鄭 軍,楊 旭,王 寧,施燁輝,馬 強(qiáng),張德軍
(1.南京地鐵科技咨詢有限公司,江蘇 南京 210012;2.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院,江蘇 南京 210007;3.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,江蘇 淮安 223005;4.南京地鐵建設(shè)分公司,江蘇南京 210012)
南京已建長(zhǎng)江公路隧道和擬建的2條地鐵過江隧道皆選用水泥盾構(gòu)工法施工,該盾構(gòu)工法適用于砂礫、砂、粉土、黏土等固結(jié)度低的含水軟弱地層及軟硬相間的地層,且適用于上述地層中上部有河流、湖泊、海洋等高水壓的情況。但在南京長(zhǎng)江公路隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,由于盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重,一度甚至使掘進(jìn)工作停止。究其原因主要是盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)、刀具配置和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選擇與掘進(jìn)所遇礫石層不甚匹配,且刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效所致(夏曉中,2010)。目前,國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道在建城市也常遇到大面積砂卵礫石地層(樂貴平等,2001;李海峰,2009),其工程地質(zhì)特性對(duì)施工和設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在切削料難以排出,或因被切削頭帶動(dòng)而擾動(dòng)地層,宜造成超挖和土體變形、下沉,刀具合金破損嚴(yán)重導(dǎo)致刀具失效,刀座變形損壞導(dǎo)致刀具缺失,刀盤框架磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低,引起刀圈變形,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致刀圈斷裂,致使盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離線路,加大了施工風(fēng)險(xiǎn)和工程費(fèi)用,成為制約盾構(gòu)工法廣泛使用的一個(gè)重要因素(張明富等,2008)。
目前,大多數(shù)學(xué)者主要集中于考慮在礫石地層中對(duì)盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)影響研究,取得了一些重要的研究成果。其中樂貴平等(2001)在國(guó)內(nèi)首次介紹了盾構(gòu)機(jī)成功穿越全斷面礫石地層的有關(guān)技術(shù)參數(shù)和工程實(shí)測(cè)成果,并給出了成功施工的關(guān)鍵在于配置性能適宜的泥漿的結(jié)論;宋克志(2004)指出了無水砂卵石是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層,對(duì)盾構(gòu)存在較大的不良影響,根據(jù)無水砂卵石地層的特點(diǎn)及盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性保證盾構(gòu)的準(zhǔn)確選型;王國(guó)義(2008)和李海峰(2009)結(jié)合成都高富水、高卵礫石含量的地質(zhì)條件研究成都地鐵的盾構(gòu)設(shè)備配置;管會(huì)生(2008)指出了大漂石對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型的影響;張明富(2008)等主要是針對(duì)砂卵石地層研究采用最新盾構(gòu)刀具動(dòng)態(tài)磨損監(jiān)測(cè)裝置,提出刀具磨損與掘進(jìn)距離的回歸公式,為工程實(shí)際中減少刀具磨損提供了理論依據(jù)及預(yù)測(cè)盾構(gòu)在此地層條件下的最長(zhǎng)掘進(jìn)距離;陳鵬(2009)介紹了影響盾構(gòu)刀具磨損的主要因素,并以南京長(zhǎng)江隧道掘進(jìn)礫石地層為例進(jìn)行計(jì)算;張穎(2011)總結(jié)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(yàn)。
