城市建筑密集區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)全斷面硬巖掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究

李明輝

摘要：在城市建筑密集區(qū)域下方采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全斷面硬巖地層盾構(gòu)隧道施工時(shí)，存在盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢、姿態(tài)控制難度大、刀具磨損嚴(yán)重、頻繁開倉換刀、建筑沉降控制困難等問題。結(jié)合實(shí)際工程，介紹了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)選型、刀盤配置、掘進(jìn)模式和參數(shù)、姿態(tài)控制、渣土改良、沉降控制等關(guān)鍵技術(shù)措施，確保在建筑密集區(qū)域下方盾構(gòu)機(jī)安全順利進(jìn)行全斷面硬巖掘進(jìn)。

關(guān)鍵詞：建筑密集區(qū)域;硬巖;敞開式;沉降。

1工程概況

昆明市軌道交通4號線小屯站～金鼎山站區(qū)間位于明日城市花園、昆明氧氣廠、金鼎山科技園等建筑密集區(qū)域下方，區(qū)間單線長1459.326m，穿越一段長186m的全斷面硬巖——玄武巖，巖體完整、強(qiáng)度較高，硬巖段玄武巖芯樣最大飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大值為131MPa，隧道范圍內(nèi)平均值為62.8MPa，區(qū)間埋深10～70m，周邊環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜。

2盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)小屯站～金鼎山站區(qū)間穿越較長距離的全斷面硬巖的地質(zhì)特征，選擇性能適應(yīng)地質(zhì)條件的盾構(gòu)機(jī)非常關(guān)鍵，盾構(gòu)機(jī)選型主要注意以下幾個(gè)方面。

1）功率

根據(jù)全斷面硬巖的特點(diǎn)，選擇具有大推力、大扭矩和高轉(zhuǎn)速的盾構(gòu)機(jī)。

2）刀盤

用于硬巖掘進(jìn)的刀盤應(yīng)以配置滾刀為主;刀箱和刀座應(yīng)具有足夠的抗變形能力;為方便出渣，刀盤開口率應(yīng)適當(dāng)增大。

3）盾構(gòu)機(jī)有耐磨設(shè)計(jì)和措施。

4）盾體中盾與尾盾之間采用鉸接連接，方便在小半徑曲線上掘進(jìn)。

5）盾構(gòu)機(jī)有人倉設(shè)計(jì)，位于中隔板上部，便于刀具更換。

小屯站～金鼎山站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)采用海瑞克S589、S590，總推力為40000kN、最大扭矩為5340kN.m，滿足全斷面硬巖掘進(jìn)的功能要求。

3刀盤配置

小屯站～金鼎山站區(qū)間掘進(jìn)前，兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)適應(yīng)土層為軟土和硬素黏土，采用的是36刃滾刀的原裝刀盤，正面滾刀軌跡間距100mm，開口率是34%，渣土改良管道4組，刀盤厚度550mm。

這種刀盤及刀具配置在硬巖段掘進(jìn)時(shí)，存在的問題是：

1）開口率偏小，遇到大塊渣石容易堵塞、卡刀盤，或是大塊渣石不能進(jìn)入土倉，隨著刀盤在掌子面轉(zhuǎn)動(dòng)，影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效果，設(shè)備損耗較大。

2）盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)硬巖時(shí)主要依靠滾刀對巖面碾壓破碎，這種刀盤滾刀數(shù)量偏少、刀中心距偏大，與巖面的有效接觸面積偏小，遇到強(qiáng)度高的硬巖時(shí)掘進(jìn)效率低下，形成的渣石較大不利于出渣，影響掘進(jìn)效果。

3）渣土改良管道偏少，在硬巖掘進(jìn)時(shí)不利于渣土改良，影響出渣效率，并延長堅(jiān)硬的巖石碎粒停留在土倉內(nèi)的時(shí)間加快刀具磨損，從而增大開倉換刀頻率帶來更多的安全風(fēng)險(xiǎn)并延長施工周期、降低工效。

