砂卵石地層泥水盾構(gòu)施工技術(shù)難點(diǎn)及控制措施分析
——以蘭州地鐵穿黃隧道工程為例

霍 濱， 徐朝輝， 胡相龍， 郭貴斌

(蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州 730030)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市地面可利用的空間資源變得越來(lái)越少，地下空間的開(kāi)發(fā)利用受到高度重視。城市地下軌道交通具有環(huán)保、安全、快速、高效等優(yōu)點(diǎn)，能極大緩解地面交通壓力，改善城市居民的出行質(zhì)量，因此，城市軌道交通建設(shè)將是我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)的重點(diǎn)[1-2]。經(jīng)過(guò)多年的探索與發(fā)展，國(guó)內(nèi)城市地鐵建設(shè)已取得舉世矚目的成就。未來(lái)地鐵建設(shè)將面臨更為復(fù)雜的地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境的挑戰(zhàn)，同時(shí)也蘊(yùn)含著新的發(fā)展機(jī)遇。

我國(guó)水域面積遼闊，水系廣泛分布于全國(guó)各個(gè)城市，城市地鐵施工建設(shè)將不可避免地面臨穿江越河的工程條件[3]。隨著國(guó)內(nèi)正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的水下隧道工程不斷增多，水下城市軌道交通建設(shè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在盾構(gòu)下穿江河湖海的安全施工技術(shù)和控制措施等方面已進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。張士龍[5]依托南京緯三路過(guò)江通道工程，分析盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)所面臨的工程難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的控制措施，為水下隧道工程的建設(shè)提供了借鑒； 曹晶珍等[6]結(jié)合廣州地鐵穿越珠江某區(qū)間隧道工程的工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件，對(duì)盾構(gòu)穿越珠江的施工技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行全面分析，并針對(duì)性地提出了安全控制措施，相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似盾構(gòu)隧道工程的安全控制提供參考； 施瑾偉等[7]全面系統(tǒng)地研究了穿越長(zhǎng)江的盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中所面臨的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，并提出了相應(yīng)的控制措施。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，目前關(guān)于砂卵石地層水下盾構(gòu)隧道施工技術(shù)方面的研究較少，下穿黃河流域的隧道工程更是寥寥無(wú)幾。本文以蘭州地鐵穿黃隧道工程為研究背景，結(jié)合隧道區(qū)間富水砂卵石地層條件，分析盾構(gòu)隧道施工所面臨的施工技術(shù)難題，并結(jié)合工程實(shí)際提出針對(duì)性的安全技術(shù)措施，總結(jié)出項(xiàng)目的技術(shù)成果和創(chuàng)新點(diǎn)，相關(guān)研究成果可為今后類(lèi)似工程建設(shè)提供施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程背景

蘭州市軌道交通1號(hào)線迎門(mén)灘—馬灘站區(qū)間設(shè)計(jì)為雙線隧道，隧道左右線距離設(shè)計(jì)為6.8 m。左線起訖里程為ZK13+149.946～ZK15+56.513，全長(zhǎng)共1 906.567 m；右線起訖里程為YK13+149.946～YK15+56.513，全長(zhǎng)共1 906.567 m。線路總體呈V字型，線路縱坡坡度設(shè)計(jì)為2.8%。

隧道區(qū)間采用泥水平衡盾構(gòu)工法進(jìn)行施工，泥水盾構(gòu)直徑設(shè)計(jì)為6.48 m，盾體長(zhǎng)度約9.2 m(不含配套設(shè)備)。管片外徑設(shè)計(jì)為6.2 m，管片厚度為 0.35 m，每環(huán)管片長(zhǎng)度為1.2 m，縱環(huán)向采用雙面楔形環(huán)管片錯(cuò)縫拼裝。盾構(gòu)隧道從銀灘黃河大橋上游約38 m處下穿黃河，穿越黃河長(zhǎng)度達(dá)404 m，隧道頂距離河床底部18～24 m，是國(guó)內(nèi)首條下穿黃河的城市地鐵隧道。迎門(mén)灘站—馬灘站區(qū)間平面位置如圖1所示。

