土壓平衡盾構(gòu)機在上軟下硬及全斷面硬巖地層中的應用

王 佳

（中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司， 廈門 361000）

1 工程背景

涉鐵段盾構(gòu)隧道區(qū)間長度263m,線路為半徑800m 曲線，線間距15.0m~15.5m。采用單面坡，線路縱坡自豎井以 6.603‰的上坡到達風井，區(qū)間隧道埋深22.6m~31.3m。

隧道區(qū)間盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)地基土主要為散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。散體狀強風化花巖：灰白、灰黃色，礦物間聯(lián)結(jié)力散失，強度較高。碎裂狀強風化花崗巖：風化裂隙發(fā)育，多呈碎塊狀，工程性能好，質(zhì)軟；中等風化花崗巖：灰白，塊狀構(gòu)造，風化裂隙較發(fā)育，強度高，工程性能好。

2 施工地質(zhì)情況分析

隧道右線始發(fā)掘進地層，屬于典型的上軟下硬地層：上部為碎裂狀強風化花崗巖，風化程度大，巖土裂隙發(fā)育，地下水豐富；下部為中風化花崗巖，強度高、整體性好，單軸飽和抗壓強度45～112MPa，對刀具磨損嚴重。盾構(gòu)在通過該地段時很可能由于下部硬巖難以達到理想的掘進速度，引起上部土質(zhì)地層過度擾動，造成噴涌、超挖等現(xiàn)象。一旦超挖將容易引起地面的沉降，導致重大安全風險事故。

工程要穿越全斷面硬巖段，硬巖主要為中風化花崗巖，其單軸抗壓強度局部達到115MPa。硬巖段施工，刀具與掌子面摩擦產(chǎn)生的熱量大，溫度高。盾構(gòu)掘進過程中，硬巖對盾構(gòu)機刀具刀盤、螺旋輸送機等設備會造成很大磨損。因此，在前期對設備刀具選型是至關重要的。

3 掘進措施

3.1 設備依據(jù)地層選型措施

前期工程籌劃時，考慮上述地層對掘進施工的影響，采用廈工中鐵生產(chǎn)的盾構(gòu)機，滾刀達到44 把，邊緣刮刀12 把。盾構(gòu)機的破巖能力強，邊緣刀的增加，使刀具的刃間距更小，每把刀承受的壓力更小，減少刀具的更換次數(shù)。刀盤"一字型"布置的雙刃滾刀，可以將部分不能通過刀盤的巖塊（粒徑大于450mm）進行破碎后再排除；能夠更好的完成上軟下硬、全斷面硬巖等復雜地層的掘進任務。盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)功率大，盾構(gòu)設計更加適應本項目區(qū)間掘進，完全能夠保證了后期硬巖和上軟下硬地層中碴土改良及對刀盤、刀具的保護；盾構(gòu)機螺旋筒體內(nèi)徑為900mm,筒體內(nèi)徑的大小直接關系到最大出碴粒徑，盾構(gòu)機能夠更好的適應上軟下硬及硬巖中出現(xiàn)的石塊等大直徑顆粒出碴，保證盾構(gòu)出碴流暢性，減小卡螺旋的風險；盾構(gòu)機驅(qū)動功率達到1120KW，額定扭矩及脫困扭矩能滿足本標段上軟下硬及全段面硬巖施工需求。

3.2 掘進模式

在掘進開挖面上部為碎裂狀強風化花崗巖，碎風化裂隙發(fā)育，多呈碎塊狀，質(zhì)軟~較軟；下部為中風化花崗巖，塊狀構(gòu)造，風化裂隙較發(fā)育，強度高。這種組合，可能導致掘進過程中，掘進速度較慢，上部“軟”土流失過多的情況，加之巖層裂隙水發(fā)育。當盾構(gòu)掘進過程中各項參數(shù)控制不當時，螺旋輸送器會出現(xiàn)涌水、噴碴等情況，導致掘進過程中將要花費大量的人力、物力及時間來清理盾尾碴土。

開挖面上部為碎裂狀強風化地層，具有風化裂隙發(fā)育、強度較低的特點，但掘進時在一定時間內(nèi)尚有自穩(wěn)性。因受水的影響，需在掘進掌子面建立一定的壓力來防止地下水涌入土倉，造成水土流失及螺旋輸送器噴涌的情況發(fā)生。因此掘進采用盾構(gòu)機半敞開模式，即在土倉內(nèi)保留1/2～1/3 的碴土，向土倉內(nèi)注入壓縮空氣或泡沫、膨潤土來維持開挖面上部土壓，并輔助開挖作業(yè)。此地層掘進，上部碎裂狀強風化地層只需掌子面進行切削便可破壞土層，但下部中風化地層硬度較高，對刀具的磨損較大，應適當?shù)慕档偷侗P轉(zhuǎn)速，控制貫入度以使刀具受到的瞬時沖擊小。推力范圍在10000~15000kN；刀盤扭矩不大于2500kN·m，掘進速度不超過10mm/min，平均速度為5mm/min 左右。

