盾構(gòu)穿越大直徑卵石地層的設(shè)計(jì)與施工

荀亮亮（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

盾構(gòu)穿越大直徑卵石地層的設(shè)計(jì)與施工

荀亮亮（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

文章主要以北京地鐵某線區(qū)間隧道為例，重點(diǎn)研究在富水卵石地層中盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型及施工中需要解決的問題，通過合理的選型及有效可靠的施工措施保證隧道施工的安全。

盾構(gòu)；卵石；施工措施

1 引 言

近幾年，我國的軌道交通發(fā)展迅速，運(yùn)營里程、線網(wǎng)密集度逐年遞增，項(xiàng)目周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，地鐵線網(wǎng)的不斷加密，未來地鐵結(jié)構(gòu)埋深將進(jìn)一步增大，隧道結(jié)構(gòu)將大部分甚至全部進(jìn)入承壓水層。

盾構(gòu)法做為區(qū)間隧道的主要施工方法，具有安全開挖和襯砌，掘進(jìn)速度快，施工全過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，施工勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全系數(shù)高，不影響地面交通與設(shè)施，施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動(dòng)，適合地層范圍廣、地質(zhì)情況復(fù)雜的施工作業(yè)環(huán)境等優(yōu)勢，但因地質(zhì)、水文等條件差異性大，在隧道施工中需解決盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性、施工輔助措施的有效性。

本文主要以北京地鐵某線區(qū)間隧道為例，重點(diǎn)研究在富水卵石地層中盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型及施工中需要解決的問題，通過有效可靠的選型及施工措施保證隧道施工的安全。

2 工程概況

根據(jù)已建、在建工程可知，北京西部地區(qū)典型砂卵石地層主要特點(diǎn)：卵石粒徑大，300mm～1000mm居多、卵石含量高達(dá)40%～80%，細(xì)顆粒少、卵石強(qiáng)度高，大于80MPa等（見圖1）。

本段區(qū)間長度1637m，設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道2處，線路采用“一”字坡，穿越地層主要為卵石⑤層，卵石⑦層（見圖2）。

圖1 土層分布示意圖

圖2 區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷示意圖

卵石⑤層：最大粒徑不小于160mm，一般粒徑為20～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質(zhì)量的80%，亞圓形，中粗砂填充。

卵石⑦層：最大粒徑不大于500mm，一般粒徑為40～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質(zhì)量的75%，亞圓形，中粗砂填充。局部存在漂石。

圖3 臨近車站基坑揭露卵石地層

3 盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)

3.1 刀盤選型

針對本工程的卵石地層，設(shè)計(jì)思路主要以排為主，因此刀盤采用輻條式結(jié)構(gòu)，4根輻臂支撐的厚壁法蘭連接主驅(qū)動(dòng)裝置并且作為刀盤面板的基座。刀座、刀盤和刀盤支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能保證刀盤在含有最高單軸抗壓強(qiáng)度150MPa以上的卵石、圓礫地層中，在最不利地質(zhì)條件下掘進(jìn)時(shí)不出現(xiàn)刀盤變形及超出正常的磨損。使用耐沖擊性和耐磨性高的材料鑄造刀盤。

刀盤開口率為47%，較大的開口率能夠提高卵石通過的粒徑，減小對刀具的壓力，降低刀具的磨損，減少刀盤對礫石破碎概率，達(dá)到“以排為主、擠壓為輔”的設(shè)計(jì)思路。

圖4 刀盤選型圖

3.2 螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)采用無軸螺旋，輸出最大渣土尺寸為φ500×L800mm，是目前直徑6m級盾構(gòu)最大的無軸螺旋，且在大直徑卵石阻塞輸送機(jī)入口時(shí)可以通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)位置來解決，大幅提高大粒徑卵石的通過能力。

圖5 螺旋輸送機(jī)選型圖

3.3 刀具選型

3.3.1 增強(qiáng)刀具的抗撞擊性

①刀具材料采用強(qiáng)度與硬度相結(jié)合較好的硬質(zhì)合金；

②在刀具兩側(cè)加增防撞擋塊，減小刀具切削土層時(shí)卵石對刀具的沖擊，避免刀具嚴(yán)重?fù)p壞；

③對刀具沖擊面設(shè)置強(qiáng)度高的保護(hù)擋塊。

3.3.2 增強(qiáng)刀具的耐磨性

對刀座進(jìn)行耐磨焊條堆焊，以提高其耐磨性。

圖6 先行刀、刮刀磨損情況

3.3.3 刀具配置

布置刀具時(shí)，覆蓋整個(gè)開挖斷面，對稱性布置刀具，保證刀盤受力均衡，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；切刀正反方向布置，刀具整體采用牙型交錯(cuò)排列。刮刀具有高耐磨的鋼刀體和高質(zhì)量的硬質(zhì)合金刀刃，齒刀的前面硬質(zhì)堆焊到切削邊緣，后部有硬質(zhì)合金球齒保護(hù)，同時(shí)先行刀主要用于疏松土體并承受來自卵石的沖擊，保護(hù)其它刀具免受沖擊破壞。