圖1 迎門(mén)灘站—馬灘站區(qū)間平面位置圖

1.2 工程地質(zhì)條件

蘭州市地處黃土高原西北部，隧道區(qū)間場(chǎng)地位于七里河斷陷盆地內(nèi)，地層分布穩(wěn)定，沉積韻律清晰，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。盾構(gòu)隧道區(qū)間的地層條件從上到下主要是： 地表為〈1-1〉雜填土，向下為第四系全新統(tǒng)的〈2-6〉中砂和〈2-10〉卵石，再向下為第四系下更新統(tǒng)〈3-11〉卵石。盾構(gòu)隧道主要穿越〈3-11〉砂卵石地層，該層卵石含量占55%～70%，粒徑為20～50 mm，以中粗砂充填，含少量礫石、粉粒和黏粒； 漂石含量較少，最大粒徑可達(dá)450 mm。該層卵石磨圓度較好，分選性較差，局部呈鈣質(zhì)弱膠結(jié)，分布穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)密實(shí)，地層滲透系數(shù)最高可達(dá)60 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水地層。

盾構(gòu)隧道下穿黃河時(shí)主要穿越〈3-11〉砂卵石層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下水極為豐富，且通過(guò)的卵石層孔隙潛水與黃河水互通，地下水壓高，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)挖面失穩(wěn)、河底地表沉降、涌水涌泥和管片上浮等現(xiàn)象，風(fēng)險(xiǎn)極高。下穿黃河段隧道區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖2所示。隧道區(qū)間場(chǎng)地出露的卵石如圖3所示。

圖2 下穿黃河段隧道區(qū)間地質(zhì)縱斷面

圖3 隧道區(qū)間場(chǎng)地出露的卵石

2 隧道施工技術(shù)難點(diǎn)分析

復(fù)雜的砂卵石地層使得地鐵盾構(gòu)施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)很大，而且還要面臨穿越黃河段的復(fù)雜建設(shè)環(huán)境。盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)主要面臨刀盤(pán)結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重和開(kāi)口率調(diào)節(jié)不便、刀具磨損嚴(yán)重、泥水環(huán)流系統(tǒng)堵塞以及泥漿管路磨損嚴(yán)重等工程技術(shù)難題。因此，全面分析和預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中所面臨的技術(shù)難題，并采取相應(yīng)的控制措施是保證隧道施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)磨損及開(kāi)口率調(diào)節(jié)問(wèn)題

隧道區(qū)間砂卵石地層具有卵石粒徑大、含量高和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，施工前期發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)在該地層中施工時(shí)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的磨損很?chē)?yán)重，嚴(yán)重影響了盾構(gòu)隧道施工的安全性，因此，需增強(qiáng)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的耐磨損性能。同時(shí)，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至黃河河床底部，尤其是穿越采砂坑時(shí)，漂石出現(xiàn)的概率增大。為增強(qiáng)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的地層適應(yīng)性，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)檢查井后，需要調(diào)節(jié)刀盤(pán)開(kāi)口率，而傳統(tǒng)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)通常是利用焊接耐磨鋼板來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)口率，施工作業(yè)不方便，而且在盾構(gòu)內(nèi)進(jìn)行焊接施工時(shí)比較危險(xiǎn)。

2.2 盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重

當(dāng)泥水盾構(gòu)在富水砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，為防止大粒徑卵石堵塞環(huán)流系統(tǒng)，要求盾構(gòu)刀具直接對(duì)大粒徑卵石進(jìn)行切削破碎，刀具會(huì)不斷受到卵石的沖擊或碰撞，從而造成刀具磨損嚴(yán)重，無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起滾刀軸承部位的破壞以及刀盤(pán)面板的損壞。實(shí)際施工中刀具偏磨情況如圖4所示。