部分學(xué)者進(jìn)行了基于盾構(gòu)掘進(jìn)影響的礫石地層工程地質(zhì)特性研究,如陳正勛等(2007)指出,卵礫石盾構(gòu)隧道施工應(yīng)通過地質(zhì)調(diào)查的方法詳細(xì)研究卵礫石的性質(zhì)作為盾構(gòu)機(jī)切刃盤的設(shè)計(jì)依據(jù),降低施工風(fēng)險(xiǎn),并結(jié)合臺(tái)灣與日本施工案例,提出盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則;馬秉務(wù)等(2009)采用多種手段綜合分析提供更為接近實(shí)際的含大粒徑卵礫石地層描述,為地鐵盾構(gòu)隧道及基坑圍護(hù)樁設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。因此,基于盾構(gòu)掘進(jìn)影響的礫石地層的工程特性研究是長(zhǎng)江盾構(gòu)隧道巖土工程勘察的重點(diǎn)研究課題??梢姡斜匾诙軜?gòu)掘進(jìn)影響對(duì)南京地鐵10號(hào)線長(zhǎng)江段盾構(gòu)隧道穿越的礫石層進(jìn)行深入探討,系統(tǒng)分析所含卵、礫石的工程地質(zhì)特性對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響,并對(duì)長(zhǎng)江底部礫石層的地質(zhì)成因、礫石層對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損影響的機(jī)理進(jìn)行分析討論。
南京地鐵10號(hào)線過江盾構(gòu)隧道主要由綠博園站—江心洲站、江心洲站—中間風(fēng)井和中間風(fēng)井—濱江大道站3段組成,其中江心洲站—中間風(fēng)井區(qū)間(里程為CK11+252—CK14+850)為單洞雙線大盾構(gòu)區(qū)間,隧道外徑為11.2 m,長(zhǎng)約3 600 m。
該區(qū)間大盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與概化工程地質(zhì)剖面圖見圖1。大盾構(gòu)隧道在里程CK12+175—CK13+945 間穿越礫石層,層厚約1.10 ~19.95 m。
圖1 過江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與概化工程地質(zhì)剖面關(guān)系示意圖
長(zhǎng)江河谷的第四系為全新世、更新世以來的最新堆積物,以河床相的砂礫石沉積占主導(dǎo)地位。圓礫、砂礫石成分以石英巖、硅質(zhì)巖、脈石英為主,灰?guī)r、燧石次之,分選性和磨圓度良好。
長(zhǎng)江中下游河床堆積物的主要特點(diǎn)為上層細(xì)下層粗,礫石層覆蓋于基巖之上,被壓在砂層下面,不能運(yùn)動(dòng)(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1984)。究其原因,主要是因?yàn)榈谒募o(jì)自然界的最大特點(diǎn)是具有輪回性變化的現(xiàn)象,即冰期與間冰期,海退與海侵,地殼抬升與下降,剝蝕與堆積等交替出現(xiàn)。
2.5 ~1.5 萬(wàn)年前的主玉木冰期海平面下降過程中,長(zhǎng)江中下游產(chǎn)生強(qiáng)烈的溯源侵蝕,包括卵礫石的晚更新統(tǒng)沉積物曾被沖刷一空,成為東海水下長(zhǎng)江三角洲的固體物質(zhì)來源的一部分,致使長(zhǎng)江基巖裸露甚至被下切。
距今1.5萬(wàn)年后,氣候轉(zhuǎn)暖,河川徑流增 大,海平面又開始回升。據(jù)趙希濤等(1992)研究,距今約6 200年前海平面到達(dá)現(xiàn)在水平,6 200~5 000年前又高于現(xiàn)海平面2~4 m,為全新世最大海侵,長(zhǎng)江口在揚(yáng)州、鎮(zhèn)江一帶,此后在現(xiàn)海平面上下波動(dòng)。
約1萬(wàn)年海平面上升過程中,長(zhǎng)江比降逐漸變緩,泥沙隨之在長(zhǎng)江河床中淤積。卵礫石推移質(zhì)在回水末端沉積,隨著海平面的逐漸上升,回水末端也逐漸上移,卵礫石推移質(zhì)淤積起點(diǎn)不斷向上游后退,直至全新世海侵結(jié)束,卵礫石淤積洲頭后退到距河口最遠(yuǎn)點(diǎn)。在這一過程中,卵礫石淤積物始終覆蓋于基巖之上并留下了斷續(xù)后退的軌跡。懸移質(zhì)輸沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于推移質(zhì),其淤積洲頭遠(yuǎn)在推移質(zhì)下游,從而始終覆蓋在卵礫石沉積物之上,形成長(zhǎng)江中下游床沙垂直分布呈上部為砂、下部為卵礫石的規(guī)律(朱鑒遠(yuǎn),2000)。
