盾構(gòu)穿越富水硬巖段施工技術(shù)研究

□張　婷　□王少鵬　□劉文豪　□王國(guó)強(qiáng)(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

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盾構(gòu)穿越富水硬巖段施工技術(shù)研究

□張婷□王少鵬□劉文豪□王國(guó)強(qiáng)
(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)施工以安全環(huán)保、機(jī)械化程度高、施工周期短等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。在廣州、深圳等地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，經(jīng)常遇到強(qiáng)度較高的花崗巖，掘進(jìn)速度慢、刀具磨損嚴(yán)重，尤其在含水量較大的地層中，易發(fā)生“噴涌”現(xiàn)象，管片易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏水等質(zhì)量問(wèn)題，增加了施工難度。文章針對(duì)深圳地鐵七號(hào)線[西麗～西麗湖區(qū)間]的富水硬巖段施工情況，詳細(xì)介紹了盾構(gòu)在施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及處理的措施，并進(jìn)行分析總結(jié)，為類似工程施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)；富水硬巖；措施

1　工程簡(jiǎn)介

深圳地鐵7號(hào)線西麗至西麗湖區(qū)間位于深圳市南山區(qū)，區(qū)間左線全長(zhǎng)1662.07 m。盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)里程為DK1+655.40 ～DK1+709.60 m段時(shí)穿越硬巖段，該段巖石基巖中節(jié)理裂隙發(fā)育，揭露的中、微風(fēng)化花崗巖較為破碎。隧道埋深達(dá)26.60 m。盾體水平方向上位于半徑為500 m的轉(zhuǎn)彎段，垂直方向上位于10.80‰下坡段。

2　工程地質(zhì)與水文

該段盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面地層主要為全斷面中風(fēng)化花崗巖，局部夾雜微風(fēng)化巖，全長(zhǎng)約84.00 m，隧道以上覆土層由上至下依次為0.50～0.70 m素填土,5.60～14.80 m礫質(zhì)黏性土、2.00～7.00 m全風(fēng)化花崗巖、2.30～7.80 m強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、2.40～6.20 m中風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)圖詳見(jiàn)1。

圖1　盾構(gòu)穿越地質(zhì)圖

穿越地層的巖石特性如下：

中風(fēng)化花崗巖：巖體呈碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為28.70～48.80 MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為17.60 MPa,為較硬巖，較破碎。

微風(fēng)化花崗巖：巖體呈碎塊、塊狀、巨塊狀，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為43.00 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為81.90 MPa，根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度結(jié)果，該段微風(fēng)化花崗巖為硬巖，巖體較完整。

深圳市的氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，熱量豐富，日照時(shí)間長(zhǎng)，雨量充沛。地下水含量豐富，按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水。地下水位位于隧道以上18～21.80 m處。

3　刀具配置

該段釆用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，主要依靠滾刀對(duì)巖層產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用沖擊、碾壓巖石，形成小塊破碎體，并產(chǎn)生徑向裂紋，其中一般有一條或多條裂紋向刀刃兩側(cè)延伸，到達(dá)自由面或與相鄰裂紋交匯形成巖石碎片，隨后由刮刀將碎裂的巖體切削下來(lái)，從而達(dá)到破巖掘進(jìn)的效果。圖2為盾構(gòu)機(jī)刀具配置圖（圖中編號(hào)為滾刀編號(hào)）。

圖2　盾構(gòu)機(jī)刀具位置圖

盾構(gòu)機(jī)在該硬巖段掘進(jìn)時(shí)，刀具配置為：4把中心雙刃滾刀、31把正面單刃滾刀、52把刮刀、8把邊緣刮刀、1把超挖刀。滾刀刀刃距刀盤(pán)面板的高度為175 mm,齒刀和刮刀刀刃距刀盤(pán)面板的高度為140 mm,滾刀與齒刀層次間距為35 mm,以便在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)保護(hù)齒刀和刮刀。

4　富水硬巖段主要施工方法簡(jiǎn)述

施工段巖石強(qiáng)度高，掌子面穩(wěn)定，故盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)釆用半敞開(kāi)式掘進(jìn)。這種模式下，切削下來(lái)的渣土進(jìn)入土倉(cāng)后，螺旋機(jī)隨即將其排出，土倉(cāng)內(nèi)保持少量的渣土，土倉(cāng)壓力較低，推力小、掘進(jìn)速度快。掘進(jìn)時(shí)以“高轉(zhuǎn)速、低扭矩”的思想控制施工參數(shù)，土倉(cāng)壓力為0.20～1.20 bar掘進(jìn)速度8～20 mm,推力900～1100 t，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.70～2.10 r/min，刀盤(pán)扭矩1.50～2.50 MN.m。硬巖段掘進(jìn)時(shí)，由于硬巖段不易糾偏，需要密切注意和控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，防止姿態(tài)發(fā)生過(guò)大偏離，掘進(jìn)糾偏要遵循“勤糾偏、緩糾偏”的原則，杜絕大幅度的糾偏。為保證注漿效果，釆取同步注漿完成后，進(jìn)行二次注裝，二次注裝釆用水泥-水玻璃雙液漿，確保管片壁后注漿密實(shí)。經(jīng)常對(duì)拼裝管片進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)檢查，及時(shí)了解拼裝完成的混凝土管片變形情況，保證管片成型質(zhì)量。

