穿越泥巖地層的泥水平衡盾構(gòu)推進(jìn)技術(shù)與實(shí)踐

徐文平

【摘 要】盾構(gòu)機(jī)在泥巖地層掘進(jìn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅、泥水滯排、刀盤扭矩大、掘進(jìn)速度慢等一系列不利于施工的困擾，為解決上述問題，提高泥水盾構(gòu)機(jī)在泥巖地層的適應(yīng)性，文章以南寧市軌道交通3號(hào)線青市區(qū)間盾構(gòu)施工為例，介紹了對泥水平衡盾構(gòu)機(jī)采取針對性的優(yōu)化改造，并加以相應(yīng)的管控措施后，取得較好實(shí)施效果，為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】泥水平衡；泥巖地層；適應(yīng)性改造；盾構(gòu)推進(jìn)技術(shù)

【中圖分類號(hào)】U455.43 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）02-0153-04

0 前言

盾構(gòu)機(jī)在泥巖地層掘進(jìn)時(shí)[1]，會(huì)出現(xiàn)盤結(jié)泥餅、泥水滯排、刀盤扭矩大、掘進(jìn)速度慢等一系列不利于施工的困擾，為解決上述問題，提高泥水盾構(gòu)機(jī)在泥巖地層的適用性，本文以南寧市軌道交通3號(hào)線青市區(qū)間盾構(gòu)施工為例，介紹了在施工中對泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造的過程，以及采取了相應(yīng)的管控措施后，取得了較好的實(shí)施效果。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為南寧軌道交通3號(hào)線青秀山～市博物館站（原博藝路站）區(qū)間（簡稱青市區(qū)間），左、右線盾構(gòu)下穿邕江段施工。側(cè)穿南寧大橋，穿越邕江河道段的樁號(hào)范圍為YCK21+126.66（青環(huán)路）～YCK21-846.38（龍堤路），穿越段線路長719.72 m。穿越邕江最低河床高程為46.6 m，對應(yīng)的隧道頂部高程為38.2 m，埋深最小為8.4 m。

1.2 掘進(jìn)地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料文獻(xiàn)[2]揭示，青市區(qū)間左右線穿越地層相對復(fù)雜，既存在全斷面粉砂質(zhì)泥巖⑦1-2、⑦1-3、⑦2-3，也存在⑤1-1圓礫層、⑦1-2粉砂質(zhì)泥巖、⑦1-3泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、⑦2-3粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等的復(fù)合地層。其中，穿越邕江段洞頂8～10 m范圍內(nèi)，主要為不透水泥巖或者粉砂巖。

2 設(shè)備適用性改造

根據(jù)青市區(qū)間的地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合已竣工南寧軌道交通1號(hào)線白蒼嶺站—火車站區(qū)間的施工經(jīng)驗(yàn)[3]，針對結(jié)泥、滯排等情況，在始發(fā)前對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的改造，以達(dá)到盾構(gòu)施工最佳效果。具體改造情況如下。

2.1 泥漿循環(huán)系統(tǒng)改造

（1）增設(shè)泥漿沖刷泵。①新增泥漿沖刷泵的主要參數(shù)：泥漿泵流量為500 m3/h；電機(jī)功率為132 kW；泵出口壓力為5.5 Bar；轉(zhuǎn)速為980 n/min。②新增泥漿沖刷系統(tǒng)。該系統(tǒng)與原泥漿循環(huán)系統(tǒng)互相獨(dú)立，可通過開關(guān)泥漿管路上的球閥相互切換，根據(jù)需要沖刷碎石機(jī)、刀盤、泥水艙泥漿門及P2.1泵。具體改造方案如圖1所示。

（2）刀盤沖刷改造。改進(jìn)沖刷刀盤沖刷管路孔，主要是泥漿管將延長至刀盤中心附近，達(dá)到?jīng)_刷效果。刀盤注水孔、沖刷管置示意圖如圖2所示；刀盤沖刷噴口現(xiàn)場改造情況如圖3所示。

（3）鄂式碎石機(jī)增設(shè)攪拌樁。在鄂式碎石機(jī)部位增加1套攪拌樁（左右各焊接1根），用來攪拌碎石機(jī)前方的積渣，便于排漿排渣。攪拌樁尺寸為200 mm×150 mm×100 mm。碎石機(jī)鄂攪拌樁焊接圖如圖4所示。

