土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖地層掘進(jìn)技術(shù)研究

汪高文，王高敏，高建強(qiáng)

（1、廣東建科建設(shè)咨詢有限公司 廣州 510500；2、北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100044）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市人口急速膨漲，城市交通壓力日益加劇，為緩解城市交通的壓力，各大城市開始了地鐵建設(shè)的熱潮，作為區(qū)間隧道施工主力的土壓平衡盾構(gòu)［1］在地鐵建設(shè)中大放異彩。據(jù)城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)［2］，截至 2017年 12月底，中國(guó)內(nèi)地開通城軌交通運(yùn)營(yíng)線路的城市增加至34 個(gè)，開通軌道交通線路165條，累計(jì)運(yùn)營(yíng)里程5 033 km。其中地鐵線路3 884 km，占比77.2%。區(qū)間隧道施工最常用的工法即為盾構(gòu)法，而土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用尤為廣泛。

土壓平衡盾構(gòu)面對(duì)堅(jiān)硬巖層［3］時(shí)盾構(gòu)的適用性受到較大的影響，在一些城市（如廣州、深圳、成都等）區(qū)間地質(zhì)遇硬巖情況較為普遍。根據(jù)現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50307-2012》［4］“盾構(gòu)法適用于第四紀(jì)地層、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度偏低地層和軟巖地層的隧道施工，在硬質(zhì)巖層和含有大量粗顆粒漂石、塊石的地層應(yīng)慎用?！痹O(shè)計(jì)方往往會(huì)采用礦山法+盾構(gòu)空推的方式通過堅(jiān)硬巖層段。礦山法施工需要額外增加施工豎井而長(zhǎng)期占用較大面積土地及加大經(jīng)濟(jì)投入，同時(shí)因采用爆破作業(yè)而增加了巨大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

選擇相應(yīng)工程項(xiàng)目針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖地層掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究并在實(shí)際應(yīng)用中加以驗(yàn)證，解決土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬混合花崗巖中掘進(jìn)的難題，可實(shí)現(xiàn)合理利用現(xiàn)有設(shè)備、節(jié)約土地、縮短工期、有利施工安全、綠色環(huán)保的目標(biāo)，社會(huì)效益較大。

1 選擇研究對(duì)象的工程情況

廣州地鐵13號(hào)線［東洲站-新塘站］區(qū)間整體采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，但區(qū)間局部存在堅(jiān)硬混合花崗巖地層段，選擇該段區(qū)間作為土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖地層掘進(jìn)技術(shù)的研究對(duì)象較為合適，工程概況介紹如下：

廣州地鐵13號(hào)線［東洲站-新塘站］區(qū)間左線隧道起訖里程范圍為ZDK57+611.254～ZDK58+687.203，左線隧道長(zhǎng)1 049.007 m，短鏈26.762 m；右線隧道起訖里程范圍為 YDK57+611.254～YDK58+618.370，右線隧道長(zhǎng)938.512 m，短鏈68.604 m。區(qū)間線路平面設(shè)1 個(gè)曲線段，曲線半徑R=650 m，區(qū)間縱斷面設(shè)計(jì)為單向坡，最大坡度為24.45‰，最大坡長(zhǎng)為480 m，隧道頂部覆土厚度10.00～26.58 m。。

區(qū)間隧道穿越的地層有〈2-1B〉淤泥質(zhì)土、〈2-2〉淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、〈5Z-2〉硬塑性砂質(zhì)粘性土、〈6Z〉混合花崗巖全風(fēng)化帶、〈7Z〉混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶、〈8Z〉混合花崗巖中風(fēng)化帶、〈9Z〉混合花崗巖微風(fēng)化帶，隧道主要穿越〈5Z-2〉、〈6Z〉、〈7Z〉、〈8Z〉和〈9Z〉地層。根據(jù)［東洲站-新塘站］區(qū)間地質(zhì)剖面圖顯示，區(qū)間右線共需穿越106 m 全斷面硬巖段，穿越環(huán)號(hào)為373～443環(huán)，區(qū)間左線共需穿越54 m 全斷面硬巖段，穿越環(huán)號(hào)為 391～426 環(huán)。

根據(jù)詳勘揭示：

⑴〈8Z〉中風(fēng)化混合花崗巖。揭露層厚0.90～13.00 m，平均 4.22 m，層頂埋深 3.40～43.30 m（標(biāo)高-21.43～25.20 m）。巖性：青灰色夾淺肉紅色，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，少量扁柱狀，錘擊聲較清脆，花崗變晶結(jié)構(gòu)，眼球狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，次為云母，長(zhǎng)石大部分風(fēng)化成小黃斑點(diǎn)。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 約為40%，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度值為51.9～102.4 MPa，平均83.9 MPa，巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