鑒于地鐵10號(hào)線過江大盾構(gòu)隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)卵礫石的粒徑大小對(duì)盾構(gòu)刀盤選型與盾構(gòu)掘進(jìn)有直接影響,因此需詳細(xì)查明卵石、礫石的粒徑大小與分布,最大粒徑及含量。
已有探井法、既有基坑調(diào)查法、全套管取樣法等(陳正勛等,2007;馬秉務(wù)等,2009)在長(zhǎng)江勘察時(shí)都無法得到有效應(yīng)用,因此仍采用水上鉆探法選取一定數(shù)量的勘探孔取樣統(tǒng)計(jì)礫石層中卵石、礫石的粒徑大小與分布。
本次過江大盾構(gòu)所穿越含卵礫石砂層的里程范圍內(nèi)勘探孔數(shù)量為115個(gè),具體地層的顆粒粒徑分析及相關(guān)結(jié)果見表1、表2。
根據(jù)表1及各勘探孔取樣統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,同時(shí)依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)應(yīng)定名為礫石層。其中,所含卵石的粒徑20~100 mm,個(gè)別大于100 mm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%左右;所含礫石的粒徑2~20 mm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%左右。
根據(jù)表2可知,礫石層的不均勻系數(shù)大于5,曲率系數(shù)在1~3間,滿足級(jí)配良好的條件。
根據(jù)周邊既有工程資料進(jìn)行類比,該礫石層中所含卵石的粒徑基本在20~100 mm之間,少量大于100 mm。
表1 礫石層的顆粒分析統(tǒng)計(jì)
表2 礫石層的顆粒分析統(tǒng)計(jì)
江心洲站—中間風(fēng)井區(qū)間礫石層是過江大盾構(gòu)穿越的主要地層。本次對(duì)礫石層中所含卵、礫石進(jìn)行了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)不同尺寸的試驗(yàn)值進(jìn)行修正,求出最終巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50),并根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—1994),按以下公式計(jì)算巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度:
式(1)中,Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);Is(50)為點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)
點(diǎn)荷載試驗(yàn)計(jì)算所得飽和單軸抗壓強(qiáng)度見表3。
表3 礫石層中卵、礫石的點(diǎn)荷載推算單軸抗壓強(qiáng)度
所推算的單軸抗壓強(qiáng)度為54~252 MPa,僅個(gè)別小于115 MPa,平均值為148 MPa。
卵石、礫石的礦物成分主要以石英、長(zhǎng)石為主,因石英含量較高,因此卵、礫石的單軸抗壓強(qiáng)度也較高。根據(jù)已有文獻(xiàn)(陳鵬,2009),影響盾構(gòu)掘進(jìn)的主要問題是礫石層中卵石、礫石中石英含量高,強(qiáng)度高,易撞擊導(dǎo)致刀具硬質(zhì)合金崩裂,造成刮刀初次磨損。同時(shí),渣土中的石英又易造成刀具的二次磨損。
盾構(gòu)刀具錐入掌子面后,刀盤旋轉(zhuǎn)的難易程度通常受礫石層的密實(shí)度影響。
根據(jù)表2可知,礫石層屬于級(jí)配良好的地層,結(jié)合表4中的標(biāo)貫值和動(dòng)探值,可知級(jí)配良好的地層標(biāo)貫值和動(dòng)探值均較高,該礫石層屬于密實(shí)礫石層。
密實(shí)的礫石層,盾構(gòu)刀具錐入后,刀盤旋轉(zhuǎn)難度增 大,盾構(gòu)刀盤扭矩增 大,刀具易受磨損。
表4 礫石層的標(biāo)貫與動(dòng)探試驗(yàn)指標(biāo)
江心洲站—中間風(fēng)井過江大盾構(gòu)隧道所穿越的長(zhǎng)江段礫石層中卵石、礫石等顆粒間無膠結(jié),分類屬軟弱地層。但礫石層中由于石英含量高,卵石、礫石的單軸抗壓強(qiáng)度高,屬柔中帶剛、軟中帶硬的地層。卵石的粒徑多在20~100 mm之間,少量大于100 mm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右,礫石的粒徑多在20~2 mm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%左右,同時(shí)夾雜砂,顆粒級(jí)配良好,承載強(qiáng)度高,密實(shí)度高,且位于長(zhǎng)江底部,富水量大。