而盾構(gòu)機在全斷面硬巖地層掘進時，掘進掌子面的自穩(wěn)性好，可采用敞開模式進行掘進。掘進時控制泡沫的注入量及比例，冷卻并潤滑刀具，降低土倉溫度。貫入度控制在20mm 內(nèi)；刀盤轉(zhuǎn)速控制在1r/min，扭矩在2000kN·m 內(nèi)，掘進推力視扭矩情況盡量控制在15000kN 以內(nèi)。

3.3 注漿控制

因中風化花崗巖地層裂隙發(fā)育，掘進地層水主要為裂隙水，受其它類型地下水的補給；其徑流受節(jié)理裂隙形態(tài)控制,無統(tǒng)一的水面。因此需要注重注漿方式。經(jīng)試驗段確定，同步注漿方量不小于6m3，正常段注6~6.4m3，下穿建構(gòu)筑物為6.4m3~6.8m3；頂部注漿壓力0.23～0.24MPa，推進時結(jié)合掘進速度控制注漿流量，采用壓力和流量雙重控制，使?jié){液均勻注入壁后。每推進3 至5 環(huán)進行一次環(huán)封，在盾尾形成隔水環(huán)，避免水流匯向刀盤。采用頂部注漿孔觀察，作為漿液注飽滿的一項校核方法。

3.4 基巖鉆孔

因要穿越的中、微風化硬巖段，盾構(gòu)機掘進與其摩擦熱量大，對刀具及螺旋輸送機磨損大，因距離本工程全斷面硬巖段距離杭深鐵路較近，不考慮爆破。為此采取措施在地面進行基巖鉆孔預處理，采用潛孔鉆對掘進地層進行鉆孔，孔間距30cm，孔深至隧底約31m，梅花形布設。以期一定程度上減小對盾構(gòu)機掘進過程中所產(chǎn)生的影響。

3.5 常壓開倉檢刀、換刀

穿越全斷面硬巖地層刀具易磨損、掘進速度慢等問題。通過采取刀具檢查、更換等措施可在一定程度上解決問題。

刀具更換：要選擇穩(wěn)定的地層和地點進行，我方選擇施工前規(guī)劃好的全斷面硬巖地段進行，根據(jù)刀具及巖層硬度選擇每掘進1 環(huán)檢查刀具，及時檢查和更換邊緣滾刀。新安裝刀具要在掘進20cm~50cm 再次復緊。設備進入硬巖前和出硬巖前都要檢查甚至更換刀具。以使盾構(gòu)機能夠在全斷面硬巖中安全順利的掘進。

3.6 監(jiān)控量測

因隧道埋深26~31m，地層復雜。上軟下硬地層上還存在黏性土層，若上軟下硬地層掘進施工中出現(xiàn)超挖，多出碴情況，沉降反應至地面具有滯后性。因此，不可完全依賴地面監(jiān)測點。但若監(jiān)測不能及時反應實際情況，將存在安全隱患，因此本工程除正常的地面布監(jiān)控點外，還增設深孔監(jiān)測點。地表監(jiān)測點與深孔監(jiān)測點數(shù)據(jù)相互對比，校核。同時關注土壓變化，出碴異常等情況與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析。與此同時隧道內(nèi)采用地質(zhì)雷達掃描，對管片背后存在空隙進行檢測，對檢測空隙處及時注漿充填。

4 結(jié)語

針對本工程硬巖段盾構(gòu)施工，施工進度緩慢，開倉頻繁。施工中通過掘進模式的調(diào)整，設備的提前選型，基巖的預鉆孔處理，常壓換刀點的選擇，同步及二次注漿對于地層的合理補充，使盾構(gòu)機順利的穿越上軟下硬地層和近50m 的全斷面中風化硬巖?？梢娨陨霞夹g措施，在上軟下硬及全斷面硬巖地層中較為有效，具有一定的參考及指導價值。同時，通過采用這一系列措施，在一定程度上拓寬了盾構(gòu)施工在地質(zhì)上的應用領域。