⑵〈9Z〉微風(fēng)化混合花崗巖。層頂埋深12.80～25.00 m（標(biāo)高-8.05～15.33 m）。巖性：灰黃色、灰白色，巖芯呈短柱狀、扁柱狀，局部碎塊狀，錘擊聲脆，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 約為80%，巖體較完整，巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度值為 81.8～102.5 MPa，平均 92.4 MPa，巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

2 土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖層掘進(jìn)技術(shù)研究

參照《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》［5］相關(guān)要求，從解決土壓平衡盾構(gòu)對(duì)堅(jiān)硬巖層的適用性，更大地發(fā)揮土壓平衡盾構(gòu)在地鐵建設(shè)中的作用出發(fā)，通過技術(shù)手段對(duì)土壓平衡盾構(gòu)過硬巖進(jìn)行研究，通過采用合理選用刀盤及刀具配置、在掘進(jìn)過程初期合理選用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)開倉(cāng)對(duì)刀具進(jìn)行全面檢查等措施，以達(dá)到土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖層順利掘進(jìn)的預(yù)期效果。

2.1 對(duì)刀盤、刀具等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

⑴刀盤設(shè)計(jì)首要突出破巖能力以應(yīng)對(duì)中、微風(fēng)化高強(qiáng)度巖層切削，并兼顧超大粒徑孤石的破除，其次強(qiáng)化耐磨性能及剛度、強(qiáng)度要求，以應(yīng)對(duì)特殊地層需要。

刀盤直徑6 280 mm，采用6 主梁+6 小副梁設(shè)計(jì)，采用該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在可安裝更多數(shù)量滾刀（46 刃）的同時(shí)，刀盤開口整個(gè)盤面均勻分布，開口率達(dá)34%（中心開口率達(dá)38%）。

刀盤的6 分度結(jié)構(gòu)設(shè)有6 個(gè)支腿，較好地改善結(jié)構(gòu)受力條件，通過有限元分析，大應(yīng)力部位均配置足夠的材料，再經(jīng)有限元分析復(fù)核，刀盤結(jié)構(gòu)的最大綜合等效應(yīng)力為170 MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力不小于100 MPa，刀盤強(qiáng)度和剛度均能滿足各種地層的施工需要。

⑵刀具配置設(shè)計(jì)

滾刀配置：刀盤共配置34 把單刃滾刀及6 把雙刃滾刀，采取較小（75 mm）刀間距配置，在獲得可接受的掘進(jìn)進(jìn)度時(shí)可破除90～120 MPa 左右?guī)r石，掘進(jìn)進(jìn)度減慢時(shí)可破除110～140 MPa 巖石。

超挖刀配置：刀盤配置一把合金超挖刀，最高可破除60 MPa 的巖石，但目前僅可用于邊滾刀新刀安裝時(shí)擴(kuò)挖使用，不作為長(zhǎng)距離擴(kuò)挖刀具。刀具配置如圖1所示。

圖1 刀具配置圖Fig.1 Tool Configuration Diagram

⑶刀盤耐磨設(shè)計(jì)

刀盤前面板表面堆焊6.4+6.4 復(fù)合鋼板，外圈梁外表面堆焊12.5+12.5 復(fù)合鋼板，提高刀盤的耐磨性。

⑷刀盤磨損檢測(cè)裝置

刀盤設(shè)置有多處油壓式磨損檢測(cè)裝置（共4 處，2處刮刀磨損檢測(cè)，2 處面板磨損檢測(cè)），防止漂石破壞刀盤盤體。

⑸刀盤泡沫及膨潤(rùn)土噴口

刀盤所有管路均布置在背面（設(shè)有保護(hù)措施），完全堵塞不能清理時(shí)可在倉(cāng)內(nèi)更換。噴口總成可以完全從刀盤背面抽出，完全損壞或阻塞不能疏通時(shí)，可在倉(cāng)內(nèi)抽出維修或更換。

2.2 施工過程參數(shù)控制及其他輔助措施

⑴盾構(gòu)掘進(jìn)至整個(gè)刀盤進(jìn)入〈8Z〉中風(fēng)化層前3環(huán)（370、371、372 環(huán)），對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行信息采集及分析，摸清設(shè)備對(duì)硬巖的適宜參數(shù)。

盾構(gòu)掘進(jìn)370、371、372 環(huán)參數(shù)：掘進(jìn)總推力控制在1 300 t 左右，刀盤扭矩為2 200 kN·m 左右，掘進(jìn)速度 5～25 mm/min。

⑵掘進(jìn)過程每5～10 環(huán)施做一個(gè)止水環(huán)，不僅可以達(dá)到止水的效果，還能使壁后注漿密實(shí)，有效地防止管片上浮等質(zhì)量事故。

