大直徑土壓平衡盾構(gòu)全土壓模式掘進(jìn)探析

張佳興，劉金祥

ZHANG Jia-xing, LIU Jin-xiang

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司 專用設(shè)備中心，河南 洛陽(yáng) 471009）

采用泥水盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)江隧道已不是單一選擇，土壓平衡以其施工所用空間小，工程造價(jià)相對(duì)低更具有競(jìng)爭(zhēng)性。但采用土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)江隧道在技術(shù)層面而言，特別是大直徑的土壓平衡盾構(gòu)要比泥水盾構(gòu)要求更高。比如長(zhǎng)株潭城際鐵路綜合I標(biāo)開(kāi)福寺-濱江新城區(qū)間盾構(gòu)過(guò)建筑物、過(guò)江時(shí)，為保證工程安全性采用全土壓掘進(jìn)就是一種要求相對(duì)較高的掘進(jìn)模式。

1 工程情況

長(zhǎng)株潭城際鐵路綜合Ⅰ標(biāo)盾構(gòu)段位于長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)和開(kāi)福區(qū)。在銀杉路以盾構(gòu)工作井開(kāi)始，沿開(kāi)福寺路西行，設(shè)開(kāi)福寺站并下穿過(guò)湘江后，沿杜鵑路向西，止于銀杉路與杜鵑路交叉口的濱江新城站。盾構(gòu)在濱江新城站下井，沿杜鵑路向東，并下穿湘江后到開(kāi)福寺站。開(kāi)福寺站-濱江新城站區(qū)間具體起止里程為WDK8+550～WDK5+839.3。

根據(jù)鉆探結(jié)果，區(qū)間內(nèi)WDK6+860～WDK7+100段分布有K2礫巖與Ptln板巖的不整合接觸帶。先期沉積、抬升、受剝蝕的元古界冷家溪群板巖與后期沉積的白堊系上統(tǒng)礫巖、泥質(zhì)粉砂巖呈角度不整合接觸關(guān)系。

開(kāi)濱盾構(gòu)區(qū)間左、右線地質(zhì)情況相近，主要存在白堊系上統(tǒng)泥質(zhì)砂巖、礫巖，元古界冷家西群砂質(zhì)板巖(9)4-1全風(fēng)化砂質(zhì)板巖、(9)4-2強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板巖和(9)4-3弱風(fēng)化砂質(zhì)板巖。區(qū)間隧道各地層所占比例詳如圖1所示。

圖1 開(kāi)濱區(qū)間盾構(gòu)隧道各地層所占比例餅圖

2 工程施工掘進(jìn)情況（全土壓模式）

長(zhǎng)株潭城際鐵路綜合Ⅰ標(biāo)開(kāi)福寺站－濱江新城站區(qū)間第一臺(tái)盾構(gòu)（左線）S657從第9環(huán)開(kāi)始建立土壓，第15環(huán)起逐步建立起全土壓模式。全土壓掘進(jìn)模式下土倉(cāng)壓力保持在2.2bar左右。9～100環(huán)掘進(jìn)速度一般維持在20～25mm/min（24、25、29、30環(huán)糊刀盤(pán)速度降至6～13mm/min），刀盤(pán)轉(zhuǎn)速維持在1.8rpm，扭矩3000～9000kNm，扭矩逐漸增大，70環(huán)后主要集中在7000kNm左右。

期間掘進(jìn)至第24、25、29、30環(huán)時(shí)參數(shù)發(fā)生異常主要體現(xiàn)在碴土為褐黃色（根據(jù)地質(zhì)圖分析為強(qiáng)風(fēng)化板巖），碴溫超過(guò)40℃，刀盤(pán)扭矩上升至8000kNm，掘進(jìn)速度下降至3～5mm/min，開(kāi)倉(cāng)發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)中心區(qū)域已全部糊住?？紤]前3次開(kāi)倉(cāng)后地層的自穩(wěn)能力，項(xiàng)目組織開(kāi)會(huì)分析后采用半土倉(cāng)掘進(jìn)模式。

半倉(cāng)掘進(jìn)至第63環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常有憋倉(cāng)情況，為改善掘進(jìn)狀態(tài)以及防止憋倉(cāng)開(kāi)始出碴量大于掘進(jìn)速度模式掘進(jìn)，出現(xiàn)地表沉降問(wèn)題，且對(duì)地面建筑造成影響。之后掘進(jìn)嚴(yán)格采用全土壓平衡模式。