5　遇到的問(wèn)題及處理措施

5.1刀具磨損及預(yù)防措施

5.1.1刀具磨損分析

在該硬巖段中掘進(jìn)時(shí)，刀具磨損比較嚴(yán)重，共進(jìn)行了四次開(kāi)倉(cāng)換刀，共更換25把單刃滾刀，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，均勻磨損刀具18把，偏磨刀具5把，掉塊刀具2把。分析刀具磨損主要原因：盾構(gòu)在軟巖地層中掘進(jìn)時(shí)，滾刀啟動(dòng)扭矩小，部分滾刀無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致偏磨；當(dāng)在上軟下硬的半斷面巖石中掘進(jìn)時(shí)，刀具撞擊力大,尤其在軟土向硬巖過(guò)渡時(shí)，造成刀具掉塊；由于刀具在刀盤(pán)中位置不同，靠近邊緣的刀具線速度較大，而靠近中心附近的線速度較小，因此邊緣刀具磨損較為嚴(yán)重；全斷面硬巖掘進(jìn)時(shí)，巖層分布較為均勻，滾刀能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，因此刀具的磨損主要以均勻磨損為主；部分滾刀裝配密封性能較差，渣土進(jìn)入軸承內(nèi)，使軸承失效，造成刀具偏磨。

5.1.2預(yù)防刀具磨損的措施

根據(jù)刀具磨損機(jī)理分析，可采取多種措施預(yù)防和減小刀具磨損，主要有：嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，使盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)在最佳環(huán)境中運(yùn)行，尤其刀盤(pán)扭矩的設(shè)定值和波動(dòng)范圍不宜過(guò)大，一般≤0.50 MN.m，避免發(fā)生刀圈崩裂或掉塊；每次刀具更換完成后，推進(jìn)一環(huán)后及時(shí)檢查刀具螺栓的緊固情況，防止螺栓松動(dòng)脫落。在盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)后，掘進(jìn)推力和速度不宜過(guò)大，防止新裝刀具發(fā)生刀圈崩裂現(xiàn)象;加注合適的泡沫劑和膨潤(rùn)土改良渣土、潤(rùn)滑刀具，降低掘進(jìn)土倉(cāng)溫度，減小土體對(duì)刀具的摩擦；根據(jù)施工計(jì)劃合理設(shè)置換刀點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行主動(dòng)換刀；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)異常（如推力增加，但速度緩慢或不增加）、艙內(nèi)響聲異常（有非正常的鐵件響聲）等情況時(shí)，及時(shí)開(kāi)倉(cāng)處理，避免出現(xiàn)更嚴(yán)重的刀具磨損、甚至連鎖性破壞。

5.2“噴涌”現(xiàn)象頻發(fā)與處理

5.2.1“噴涌”發(fā)生的原因

風(fēng)化巖段，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富。當(dāng)掌子面水壓過(guò)高進(jìn)入土倉(cāng)，水將會(huì)通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)；此時(shí)，刀盤(pán)切削的渣土以碎石為主，無(wú)良好的吸水效果，導(dǎo)致螺旋機(jī)無(wú)法形成土塞，在土倉(cāng)壓力的作用下，土倉(cāng)內(nèi)的稀渣就會(huì)通過(guò)螺旋機(jī)向外擠壓而形成“噴涌”，噴涌造成的泥渣無(wú)法通過(guò)皮帶機(jī)運(yùn)輸，從而進(jìn)入隧道內(nèi)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，需要花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)噴涌泥渣進(jìn)行清理，從而增加了盾構(gòu)機(jī)的停機(jī)時(shí)間，嚴(yán)重影響施工。