2.2 刀盤改造及刀具配置

（1）增加攪拌樁。①在刀盤上對稱焊接2根攪拌樁，增加泥漿門攪拌范圍，防止泥漿門處積渣，使出渣順暢（如圖5所示）。②攪拌樁焊接情況如圖6所示。

（2）增設(shè)焊接撕裂刀。在刀盤面板焊接部分撕裂刀，為每把滾刀或撕裂刀配置一把焊接撕裂刀，焊接撕裂刀與滾刀或撕裂刀的運(yùn)行軌跡相同。焊接撕裂刀高出刀盤面板160 mm。刀盤配置及焊接撕裂刀布置情況見表1。

3 施工管控措施

3.1 掘進(jìn)地層動(dòng)態(tài)跟蹤

（1）每天在平、縱面相應(yīng)位置標(biāo)注盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾的位置，查清地質(zhì)和地面建（構(gòu)）筑物。

（2）每天在泥漿處理設(shè)備進(jìn)行渣土取樣，并對照勘察結(jié)果，判斷地質(zhì)對盾構(gòu)施工的影響。

（3）對圓礫層、軟硬不斷地層、泥巖都要提前預(yù)警分析。

（4）理清線路上建（構(gòu)）筑物平面關(guān)系、垂直距離，以指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)模式、土壓力設(shè)置。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整

（1）每天密切關(guān)注盾構(gòu)推力（鉸接壓力要疊加計(jì)算）、盾構(gòu)扭矩、盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速及盾構(gòu)掘進(jìn)速的參數(shù)變化，結(jié)合地質(zhì)、土壓及掘進(jìn)速度的變化，研判參數(shù)正常與否。

（2）始發(fā)階段，推力控制以保障反力架不發(fā)生變形、位移為控制指標(biāo)，盾構(gòu)推力控制在1 100 t，分區(qū)推力不宜過大。

（3）推力不斷變大，而速度不斷下降，扭矩不斷增大或變小時(shí)，要分析原因，找到對策。

（4）根據(jù)不同的地層及更換刀具情況，設(shè)定不同的刀盤轉(zhuǎn)速，如在軟土地層常設(shè)定為0.5～1 rpm；而全斷面泥巖層中，經(jīng)?？刂圃?.0～1.5 rpm。更換新刀具后，都宜放慢刀盤轉(zhuǎn)速，避免刀具撞擊損壞。

（5）通過貫入度的公式，明確掘進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)度的關(guān)系[貫入度=掘進(jìn)速度（v）/刀盤轉(zhuǎn)速（w）]。貫入度大時(shí)，減少渣土中磨蝕礦物接觸滾刀的時(shí)間，降低滾刀磨損量。

（6）判斷掘進(jìn)的“有效推力”參數(shù)。同時(shí)，關(guān)注分區(qū)推力，并分階段地增加，避免偏壓或壓力集中損壞成型的隧道管片。

（7）掘進(jìn)和糾偏過程中，對千斤頂行程參數(shù)檢查，分析上下左右4組千斤頂行程記錄。若發(fā)現(xiàn)行程差過大，要根據(jù)姿態(tài)情況和盾尾間隙、線路情況進(jìn)行綜合分析。

3.3 注漿量及注漿壓力控制

盾構(gòu)工程既可采用盾構(gòu)自帶的注漿系統(tǒng)進(jìn)行同步注漿，也可以在盾構(gòu)機(jī)上增加1套補(bǔ)充注漿，利用管片注漿孔進(jìn)行注漿。

（1）盾構(gòu)隧道注漿時(shí)，要保證壁后空隙充填密實(shí)，注漿量充填系數(shù)宜為1.3～2.5。采用注漿量和注漿壓力2個(gè)參數(shù)控制填充效果。

（2）注漿易出現(xiàn)如下幾個(gè)方面的異常：①注漿量很大而壓力很小，這時(shí)要檢查盾尾和土倉是否“跑漿”，此刻應(yīng)立即停止注漿，尤其要預(yù)防水泥凝結(jié)卡住刀盤。②注漿量很大而壓力很小，結(jié)合地勘的溶洞發(fā)育情況，要放慢掘進(jìn)速度，增加注漿量，直到注漿壓力達(dá)到設(shè)定恒壓。③注漿壓力不斷上升但注漿量很少，則可能已堵管，需及時(shí)清管，更換已沉降初凝砂漿。④要控制最大注漿壓力，注漿壓力不宜大于理論隧道埋深水土壓力的1.2倍，防止注漿壓力擊穿盾尾密封，破壞隧道永久結(jié)構(gòu)。