1）土壓 為防止螺旋輸送機(jī)噴碴，同時(shí)為保證掌子面的穩(wěn)定性，在掘進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)壓力應(yīng)保持在1.8bar左右，停機(jī)時(shí)，將壓力升至2.0bar。

2）推進(jìn)速度 掘進(jìn)速度可控制在20～25mm/min。

3）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速 隨著掘進(jìn)速度的提高，為避免貫入度過(guò)大，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速提高至2.0rpm，且較高的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速可加速刀盤(pán)內(nèi)碴土與水及泡沫劑的混合，改善碴土性狀。

4）貫入度 S657盾構(gòu)邊滾刀僅比邊緣刮刀高出15mm，考慮到邊滾刀磨損量，因此貫入度不宜超過(guò)15mm，避免切刀、刮刀參與破巖。

5）推力 有效推力控制在1000t以下，即總推力∑F=FM(盾殼與地層摩擦力)+FS(尾刷與管片摩擦力)+FNL(拖車?yán)?+FSP(反力)+FEPB(有效 推 力 )=850t×0.5+23t+70t+4.672×3.14×15+1000t=2545t以下。

6）扭矩 根據(jù)盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩曲線圖，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在2.0rpm時(shí)，最大扭矩可達(dá)12000kNm，但是為防止刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象，掘進(jìn)扭矩不宜過(guò)高，應(yīng)控制在5000kNm以下。

7）加強(qiáng)碴土改良與出碴量控制 根據(jù)碴土改良情況及碴土粘量來(lái)確定泡沫劑用量，每環(huán)盡量控制在400L，每環(huán)出碴量控制在220m3左右。碴溫控制在40℃以下。

8）加強(qiáng)同步注漿控制，每環(huán)注漿量控制在13m3以上。同步注漿保持其與掘進(jìn)的同步性，保證管片背后空隙的即時(shí)填充。掘進(jìn)2環(huán)后，對(duì)脫出盾尾管片立即進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。

3 全土壓掘進(jìn)遇到的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

全土壓掘進(jìn)因滿倉(cāng)的碴土，倉(cāng)內(nèi)壓力增大泡沫等用于碴土改良的添加劑的注入會(huì)變的困難。因倉(cāng)內(nèi)壓力增大螺旋輸送機(jī)經(jīng)常性噴涌，噴涌使的出碴量不好控制的同時(shí)，刀盤(pán)因碴土置換不及時(shí)也容易結(jié)泥餅。特別是中心區(qū)域，因局部線速度較小且相對(duì)開(kāi)口率較小更易結(jié)泥餅。經(jīng)研究采用全土壓滿倉(cāng)掘進(jìn)模式主要會(huì)有以下的問(wèn)題出現(xiàn)：①推力增大，扭矩增大且掘進(jìn)速度變慢；②倉(cāng)內(nèi)壓力大，泡沫注入困難，泡沫管路容易堵塞；③正常刀盤(pán)加水無(wú)法滿足掘進(jìn)需求，碴溫較高且容易噴碴；④碴土改良不佳，刀盤(pán)容易結(jié)泥餅（特別是中心區(qū)域）。

針對(duì)工程施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和遇到的困難，在長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)過(guò)程中總結(jié)出以下應(yīng)對(duì)措施，以緩解全土壓掘進(jìn)帶來(lái)的問(wèn)題：①適當(dāng)?shù)臏p小推力和刀盤(pán)的貫入度，放慢掘進(jìn)速度以確保刀盤(pán)扭矩控制到一個(gè)合理的范圍內(nèi)（根據(jù)實(shí)際情況掘進(jìn)速度一般控制在20～25mm/min）；②針對(duì)泡沫注入困難容易堵泡沫管路造成碴水改良不好的問(wèn)題，增加注入量的同時(shí)選擇性的進(jìn)行泡沫注入。以刀盤(pán)中心為主（防止中心區(qū)域結(jié)泥餅），周邊輔助的方式；③還是以土壓平衡原有的理念加水、加氣與出碴量達(dá)到壓力動(dòng)態(tài)平衡，增加刀盤(pán)加水量（以S657為例正常掘進(jìn)一環(huán)加水35～40m3左右，全土壓時(shí)80m3左右）；④保證碴土的及時(shí)置換和動(dòng)態(tài)平衡，刀盤(pán)切削下的新碴置換原土倉(cāng)的舊碴，螺旋輸送機(jī)的出碴量和刀盤(pán)切削下的碴土量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