⑶掘進(jìn)過程中除向掌子面噴水外，仍需使用一定劑量的泡沫劑，起到潤(rùn)滑刀具的作用，并且能在一定程度上減小扭矩。

⑷在第一次開倉(cāng)［6］檢查刀具時(shí)，通過取芯對(duì)掌子面巖層的單軸抗壓強(qiáng)度及完整性進(jìn)行檢測(cè)，為盾構(gòu)順利穿過收集準(zhǔn)確的資料。

掘進(jìn)至第375 環(huán)（全面進(jìn)入硬巖第3 環(huán)）開倉(cāng)后，對(duì)巖層進(jìn)行了取芯，并送至試驗(yàn)室進(jìn)行了巖礦鑒定。鑒定結(jié)果為石英30%～35%，鉀長(zhǎng)石55%～60%，黑云母7%～10%，飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為89.1 MPa和84.3 MPa（共2 組），與地勘資料相符，倉(cāng)內(nèi)取芯情況如圖2所示。

圖2 倉(cāng)內(nèi)取芯情況Fig.2 Coring in Warehouse

2.3 加密開倉(cāng)檢查的頻率，設(shè)定嚴(yán)格的刀具更換原則

進(jìn)入〈9Z〉微風(fēng)化巖層區(qū)段初期，每4～5 環(huán)開倉(cāng)檢查1 次刀具，盾構(gòu)掘進(jìn)穩(wěn)定、設(shè)備參數(shù)可控后10 環(huán)左右檢查1 次刀具，刀具更換原則如表1所示。

表1 刀具更換原則表Tab.1 Table of Tool Replacement Principles

3 工程應(yīng)用

土壓平衡盾構(gòu)在堅(jiān)硬混合花崗巖中掘進(jìn)技術(shù)在廣州地鐵13號(hào)線東洲站～新塘站區(qū)間右線隧道掘進(jìn)過程中進(jìn)行了應(yīng)用：

3.1 堅(jiān)硬巖掘進(jìn)情況

全斷面硬巖段掘進(jìn)環(huán)號(hào)范圍為373～443 環(huán)，耗時(shí)45 d，累計(jì)開倉(cāng)6 次，硬巖范圍內(nèi)掘進(jìn)總推力控制在1 300 t 左右，刀盤扭矩為2 000 kN·m 左右，掘進(jìn)速度均在10 mm/min 以上，最高速度可達(dá)到35 mm/min，為空倉(cāng)推進(jìn)，環(huán)出渣量約為60 m3。相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

3.2 開倉(cāng)情況

硬巖段累計(jì)開倉(cāng)作業(yè)6 次，累計(jì)更換單刃滾刀19把、雙刃滾刀5 把、刮刀1 把，累計(jì)耗時(shí)12 d。開倉(cāng)后，巖面完整性較好，刀具軌跡清晰，刀具整體性較好，個(gè)別刀具需要更換，刀具情況如表2所示。

3.3 應(yīng)用情況總結(jié)

廣州地鐵13號(hào)線東洲站～新塘站區(qū)間右線共計(jì)穿越全段面硬巖段106 m、71 環(huán)，總耗時(shí)45 d，其中開倉(cāng)及換刀作業(yè)耗時(shí)12 d，實(shí)際平均掘進(jìn)速度為2.15 環(huán)/d，最高掘進(jìn)速度為5 環(huán)/d，硬巖范圍內(nèi)掘進(jìn)總推力控制在 1 100～1 300 t，刀盤扭矩為 1 400～2 000 kN·m，掘進(jìn)平均速度達(dá)到10 mm/min 以上，最高速度可達(dá)到35 mm/min。施工期間未出現(xiàn)任何安全及質(zhì)量問題。

圖3 相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Shield Tunnel under the Existing Railway Tunneling Parameters

表2 硬巖段開倉(cāng)及換刀作業(yè)情況表Tab.2 Table of Opening and Tool Changing Operation in Hard Rock Section

4 結(jié)論

通過實(shí)際工程的驗(yàn)證，土壓平衡盾構(gòu)在遇堅(jiān)硬巖地層（巖層單軸抗壓強(qiáng)度大于100 MPa 以上），采用盾構(gòu)刀盤、刀具合理配置、盾構(gòu)施工參數(shù)的合理選用及優(yōu)化施工過程控制，同時(shí)采取加強(qiáng)開倉(cāng)檢查及更換刀具等措施，是可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在堅(jiān)硬巖層中順利掘進(jìn)的，從而達(dá)到降低成本、縮短工期、節(jié)地、綠色環(huán)保、施工安全等多方面的效果。