（3）在易發(fā)生管片上浮的盾構(gòu)施工中，宜在盾尾3～5環(huán)進(jìn)行整環(huán)補(bǔ)充雙液注漿，有效控制噴涌和上浮問題。

3.4 泥水加壓及泥水管理

3.4.1 切口水壓設(shè)定

在泥水加壓式盾構(gòu)施工中，用泥水壓力使開挖面與作用在開挖面上的土壓保持平衡，水壓與開挖面上含水土體的重力和土的內(nèi)摩擦角大小有關(guān)。切口水壓設(shè)定為自然狀態(tài)下盾構(gòu)機(jī)頭部2/3高度處的水土壓力加0.01～0.02 MPa。

3.4.2 切口水壓確定及修正

工程開工前，在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行土質(zhì)和地下水調(diào)查，預(yù)先決定每個(gè)地點(diǎn)的設(shè)定切口水壓。此外，還應(yīng)對開挖面狀態(tài)予以考慮，并做相應(yīng)的修正。

3.4.3 泥水性能管理

泥水材料拌制泥漿前，根據(jù)地層情況進(jìn)行泥漿配合比的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)其比重、黏度、塑變值、膠凝強(qiáng)度、泥壁形成性、潤滑性，使其成為可塑流體，以保持開挖面穩(wěn)定的同時(shí)，將切削下來的渣土形成泥水并運(yùn)往地面。

3.5 盾構(gòu)掘進(jìn)線路軸線和姿態(tài)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中軸線偏離設(shè)計(jì)軸線不得大于+50 mm；盾構(gòu)垂直和水平偏差相鄰環(huán)變化應(yīng)控制在5 mm范圍內(nèi)為宜，以確保成型隧道平整度。盾構(gòu)前體、中體及盾尾之間趨勢控制在0.4%的范圍內(nèi)，避免糾偏困難。

3.6 盾構(gòu)掘進(jìn)施工監(jiān)測控制

沿隧道線路軸線每5 m布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每隔25 m水平方向不少于5個(gè)監(jiān)測斷面，并對建（構(gòu)）筑物各角布置監(jiān)測點(diǎn)。盾構(gòu)掘進(jìn)中，對盾構(gòu)刀盤前后50 m線路范圍內(nèi)的測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。盾構(gòu)正上方的測點(diǎn)在施工過程中沉降控制±5 mm為宜，通過后地表沉降量應(yīng)控制在+10～-30 mm。

3.7 隧道管片拼裝質(zhì)量控制

每天巡查，控制隧道成型管片的質(zhì)量，填報(bào)《盾構(gòu)施工工程師日報(bào)表》形成盾構(gòu)施工記錄。記錄每環(huán)隧道管片錯(cuò)臺(tái)、破損、裂紋及滲漏的位置和狀況，并在日報(bào)表中對質(zhì)量問題進(jìn)行分析，提出預(yù)防的對策。

4 實(shí)際施工問題及處理

4.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏差過大

4.1.1 情況簡述

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至461環(huán)開始持續(xù)向左偏轉(zhuǎn)，474環(huán)開始刀盤向左位移較大，最大位移17 mm/環(huán)。此外，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)及管片成型姿態(tài)進(jìn)行對比，除467、469環(huán)與盾構(gòu)機(jī)盾尾姿態(tài)較吻合外，其余成型管片姿態(tài)在脫出盾尾后均不同程度地向右偏移，最大達(dá)到50 mm。該區(qū)域地表為江濱公園與邕江河堤交界區(qū)域，為江濱公園綠化草坪，邕江沿岸岸堤，無建筑物，地面空曠。

掘進(jìn)該區(qū)域縱斷面主要為⑤1-1圓礫層、⑦1-2粉砂質(zhì)泥巖復(fù)合地層，埋深30.3 m，盾構(gòu)掘進(jìn)壓力為2.8 bar。

4.1.2 原因分析

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)出現(xiàn)偏差后對其周邊地質(zhì)、線路、刀具磨損、盾構(gòu)機(jī)自身情況及管片選項(xiàng)等進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