圖4 滾刀刀具偏磨情況

2.3 環(huán)流系統(tǒng)堵塞問(wèn)題

砂卵石地層離散性較強(qiáng)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)容易破壞地層的原始穩(wěn)定狀態(tài)，盾構(gòu)施工造成的地層損失較大，容易引起開(kāi)挖面失穩(wěn)。開(kāi)挖面的頻繁失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致大粒徑卵石積聚在泥水艙和落石箱等處，從而易引起盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)堵塞。同時(shí)，黃河河床底存在大量的漂石，漂石最大粒徑可達(dá)450 mm，漂石的位置分布存在不確定性，地質(zhì)勘察時(shí)不易勘測(cè)。若碎石系統(tǒng)受磨損不能正常工作，則很難破碎大漂石，未破碎的大粒徑漂石積聚在泥水艙的底部，也會(huì)造成環(huán)流系統(tǒng)堵塞。當(dāng)漂石或卵石堵塞環(huán)流系統(tǒng)后，進(jìn)行清堵工作較困難且時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響隧道施工的工作效率。

2.4 泥漿管路磨損嚴(yán)重

泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，環(huán)流系統(tǒng)中的泥漿管路承擔(dān)著進(jìn)漿、排渣的重任，對(duì)泥水循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。實(shí)際工程中，泥漿管道會(huì)不斷受到大粒徑卵石的摩擦和碰撞，使得其磨損嚴(yán)重，經(jīng)常會(huì)被磨穿導(dǎo)致泥水循環(huán)作業(yè)中斷，嚴(yán)重影響泥水盾構(gòu)施工作業(yè)的效率。

3 盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性設(shè)計(jì)

3.1 盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

從盾構(gòu)的地層適應(yīng)性角度出發(fā)，對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使刀盤(pán)結(jié)構(gòu)能有效滿(mǎn)足泥水盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)的要求。

為增強(qiáng)盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的耐磨性能，實(shí)際工程中采用Q345C高強(qiáng)度鋼板焊接而成的復(fù)合式面板刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，在刀盤(pán)面板上焊有高強(qiáng)度耐磨板，并對(duì)面板邊緣部位表面進(jìn)行相應(yīng)的硬化處理。

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至黃河河床底部，尤其是穿越采砂坑時(shí)，漂石出現(xiàn)的概率增大，固定不變的開(kāi)口率對(duì)地層的適應(yīng)性有限，而傳統(tǒng)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接耐磨鋼板改變開(kāi)口率時(shí)會(huì)存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)且會(huì)影響盾構(gòu)施工的效率。針對(duì)這種情況，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：刀盤(pán)上設(shè)置4道圈梁，圈梁上開(kāi)有螺栓孔，圈梁與面板、輻條以及相鄰的橫梁之間形成槽口，槽口外側(cè)安裝蓋板，蓋板通過(guò)高強(qiáng)螺栓與圈梁靈活連接，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)刀盤(pán)開(kāi)口率的目的。改進(jìn)后的刀盤(pán)開(kāi)口率調(diào)節(jié)裝置如圖5所示。

圖5 刀盤(pán)開(kāi)口率調(diào)節(jié)裝置

3.2 盾構(gòu)刀具磨損控制措施

1)針對(duì)砂卵石地層的特點(diǎn)，從盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)適應(yīng)性角度出發(fā)，與前期施工相比，對(duì)刀具的布置形式和數(shù)量進(jìn)行了合理調(diào)整。具體調(diào)整方案為： 將邊緣單刃滾刀改為雙刃滾刀，雙刃滾刀的耐磨性能更高，受力更均勻； 將導(dǎo)流刀變更為撕裂刀，各個(gè)輻條外周增加2把撕裂刀； 外周增加環(huán)形筋板，刀盤(pán)開(kāi)口處增加格柵。改進(jìn)后刀具布置情況如圖6所示。