為確保盾構(gòu)刀盤在礫石層中平穩(wěn)推進(jìn),應(yīng)盡量遵循排小碎大的掘進(jìn)原則,即考慮含量較多的卵石、礫石直接排出,而含量較少的大直徑卵石可采用滾刀破碎后排出??紤]到少量卵石的最大粒徑大于100 mm,但基本小于200 mm,因此盾構(gòu)刀盤滾刀的刃間距應(yīng)根據(jù)少量最大直徑的卵石尺寸確定,使得小直徑卵石、礫石極少被滾刀切到就可進(jìn)入土艙排出,而輸不出去的大卵石一定會(huì)被滾刀切碎在刀盤之外,再進(jìn)入土艙內(nèi)排出。這樣,既減少了滾刀的用量,降低成本,也大大降低了滾刀做無用功。
考慮到礫石層富水易失穩(wěn),因此在盾構(gòu)機(jī)上需設(shè)有防止高水壓下的噴涌設(shè)備。同時(shí)礫石層中掌子面支撐若單純采用輻條式,開艙較為危險(xiǎn),而采用大面板則影響了開口率,使得面板和掌子面上卵、礫石之間的接觸面積過大,易加大磨損,增 大刀盤的摩擦阻力,從而增 加刀盤扭矩。因此,綜合采用輻條與面板支撐,合理確定開口尺寸和開口率,在刀盤開口處加設(shè)網(wǎng)格,以限制大直徑卵石未經(jīng)滾刀切碎就進(jìn)入土艙內(nèi)。
由于礫石層中石英含量較高,對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的磨損非常大。為保證刀盤磨損較小,應(yīng)在刀盤面板上加設(shè)其他耐磨材料的面板和網(wǎng)格,到刀盤刀刃處加設(shè)耐磨材料的部件,同時(shí)還應(yīng)采取各種輔助措施來降低磨耗,如改良渣土、增 加流動(dòng)性、加注泡沫劑或泥漿等,以增 加刀盤潤(rùn)滑,降低磨耗等。
在礫石層盾構(gòu)推進(jìn)過程中,應(yīng)注意控制好盾構(gòu)刀盤的的推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和錐入度,并彼此協(xié)調(diào),以防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)和大錐入度導(dǎo)致的初次磨損。防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)主要是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速必然使刀盤上的刀具產(chǎn)生更大的線速度,線速度增 大,刀頭上耐磨但脆性大的合金刀頭容易崩裂,導(dǎo)致刀具的初次磨損增 大,另一方面,刀具總的運(yùn)轉(zhuǎn)歷程增 大,也會(huì)增 大刀具的二次磨損。防止大錐入度是由于錐入度增 大,刀具受力增 大,刀盤扭矩變大,也易導(dǎo)致刀頭的初次磨損。
(1)過江大盾構(gòu)段長(zhǎng)江礫石層的工程地質(zhì)特性為:卵石的粒徑多在20~100 mm之間,少量大于100 mm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右,礫石的粒徑多在2~20 mm之間,質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%左右,同時(shí)夾雜砂,顆粒級(jí)配良好,承載強(qiáng)度高,密實(shí)度高,且位于長(zhǎng)江底部,富水量大。
(2)盾構(gòu)刀盤應(yīng)注意設(shè)置合理的開口尺寸和開口率,刀盤上注意加設(shè)網(wǎng)格。同時(shí)由于礫石層中石英含量較高,對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的磨損非常大。為保證刀盤磨損較小,應(yīng)在刀盤面板上加設(shè)采用耐磨材料的面板和網(wǎng)格,在刀刃處加設(shè)耐磨材料的部件,同時(shí)還應(yīng)采取各種輔助措施來降低磨耗,如改良渣土、增 加流動(dòng)性、加注泡沫劑或泥漿等,以增 加刀盤潤(rùn)滑,降低磨耗等。
(3)盾構(gòu)施工階段中,應(yīng)注意控制好盾構(gòu)刀盤的的推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和錐入度,并彼此協(xié)調(diào),以防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)和大錐入度導(dǎo)致的初次磨損和二次磨損。
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