5.2.2避免發(fā)生“噴涌”的處理措施

根據(jù)形成噴涌的原因，主要釆取以下措施進(jìn)行處理：在盾尾及時(shí)進(jìn)行二次注漿，釆用雙液漿或化學(xué)注漿，對(duì)盾構(gòu)后方來(lái)水進(jìn)行封堵，減少土倉(cāng)內(nèi)水量；在土倉(cāng)壁上的球形聯(lián)通閥安裝排水帶，盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)始前放出倉(cāng)內(nèi)積水，減少倉(cāng)內(nèi)水量；釆用雙閘門(mén)進(jìn)行掘進(jìn)控制，減小噴涌量；根據(jù)地層變化和掘進(jìn)速度，及時(shí)調(diào)整泡沬劑的注入量和濃度，合理改良渣土；保持“連續(xù)、快速”的盾構(gòu)施工，避免長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)。

5.3管片拼裝質(zhì)量問(wèn)題

5.3.1管片質(zhì)量問(wèn)題原因分析

富水硬巖段，易發(fā)生管片質(zhì)量問(wèn)題，主要包括：破損、滲漏水、錯(cuò)臺(tái)過(guò)大等，嚴(yán)重影響隧道整體外觀和質(zhì)量，甚至可能引起滲水等問(wèn)題。

造成破損的主要原因有：管片在運(yùn)輸、堆放和吊裝過(guò)程中發(fā)生磕碰，導(dǎo)致破損；盾構(gòu)處于轉(zhuǎn)彎段上，推進(jìn)過(guò)程中管片受力不均，導(dǎo)致管片破損；管片環(huán)面不平整導(dǎo)致管片突出，千斤頂局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致管片破損；管片上浮，導(dǎo)致盾尾間隙過(guò)小，盾殼擠壓管片，使管片內(nèi)弧面碎損；拼裝手操作不熟練，導(dǎo)致吊裝口周?chē)茡p。

造成管片滲水主要原因有：由于破損過(guò)大，形成滲漏通道；同步注漿不充分，砂漿沒(méi)有充分填充壁后間隙；遇水膨脹止水條失效或損壞；螺栓未擰緊，使管片接縫處開(kāi)口過(guò)大，橡膠止水條不密貼；地下水過(guò)大引起管片上浮，止水條失效。

造成管片錯(cuò)臺(tái)的主要原因有：在曲線段中掘進(jìn)時(shí)，千斤頂給管片分力過(guò)大，使管片偏移導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不當(dāng)，糾偏過(guò)猛，管片脫出盾尾造成錯(cuò)臺(tái)；注漿壓力不平衡，相對(duì)位置的壓差過(guò)大；管片拼裝手操作不熟練，使拼裝產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。

5.3.2預(yù)防管片質(zhì)量問(wèn)題措施

通過(guò)管片拼裝前、拼裝時(shí)、拼裝后的詳細(xì)過(guò)程控制，可有效提高施工管片質(zhì)量，主要為：拼裝前措施。管片進(jìn)場(chǎng)前嚴(yán)格檢驗(yàn)管片質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)不符合要求的管片不得驗(yàn)收進(jìn)場(chǎng)；管片在運(yùn)輸、堆放和吊裝過(guò)程中，做好保護(hù)措施，避免損壞；按技術(shù)要求粘貼橡膠止水條，傳力襯墊、遇水膨脹條等；掘進(jìn)過(guò)程中，注意控制好盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，避免大幅度糾偏，以免損壞管片；管片拼裝前，再次止水條是否受損，如果受損，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。拼裝時(shí)措施。拼裝時(shí)，由專業(yè)人員操作，減少人為的損壞；每環(huán)拼裝管片范圍應(yīng)大于環(huán)寬300 mm以上，防止損壞封頂塊的橡膠條；管片拼裝前測(cè)量盾尾間隙，一般最小不得低于5 cm;螺栓緊固嚴(yán)格執(zhí)行“三次緊固”原則，即：管片拼裝時(shí)緊固1次，拼裝第二環(huán)時(shí)緊固1次，管片脫出盾尾后再緊固1次，確保連接螺栓滿足設(shè)計(jì)扭矩要求。

拼裝后措施。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿必須與推進(jìn)速度相匹配，注漿管連續(xù)不斷的均勻注漿，防止單側(cè)壓力過(guò)大或注漿不飽滿；發(fā)現(xiàn)管片滲水時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次注漿；二次注漿的壓力不宜過(guò)大，防止管片破損；定期對(duì)管片進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

6　小結(jié)

通過(guò)深圳地鐵7號(hào)線西麗～西麗湖站區(qū)間硬巖段施工，分析總結(jié)掘進(jìn)施工過(guò)程中出現(xiàn)的各類問(wèn)題，通過(guò)釆取合理有效措施，減少了刀具磨損，“噴涌”現(xiàn)象，提高了管片拼裝質(zhì)量，取得良好經(jīng)濟(jì)效益，也為類似工程施工提供借鑒。

（責(zé)任編輯：韋詩(shī)佳）

收稿日期：2015-12-11

中圖分類號(hào)：U455. 43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）03-0070-02