2)滾刀刀軸和刀圈外表面堆焊有耐磨單元(如圖7所示)，耐磨單元由耐磨凸起和耐磨層構(gòu)成。在刀軸的外表面焊接固定有耐磨凸起，耐磨凸起在刀轂外表面呈不規(guī)則排列，采用打擊硬化耐磨合金材料； 在刀圈的外表面熔敷有耐磨層，耐磨層采用高鉻鑄鐵材料以達(dá)到減少刀圈磨損的目的。

3)針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)滾刀的刀轂部位受到嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象，在刀箱上刀體兩側(cè)采用氧乙炔火焰堆焊工藝焊接耐磨塊(如圖8所示)，耐磨塊采用耐磨合金材料。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于堆焊耐磨塊的存在，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)碎石會(huì)先摩擦堆焊耐磨塊而不是直接與刀轂接觸，從而達(dá)到保護(hù)刀轂的目的。耐磨塊以中軸線為中心對(duì)稱(chēng)設(shè)置在刀轂的兩側(cè)，根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)增加耐磨塊的數(shù)量，能有效增大碎石與耐磨塊的接觸面積，減少刀轂與碎石的摩擦。

圖6 改進(jìn)后刀具的布置情況

圖7 滾刀刀軸與刀圈保護(hù)裝置

圖8 滾刀刀轂保護(hù)裝置

4)當(dāng)盾構(gòu)在砂卵石地層中施工時(shí)，周邊刮刀的磨損非常嚴(yán)重，根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐磨性能強(qiáng)、抗沖擊能力強(qiáng)的盾構(gòu)周邊刮刀保護(hù)裝置，應(yīng)用效果良好。在刀體的外表面設(shè)置有耐磨單元，耐磨單元包括附著層、耐磨層和油漆層。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)采用刮刀清理外圍開(kāi)挖渣土?xí)r，渣土直接與耐磨單元接觸，減小了周邊刮刀受到的沖擊磨損，增加了刀體的耐磨性能和抗沖擊性能，延長(zhǎng)了周邊刮刀的使用壽命。

3.3 環(huán)流系統(tǒng)堵塞的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

隧道區(qū)間砂卵石的粒徑較大，特別是地層中的大漂石，若碎石機(jī)系統(tǒng)的功能受到影響，則砂卵石地層中的大粒徑卵石很難及時(shí)得到破碎。當(dāng)未破碎卵石從進(jìn)渣口進(jìn)入泥水艙，會(huì)積聚在泥水艙底部，則可能造成環(huán)流系統(tǒng)的堵塞。本文主要從碎石機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)和大漂石、卵石處理2個(gè)方面提出環(huán)流系統(tǒng)堵塞控制措施。

3.3.1 碎石機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)

當(dāng)碎石機(jī)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，碎石機(jī)油缸活塞桿會(huì)暴露在砂卵石地層中，此時(shí)碎石會(huì)摩擦撞擊液壓油缸的活塞桿，使得活塞桿磨損嚴(yán)重，進(jìn)而影響碎石機(jī)系統(tǒng)的正常工作，因此，有必要對(duì)碎石機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

實(shí)際施工時(shí)在活塞桿底座上加工有旋轉(zhuǎn)軸孔，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸將活塞桿底座固定安裝在需要推動(dòng)的機(jī)構(gòu)上。在油缸活塞桿底座焊接耐磨套筒，耐磨套筒設(shè)計(jì)長(zhǎng)度大于活塞桿最大伸長(zhǎng)量，保護(hù)套筒與油缸接觸的部位存在間隙，在該間隙內(nèi)設(shè)置密封刷，使保護(hù)套筒形成密封空間，達(dá)到保護(hù)碎石機(jī)系統(tǒng)活塞桿的目的。碎石機(jī)系統(tǒng)示意圖如圖9所示。碎石機(jī)系統(tǒng)活塞桿保護(hù)示意圖如圖10所示。

