地鐵復合地層土壓平衡盾構(gòu)施工適應(yīng)性問題探討

齊曉成

（中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

1 工程概況

橫琴隧道1號井—灣仔北區(qū)間位于珠海市區(qū)南灣大道，線路左側(cè)臨海，多為工業(yè)廠房。盾構(gòu)隧道起訖里程左線DK2＋748.926—DK3+986.200，全長1.237km，右線YDK2＋764.071～YDK3＋994.380，全長1.230km，雙洞單線，采用盾構(gòu)法施工。

盾構(gòu)機從1號井開始施工，持續(xù)進行到灣仔北站小里程吊出。襯砌結(jié)構(gòu)為C50鋼筋混凝土預制管片，內(nèi)徑7 700mm、外徑8 500mm。每環(huán)管片由4塊標準塊、2塊連接塊和1塊封頂塊共7片管片組成。

2 盾構(gòu)機掘進參數(shù)

盾構(gòu)機選擇的型號是鐵建重工DZ192機型和海瑞克S-592，區(qū)間右線海瑞克S-592盾構(gòu)機先始發(fā)，以右線地層為基準得到掘進參數(shù)，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 掘進參數(shù)

3 盾構(gòu)機選型

3.1 選型原則及依據(jù)

盾構(gòu)選型應(yīng)充分遵循安全性、經(jīng)濟性等多項原則，確定合適的機型設(shè)備，由此降低輔助施工作業(yè)量，并提升開挖面的穩(wěn)定性。

3.2 盾構(gòu)類型確定

3.2.1 根據(jù)工程適用性確定

不同的盾構(gòu)機性質(zhì)存在差異，所適應(yīng)的地質(zhì)范圍也有所差別，將其運用于其他地形時則存在一定的局限性，綜合考慮到本工程的實際情況，選定為泥水平衡盾構(gòu)及土壓平衡盾構(gòu)兩大類。

3.2.2 根據(jù)地層滲水系數(shù)確定

對地層透水系數(shù)進行分析，當其大于1×10-4m/s時，則以泥水盾構(gòu)的方式為宜；如果實際地層系數(shù)小于1×10-7m/s，此時則選用土壓平衡盾構(gòu)的方式更具可行性。如果該系數(shù)值介于1×10-7～1×10-4m/s范圍時，則上述2種設(shè)備都具有可行性。

3.3 盾構(gòu)掘進作業(yè)工序流程

盾構(gòu)掘進作業(yè)工序流程如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)掘進作業(yè)工序流程

3.4 掘進控制程序

做好盾構(gòu)隧道施工掘進工作至關(guān)重要，其是推動后續(xù)施工持續(xù)進行的基本條件，對此需要注重：①刀具充分切削、破碎地層；②經(jīng)切削操作后所得到的土層應(yīng)在第一時間將其運走?；谏鲜龇治龅弥?，掘進參數(shù)的選擇尤為關(guān)鍵，需充分考慮到不同地層條件下的刀具、轉(zhuǎn)速等參數(shù)情況。

3.5 掘進模式與擬定掘進參數(shù)

3.5.1 土壓平衡模式技術(shù)措施

1）關(guān)于軟土的處理，以切削入及刮刀這兩大工具為宜，由于巖層性質(zhì)較為特殊，則以滾刀為宜，施工中要求刀盤的轉(zhuǎn)速處于較低水平，并以大扭矩進行推進作業(yè)。

2）相較于靜水壓力與地層土壓力總和而言，所得到的土倉壓力值P應(yīng)比其略大，即P=KP0，K=1.0～1.3，砂性地層K取上限值，而對于黏性地層而言K值則以下限值為宜，在后續(xù)的掘進施工中持續(xù)進行優(yōu)化。

3）以掘進速度為基準，綜合參考排土量情況，最終確定合適的土倉壓力，需達到切削土量與排土量相均衡的狀態(tài)，這是確保土倉壓力平衡的基本條件。

3.5.2 盾構(gòu)機選型

1）海瑞克盾構(gòu)機應(yīng)用通常情況下，在掘進施工時應(yīng)做好各項參數(shù)的控制工作：①氣墊倉泥渣液位高度；②氣體保壓（Samson）壓力值；③土倉（開挖倉）泥渣壓力值；④刀盤扭矩（驅(qū)動壓力）的控制；⑤盾構(gòu)總推力的控制；⑥掘進方向的控制；⑦進排漿壓力、流量及泥漿泵電流的控制；⑧注漿量及注脂量的控制。

2）鐵建重工盾構(gòu)機DZ192應(yīng)用鐵建重工盾構(gòu)機選型尤為關(guān)鍵，會對復合地層隧道施工質(zhì)量帶來直接影響。如選型不當會破壞地下管道設(shè)施，影響通信及水電氣供應(yīng)等；有時還會帶來掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象，在長期的作用下圍巖及地層持續(xù)變形，且地表沉降更為明顯，工程施工被迫停止；在部分特殊情況下，還會造成開挖面坍塌等嚴重工程事故。