因此硬巖段由于巖層單軸抗壓強(qiáng)度高，選擇合適的刀盤配置才能保證盾構(gòu)機(jī)在硬巖段的連續(xù)施工，加快盾構(gòu)在該段的掘進(jìn)速度。針對軟土段采用的刀盤在硬巖段掘進(jìn)存在的問題，根據(jù)小屯站～金鼎山站區(qū)間硬巖段的地質(zhì)特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)、加工適用于硬巖掘進(jìn)的新刀盤。

硬巖段刀盤配置44刃滾刀，正面滾刀軌跡間距80mm，邊緣滾刀超出盾體直徑2cm，滾刀從刀盤中心向外呈螺旋線布置。開口率是38%，渣土改良管道6組，刀盤厚度650mm。

這種刀盤及刀具配置在硬巖段掘進(jìn)時(shí)相對于軟土段使用的刀盤，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

開口率較大，避免大塊渣石堵塞、卡刀盤或是大塊渣石不能進(jìn)入土倉隨著刀盤在掌子面轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效果;

2）刀盤滾刀數(shù)量較多、刀中心距較小，滾刀從刀盤中心向外呈螺旋線布置，與巖面的有效接觸面積較大，提高了對巖面碾壓破碎的速度，形成的渣石較小利于出渣，并且邊緣滾刀超出盾體直徑2cm，可降低周邊巖層卡住盾殼的現(xiàn)象發(fā)生。

3）渣土改良管道較多，在硬巖掘進(jìn)時(shí)利于渣土改良，提高出渣效率，減少堅(jiān)硬的巖石碎粒停留在土倉內(nèi)的時(shí)間降低刀具磨損，并降低開倉換刀頻率。

4掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)

根據(jù)全斷面硬巖巖體完整、開挖斷面相對穩(wěn)定不會(huì)出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)的情況，硬巖段掘進(jìn)參數(shù)采用盾構(gòu)總推力較小、刀盤扭矩較低、刀盤轉(zhuǎn)速較高的“小推力，低扭矩，高轉(zhuǎn)速”敞開式掘進(jìn)模式。這種掘進(jìn)模式大幅度降低了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力和刀盤旋轉(zhuǎn)阻力，有效地提高了盾構(gòu)機(jī)在硬巖地層中的掘進(jìn)工效。

硬巖段主要掘進(jìn)參數(shù)平均值為：

盾構(gòu)總推力：6500KN

刀盤扭矩：1500KN·M

刀盤轉(zhuǎn)速：1.7轉(zhuǎn)/min

推進(jìn)速度：20mm/min。

5姿態(tài)控制

在硬巖掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏較為困難，掘進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，水平偏差控制在設(shè)計(jì)線路曲線轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，最大偏差控制在30mm以內(nèi)。考慮到管片上浮的影響，垂直偏差控制在-20～-30mm以內(nèi)。硬巖掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)較大，經(jīng)常會(huì)引起VMT導(dǎo)向系統(tǒng)出現(xiàn)測量錯(cuò)誤，因此在掘進(jìn)過程要測量系統(tǒng)多檢查、勤校核，及時(shí)糾正錯(cuò)誤。

6渣土改良

硬巖段掘進(jìn)采用泡沫劑進(jìn)行渣土改良。泡沫的功效主要在于分離或中和粘性土中的陰陽離子，降低其吸附性能，從而起到改善碴土的流動(dòng)性、潤滑刀具等作用。

對于中風(fēng)化玄武巖，由于滾刀將巖體的一部分磨成粉塵沉積在土倉內(nèi)，具有一定的粘結(jié)力和吸附力，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，易附著于刀盤上造成刀盤扭矩增大，或進(jìn)入土倉后被壓密固化，可能造成掘進(jìn)、排渣均無法正常進(jìn)行的情況，宜采用泡沫劑進(jìn)行改良，泡沫起著界面活性劑分散的作用，可有效防止粉塵附著于刀盤上和土壓倉內(nèi)壁，防止出現(xiàn)泥餅現(xiàn)象，降低刀盤扭矩，使掘進(jìn)工作順利進(jìn)行。泡沫配置濃度為3%～5%。

7沉降控制

1）地面沉降原因分析

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)引起的地面沉降包括五個(gè)階段：