圖9 碎石機(jī)系統(tǒng)示意圖

圖10 碎石機(jī)系統(tǒng)活塞桿保護(hù)示意圖

Fig. 10 Sketch of piston rod protection device for rock breaking system

3.3.2 大漂石、卵石處理

泥水盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有大量的碎石淤積在泥水艙的底部，嚴(yán)重影響環(huán)流系統(tǒng)的運(yùn)行。針對(duì)這種情況，實(shí)際工程中采用外置式碎石機(jī)攪拌裝置，成功解決了泥水艙內(nèi)碎石大量積聚影響施工掘進(jìn)效率的難題。在碎石機(jī)鄂板下部焊接固定攪拌器，攪拌器隨著破碎機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)，對(duì)泥水艙底部的土體和碎石進(jìn)行攪拌，有效防止土體和碎石在泥水艙內(nèi)大量沉積堵塞環(huán)流系統(tǒng)。

在盾構(gòu)刀具改造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)大粒徑漂石的有效破碎，并調(diào)節(jié)刀盤(pán)面板開(kāi)口尺寸和開(kāi)口率限制進(jìn)入泥水艙內(nèi)的漂石尺寸； 同時(shí)，增大盾構(gòu)推力對(duì)少數(shù)位于刀盤(pán)側(cè)面的漂石做頂離處理。

3.4 泥漿管路磨損控制措施

泥水盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)泥漿管路易出現(xiàn)局部磨損破壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致整條泥漿管路無(wú)法正常使用。針對(duì)這種情況，實(shí)際工程中將傳統(tǒng)的整體泥漿管路分割為3段，相鄰軟管之間通過(guò)法蘭盤(pán)連接，法蘭盤(pán)連接處設(shè)置防水墊圈，可有效解決輸泥漿管路局部破損時(shí)需將整條管路都進(jìn)行更換的問(wèn)題。泥漿管路改進(jìn)裝置如圖11所示。

圖11 泥漿管路改進(jìn)裝置示意圖

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，獲得泥漿管路磨損規(guī)律。為提高泥漿管路的耐磨性能，提出了適用于砂卵石地層環(huán)流系統(tǒng)管路耐磨損措施和設(shè)計(jì)。送排漿管路設(shè)計(jì)采用特殊加厚無(wú)縫鋼管(如圖12所示)，在排漿管路的內(nèi)側(cè)堆焊耐磨層，從物理機(jī)能上可有效增強(qiáng)泥漿管路的耐磨性。

圖12 特殊加厚無(wú)縫鋼管

4 結(jié)論與討論

蘭州地鐵1號(hào)線是國(guó)內(nèi)首條下穿黃河的城市地鐵隧道工程，工程地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境在國(guó)內(nèi)實(shí)屬罕見(jiàn)，研究總結(jié)實(shí)際工程在施工過(guò)程中所應(yīng)用的技術(shù)成果具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明：

1)對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，解決了砂卵石地層刀盤(pán)結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重和刀盤(pán)開(kāi)口率調(diào)節(jié)等問(wèn)題，減少了開(kāi)挖面土體失穩(wěn)現(xiàn)象，提高了盾構(gòu)施工的安全性。

2)提出了盾構(gòu)刀具耐磨損控制措施，增強(qiáng)了盾構(gòu)刀具的耐磨性能，使刀具的使用壽命大大延長(zhǎng)，且有效提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率，對(duì)于砂卵石地層盾構(gòu)刀具的耐磨損設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

3)從碎石機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)和大漂石處理2個(gè)方面提出環(huán)流系統(tǒng)堵塞控制措施，有效解決了砂卵石地層泥水盾構(gòu)碎石系統(tǒng)磨損和環(huán)流系統(tǒng)堵塞的問(wèn)題。

4)從施工安全角度考慮，建議施工時(shí)加強(qiáng)對(duì)開(kāi)挖面前方大漂石的監(jiān)測(cè)，確定其位置與分布形式，提前做好預(yù)防控制措施，防患于未然。

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