圖7 刀盤刀具布置圖

4 施工控制措施

①推進(jìn)的過程中通過盾構(gòu)機(jī)自帶設(shè)備向土艙內(nèi)注入高密度膨潤土，提高泥漿的比重，使之實(shí)現(xiàn)塑流化改造的目的。同時(shí)通過刀盤前方的泡沫注入孔向開挖土體加泡沫，減輕盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷及刀盤磨損（見圖8）。

②施工中嚴(yán)格控制出渣量，設(shè)定合理的渣量偏差值，派專人監(jiān)控分析實(shí)際出渣量與理論出渣量差距，同時(shí)采用渣土承重方法判斷出渣量是否正確。對渣土方量及重量均少于理論數(shù)據(jù)的要更加重視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于地層本身就存在嚴(yán)重松散或空洞導(dǎo)致出渣量少的現(xiàn)象，并加強(qiáng)該范圍注漿管理。

圖8 膨潤土倉

③同步注漿壓力控制在1.2bar左右，同時(shí)為防止盾構(gòu)掘進(jìn)過程中注漿壓力偏低，在砂卵石地層中進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度不應(yīng)過大。注漿量在砂卵石地層約為150%～200%。為保證漿液在管片外充填密實(shí)，減小地面沉降，對盾尾后部5環(huán)以外的管片進(jìn)行二次補(bǔ)漿，注漿材料選用水灰比為1：1的純水泥漿，注漿壓力控制在3bar；在管片上的注漿位置選在管片環(huán)11-2點(diǎn)位。

圖9 同步注漿、二次注漿

④通過提高盾構(gòu)機(jī)推力、額定扭矩來減少刀盤被卵石地層卡住，較高的脫困扭矩為盾構(gòu)機(jī)順利穿越大直徑卵石地層提供有效保證。

⑤掘進(jìn)過程應(yīng)保證盾構(gòu)機(jī)良好的姿態(tài)，避免蛇行，每環(huán)姿態(tài)變化控制在±6mm內(nèi)；做好管片選型，現(xiàn)場對盾尾間隙實(shí)測實(shí)量，控制管片拼裝偏差，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導(dǎo)致盾尾密封、鉸接密封損壞及管片變形。保持推進(jìn)速度的穩(wěn)定。推進(jìn)速度保持在30～40mm/min。對管片螺栓擰緊要求3次復(fù)緊。

5 總 結(jié)

通過本工程總結(jié)了盾構(gòu)在大直徑卵石地層設(shè)計(jì)與施工的一些經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)工程的大直徑卵石地層中的盾構(gòu)設(shè)計(jì)、施工提供了一定的指導(dǎo)作用。

①盾構(gòu)機(jī)選型

合理選擇盾構(gòu)機(jī)型，特別是刀盤應(yīng)盡量選擇開口率大的輻條式刀盤，采用無軸螺旋增大對大塊卵石的輸送能力。

②盾構(gòu)掘進(jìn)控制

通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整和精細(xì)化管理，確保盾構(gòu)連續(xù)推進(jìn)平穩(wěn)推進(jìn)，通過適當(dāng)?shù)谋捍_保地層沉降在允許范圍內(nèi)。

③土體改良

土體改良效果在盾構(gòu)掘進(jìn)中至關(guān)重要，應(yīng)在掘進(jìn)中通過不斷泥漿試驗(yàn)，摸索土體改良對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。

④合理選擇刀具檢修距離及檢修方法

刀盤（具）檢修是確保盾構(gòu)長距離連續(xù)掘進(jìn)的必要手段，通過施工經(jīng)驗(yàn)我們認(rèn)為300m～400m進(jìn)行一次刀具檢修是比較經(jīng)濟(jì)合理的。同時(shí)采用了土體加固后常壓開倉進(jìn)行刀具更換及倒掛井壁施工小豎井換刀方法。

⑤掘進(jìn)速度控制

合理選擇盾構(gòu)推進(jìn)速度，宜保持在8-12環(huán)/天。推進(jìn)過快會(huì)加劇刀具的磨損及地層損失。

［1］周秀普.盾構(gòu)法施工技術(shù)在無水砂卵石地層中的應(yīng)用［J］.市政技術(shù)，2003，21（4）：195-203.

［2］GB50157-2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

U455.43

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1007-7359（2016）02-0089-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.032

荀亮亮（1981-），男，工程師。