（1）根據(jù)偏移段地質(zhì)資料（如圖7所示）揭示，該區(qū)域地質(zhì)由全斷面圓礫層⑤1-1向圓礫泥巖復(fù)合地層轉(zhuǎn)變，且泥巖橫斷面存在“左低右高”結(jié)構(gòu)面，盾構(gòu)機(jī)向左轉(zhuǎn)彎難度較大。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)線路顯示，該區(qū)域線路平面位弧形（左轉(zhuǎn)彎R450 m），縱斷面方向?yàn)椤癡”形變坡點(diǎn)（30‰與2‰變坡），空間組合曲線導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)左轉(zhuǎn)彎姿態(tài)，盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎偏移量跟不上左轉(zhuǎn)趨向。

（3）盾構(gòu)機(jī)刀具有一定的磨損。根據(jù)本線路274環(huán)帶壓進(jìn)倉更換刀具情況，盾構(gòu)刀具磨損非常嚴(yán)重。本次掘進(jìn)區(qū)域主要為圓礫、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等復(fù)合地層，刀具磨損導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)開挖空間減小，在上述2個(gè)原因作用下更難以調(diào)整。

4.1.3 糾偏處置

分析原因后，采取了調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)調(diào)壓閥、增加輔助泵及合理選擇管片選項(xiàng)等措施，通過增加左側(cè)推進(jìn)壓力、增加左側(cè)同步注漿量、盾尾管片二次注漿加固、降低管片與盾構(gòu)機(jī)之間夾角等措施進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，于382環(huán)開始，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與盾構(gòu)管片走向基本趨于一致。

此外，通過參數(shù)判斷刀具有一定磨損，為確保邕江邊施工安全，在470～475環(huán)（全斷面粉砂質(zhì)泥巖地層）進(jìn)行進(jìn)倉更換刀具。

4.2 下坡段盾尾漏漿

4.2.1 情況簡述

線路下坡段處于圓礫富水地層，該區(qū)域線路豎向坡度30‰且向左以半徑450 m轉(zhuǎn)彎，出現(xiàn)了盾尾漏氣、漏漿情況。

4.2.2 漏漿原因分析

（1）同步注漿壓力過大或掘進(jìn)過程中盾尾油脂量不足導(dǎo)致漏漿。

（2）氣倉及土倉可能串氣，導(dǎo)致氣體進(jìn)入土體的壓力過大，從而漏氣、漏漿。

（3）管片拼裝未跟上盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化，盾尾間隙過大導(dǎo)致漏漿。

4.2.3 處理措施

（1）加強(qiáng)對注漿壓力的管控并及時(shí)記錄。

（2）每環(huán)注入足量油脂，以保障盾尾密封效果，管片拼裝成后掘進(jìn)前以大于注漿壓力先注入油脂，最后一道盾尾刷壓力大于注漿壓力2 bar。

（3）合理的管片選型能確保盾尾間隙大小均勻。

（4）調(diào)整同步砂漿配比，加快凝結(jié)時(shí)間。

（5）盾尾漏漿持續(xù)發(fā)生時(shí)，停機(jī)堵漏，同時(shí)做好抽水措施確保及時(shí)排水。具體如下：①在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部盾尾處涂滿油脂，并沿著盾構(gòu)機(jī)與管片之間填充盾尾間隙。②注入雙液漿進(jìn)行管片壁后封堵。③在相鄰盾尾最近的管片注漿孔注入聚氨酯進(jìn)行封堵，以形成隔水層。

5 結(jié)語

南寧軌道交通3號(hào)線青市區(qū)間目前已順利貫通。根據(jù)前述實(shí)例，針對以泥巖為主的穿越地層，應(yīng)根據(jù)地層情況，對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的改造，并結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際出現(xiàn)的問題，動(dòng)態(tài)調(diào)整管控措施，以達(dá)到安全順利施工的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]曾垂剛.泥巖地層中泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2017（6）：48-52.

[2]寇寶慶，趙鄢鵬，張華芬，等.泥水平衡盾構(gòu)機(jī)復(fù)合破碎模式改造技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2017（9）.

[3]張海彬.泥水平衡盾構(gòu)機(jī)泥巖地層適應(yīng)性優(yōu)化改造探索[J].山西建筑，2017，43（19）：151-152.