(yōu)化以前的20 MPa降至15 MPa(見圖11)。

3)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施后，盾構掘進速度有了大幅度的提高，平均掘進速度由優(yōu)化前的1～10 mm/min提高至40mm/min，最大可達70 mm/min(見圖12)。

圖12 土體改良措施優(yōu)化前后掘進速度對比

4)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施后，盾構機推力有了大幅度下降，推力由優(yōu)化前的11000～17000 kN下降至7000 kN(見圖13)。

圖13 土體改良措施優(yōu)化前后盾構機推力對比

4 無水大粒徑砂卵石地層盾構選型的建議

通過本區(qū)間的盾構施工，證明加泥式土壓平衡盾構機對無水大粒徑砂卵石地層有一定的適應性，并曾創(chuàng)造了單班掘進12環(huán)(1.2 m/環(huán))的紀錄。

4.1 選擇復合式刀盤的成效與問題

本工程運用優(yōu)化后的刀盤及刀具之后，大大降低了施工中的換刀次數(shù)，提高到420 m不換刀，降低了因刀盤周邊部分磨損而產(chǎn)生的盾構機推力大、盾體磨損加劇等問題，但由于刀盤采用中間支撐的形式，且中間位置開口小，渣土難以置換，造成中間位置易結泥餅。

4.2 刀盤驅動功率的選擇

刀盤驅動形式主要分為變頻電機驅動、液壓驅動及定速電機驅動。

鑒于定速電機驅動，刀盤轉速不可調(diào)節(jié)，目前一般不采用;變頻驅動價格昂貴，多用于大直徑盾構機;液壓驅動較變頻電機驅動而言，具有調(diào)速靈活、控制簡單、液壓馬達體積小、安裝方便、價格低、啟動力矩小等優(yōu)點，在目前的中小型盾構上廣泛使用。

在大粒徑砂卵石地層中掘進時，刀盤扭矩經(jīng)常超過220 MPa，出現(xiàn)刀具卡死等情況。本工程盾構選型時采用液壓驅動，配有3個315 kw的電機，9個3級液壓馬達以增大驅動功率，提高脫困扭矩。主軸承選用配有潤滑系統(tǒng)的直徑為3 m的主軸承，支撐方式采用3排軸向滾軸，增大了驅動單元的驅動能力及抗疲勞強度，可防扭矩過大造成損壞(見圖14)。

圖14 本工程采用的盾構機主軸承及驅動馬達

4.3 帶式螺旋運輸機選型的論證

當水壓大于0.3 MPa時，宜采用泥水盾構;小于0.3 MPa時多采用土壓平衡盾構。選用加泥式土壓平衡盾構機必須對螺旋機進行考慮，螺旋機直徑與帶距根據(jù)進入土倉卵石的粒徑大小來選擇，需保證土倉內(nèi)大粒徑卵石能順利從螺旋機中排出。

本工程配備與礫石直徑條件相適應的螺旋輸送機排除礫石，開口尺寸達到800 mm，能滿足290 mm×520 mm的漂石直接通過。

螺旋機鋼結構為重型設計并有專門的耐磨保護，螺旋機筒體內(nèi)前段及前半部分螺旋葉片上有焊接式Hardox耐磨保護(見圖15)，以延長螺旋機的使用壽命。

圖15 螺旋機焊接的耐磨塊

無軸式螺旋運輸機能夠適應較大粒徑卵石的排出，但其本身結構導致脫困扭矩小。北京西南地區(qū)隧道穿越的密集大粒徑卵石可能會造成螺旋機旋轉時扭矩超限卡死，在北京地鐵9號線某標曾采用無軸螺旋機，致使在盾構施工過程中螺旋機中間焊接處扭斷。

圖16 螺旋葉片部分的檢查及補焊

本工程選用帶式螺旋機采取的加焊耐磨塊措施，雖然有效地延緩了砂卵石對螺旋機造成的磨損，但仍不能避免螺旋機的磨損，圖16為換刀過程中對螺旋機螺旋葉片部分的檢查及補焊。

4.4 無水大粒徑砂卵石地層盾構選型的建議

國內(nèi)外類似地層盾構施工的實例及采用的加泥式土壓平衡盾構產(chǎn)生的效果表明，此類地層選用土壓平衡盾構機仍存在不可解決的問題。

推力及扭矩過大，刀盤對地層造成長時間的擾動，容易造成地表沉降;土體改良成功是以添加大量昂貴的材料為基礎;刀盤、刀具及螺旋機不可避免地產(chǎn)生磨損。

針對無水砂卵石地層的特點，建議選用泥水盾構或敞開式盾構。

泥水平衡盾構機對場地限制較大，盾構施工成本較高，且與土壓平衡盾構機一樣對于刀具磨損、頻繁換刀等問題仍不能真正解決;敞開式盾構針對無水砂卵石地層，可以避免以上問題，敞開式盾構較泥水盾構、土壓平衡盾構具有以下優(yōu)點:

1)敞開式盾構科技含量少，可以國產(chǎn)化，成本低。

2)敞開式盾構(見圖 17)，無刀具，不存在刀具磨損、增加換刀成本及結泥餅情況。

3)根據(jù)北京西南地區(qū)車站、暗挖隧道揭露的地質(zhì)情況來看，掌子面的自穩(wěn)性較好(見圖18)，地層基本處于無水狀態(tài)，進行敞開式盾構施工無需輔以壓氣、降水等措施，部分砂層可輔以注漿加固等措施，控制地面因擾動產(chǎn)生的沉降。

4)敞開式盾構無需渣土改良，挖掘狀態(tài)為干狀態(tài)，且敞開式盾構的開挖面可形成多種斷面形式(如敞開式網(wǎng)格盾構)，大粒徑卵石無需破碎，出土效率高，可日掘進13.5 m。

5)敞開式盾構掌子面裸露，人員可直接了解掌子面情況，能夠更及時、更快、更準確地調(diào)整盾構施工參數(shù)。

6)敞開式盾構斷面類型豐富，可根據(jù)隧道斷面來設計盾構機形式。

5 小結

1)加泥式土壓平衡盾構機對無水大粒徑砂卵石地層有一定的適應性。

2)在無水大粒徑砂卵石地層中進行盾構施工，對刀具磨損嚴重、刀盤中心部位易結泥餅等問題雖有一定效果，但仍值得研究。

3)在無水大粒徑砂卵石地層中采用敞開式或半敞開式盾構機具有可行性。

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