鐵建重工盾構(gòu)機設(shè)計特點如下。

1）確定合適的刀盤結(jié)構(gòu)面板型，能提升刀具的受力合理性，要求其開口率以35%為宜，具有較強的強度與剛性。可在黏性土地層中進行持續(xù)性掘進施工，也可良好地應(yīng)用于弱風化層中，即便是地層的強度較大也依然具有較大推力。

2）無論是刀盤設(shè)計還是刀具的配置都具有高度合理性，刀具經(jīng)長時間使用后性能依然未發(fā)生改變。選用12臺功率均為250kW的變頻電動機，彼此共同作用來實現(xiàn)對盾構(gòu)機的驅(qū)動，帶來較大的扭矩與轉(zhuǎn)速，適用于多種地層環(huán)境中。推進油缸的糾偏性能良好，在面對復合地層時也能做好軸線控制工作，可實現(xiàn)超前鉆探加固，這對在復雜地層區(qū)域而言尤為適用。

3）螺旋輸送機采用有軸式，能伸縮，后部尾部處排土，且螺旋輸送機前端葉片及前筒體堆有高于普通硬質(zhì)合金硬度的最新型耐磨材料，抗磨性能優(yōu)越。適配有泡沫與添加劑注入系統(tǒng)，在此影響下可改善開挖面的土體條件。能以自動化的方式實現(xiàn)對膨潤土與添加劑的控制，單個刀盤的注入口數(shù)量為7個，因此充分保障了開挖面土體的性能。

3.6 盾構(gòu)掘進方向控制與調(diào)整

3.6.1 盾構(gòu)掘進方向控制

1）隨著盾構(gòu)推進施工的持續(xù)進行，要求后視基準點應(yīng)適當向前移動，基于人工測量的方式可達到精準定位的效果，確保推進方向的可靠性。應(yīng)安排專員進行測量，頻率以每周2次為宜，在自動導向系統(tǒng)的作用下完成對數(shù)據(jù)的監(jiān)測與校正，對盾構(gòu)機的姿態(tài)進行分析與調(diào)整，確保盾構(gòu)掘進方向的正確。

2）以線路條件為基準，在此基礎(chǔ)上制定出分段軸線擬合控制計劃，綜合考慮所在區(qū)域的隧道地層情況，在推進油缸的作用下達到控制掘進方向的效果。

3.6.2 盾構(gòu)掘進姿態(tài)調(diào)整與糾偏

1）姿態(tài)調(diào)整基于上述方法展開對盾構(gòu)機姿態(tài)的持續(xù)性調(diào)整，將其偏差控制在合理范圍內(nèi)。

2）滾動糾偏若出現(xiàn)滾動超限問題，此時盾構(gòu)機會自行發(fā)出警報，基于盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方式達到糾正偏差的效果。在本工程中，允許出現(xiàn)的滾動偏差最大值為1.5°，當超過該值時盾構(gòu)機發(fā)出警報，此時相關(guān)人員應(yīng)切換刀盤的旋轉(zhuǎn)方向，從而達到反轉(zhuǎn)糾偏的效果。

3）豎直方向糾偏影響盾構(gòu)機方向的因素較多，其中以千斤頂?shù)膯蝹?cè)推力最為關(guān)鍵，如果盾構(gòu)機做出下俯動作，此時可以通過加大千斤頂推力的方式來實現(xiàn)糾偏。

4）水平方向糾偏類似于豎直方向糾偏原理，當出現(xiàn)左偏時則需要適當加大左側(cè)的千斤頂推力；反之，如果出現(xiàn)了右偏，則需要適當加大右側(cè)的千斤頂推力。

3.6.3 方向控制及糾偏注意事項

1）當對刀盤進行換向時，應(yīng)留有適當?shù)拈g隔時間；在對推進油缸進行調(diào)整時速度應(yīng)適中，切換速度要控制在合理范圍內(nèi)，否則將帶來管片受力突變問題，嚴重時致使管片損壞。

2）以掌子面的實際情況為基準，由此確定合適的掘進參數(shù)，在此過程中需要設(shè)置警戒值，一旦觸碰到該值時需啟動糾偏程序。

3）在進行蛇行修正時，以長距離緩慢修正的原則較為可行，如果此環(huán)節(jié)的操作速度過快，所帶來的修正效果反而適得其反。在直線推進過程中，應(yīng)確定盾構(gòu)機的所在點，需要選取設(shè)計線上較遠處的一點，所得到的直線便是后續(xù)線形管理的基本參考。

4 結(jié)語

立足于某地鐵盾構(gòu)施工標段的實際施工背景，研究在復合地層中使用復合式土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)備選型及適應(yīng)性改造的方法。經(jīng)工程實踐表明，這種盾構(gòu)機的適應(yīng)性能良好，可為類似工程的施工提供參考。