4 全土壓掘進(jìn)輔助措施

針對(duì)全土壓掘進(jìn)施工中突出的噴涌、結(jié)泥餅等問(wèn)題，經(jīng)長(zhǎng)期的施工作業(yè)總結(jié)出較為有效的對(duì)應(yīng)措施。

1）噴涌預(yù)防措施 ①保持盾構(gòu)連續(xù)快速作業(yè)，在水量較大的地段掘進(jìn)時(shí)采用螺旋輸送機(jī)雙閘門(mén)點(diǎn)動(dòng)控制；②利用二次注漿設(shè)備及時(shí)注漿，在管片外周形成連續(xù)的封閉環(huán)，防止管片周圍的地下水串通，避免噴涌；③若出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，立即關(guān)閉螺旋輸送機(jī)的后門(mén)，適當(dāng)向前掘進(jìn)，使土倉(cāng)內(nèi)建立平衡，通過(guò)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將土倉(cāng)內(nèi)的土體攪拌均勻。然后才將螺旋輸送機(jī)的后門(mén)慢慢打開(kāi)，一邊掘進(jìn)一邊出土，始終保持土倉(cāng)內(nèi)壓力穩(wěn)定。

2）防結(jié)泥餅措施 ①在施工過(guò)程中，根據(jù)出碴情況，及時(shí)添加適量的碴土改良劑—泡沫劑，進(jìn)行土體改良，以減小土體粘性度和粘著力。②根據(jù)實(shí)際操作作調(diào)整。在施工過(guò)程中觀測(cè)分析盾構(gòu)穿越地層的特性。控制好推進(jìn)速度，減少“泥餅 ”產(chǎn)生的機(jī)率。③快速均衡施工，盾構(gòu)施工要求“連續(xù)、快速、穩(wěn)定”，長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)會(huì)導(dǎo)致土艙內(nèi)土壓逐步升高、流動(dòng)性減弱、刀盤(pán)及刀具面板結(jié)泥餅的可能性增加；掘進(jìn)速度太慢，通常掘進(jìn)一環(huán)(1800mm)需要3h以上，生成泥餅的可能性也就增加了。④定期開(kāi)艙、清艙。盾構(gòu)施工中的開(kāi)艙檢查好比人的體檢一樣，要定期進(jìn)行。定期的開(kāi)艙可以較準(zhǔn)確地掌握前方地層的地質(zhì)狀況和刀具的磨損情況，對(duì)刀盤(pán)結(jié)泥餅可起到預(yù)防作用，當(dāng)檢查出刀盤(pán)有泥餅粘著的情況時(shí)應(yīng)及時(shí)、徹底清理。

5 結(jié)論與討論

1）大直徑土壓盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)江中，當(dāng)?shù)叵滤^大，且富含承壓性時(shí)，宜采用全土壓平衡模式。這種模式可以有效控制掘進(jìn)過(guò)程中的噴涌，即使地下水與土倉(cāng)貫通，滿倉(cāng)土能減少地下水涌入倉(cāng)內(nèi)，從而控制噴涌。但全土壓平衡模式最大的弊端是易造成刀盤(pán)被糊，刀具損壞較大，如何更好的應(yīng)用全土壓模式掘進(jìn)還需進(jìn)一步探索。

2）大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)碴土管理是洞內(nèi)參數(shù)控制的重點(diǎn)，也是保證施工安全的重中之重，本工程在掘進(jìn)前應(yīng)建立嚴(yán)格的出碴管理制度、嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量守恒原則，掘進(jìn)中通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)試碴土比重方法來(lái)計(jì)算出碴量，但由于碴土比重的試驗(yàn)存在誤差，且大直徑盾構(gòu)出碴量，體積統(tǒng)計(jì)不精確，碴土比重如相差0.1t/m3，則最終出碴量體積就能相差5m3以上，所以該方法只能大概判斷出碴量是否正常。如何精確判斷出碴量還需進(jìn)一步研究。

3）大直徑土壓平衡盾構(gòu)的總掘進(jìn)理念依然是借助土倉(cāng)壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面水土壓力的，為了使土倉(cāng)壓力波動(dòng)較小，必須使挖土量和排土量保持平衡。即人們常講的“新土”置換“舊土”，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

4）采用全土壓模式掘進(jìn)理念仍沒(méi)有變，只是在很多細(xì)節(jié)方面如掘進(jìn)速度、碴土改良、出碴量等細(xì)節(jié)方面要求更為精細(xì)，更為合理。

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