武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

李 波， 包 蓁

(上海隧道股份有限公司， 上海 200032)

0 引言

武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道，全長4 650 m，工程為雙圓隧道，分左線和右線。其中，右線盾構(gòu)于2016年4月30日始發(fā)，2018年4月26日接收；左線隧道于2016年6月25日始發(fā)，2018年6月12日接收。2018年10月，隧道正式通車，成為連接武漢漢口濱江商務(wù)區(qū)以及武昌臨江商務(wù)區(qū)的重要紐帶，對于促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶的經(jīng)濟(jì)繁榮，加快武漢市、湖北省乃至周圍省、市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為重要[1-2]。

在復(fù)合地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)施工往往面臨刀具磨損、姿態(tài)難控制、結(jié)泥餅和噴涌等施工風(fēng)險，比如廣州地鐵2號線、南昌地鐵1號線以及深圳地鐵11號線等[3-8]。上述工程的盾構(gòu)直徑較小，所面臨的問題較為單一，僅僅用施工監(jiān)測、渣土改良等單一措施解決掘進(jìn)中遇到的問題。國內(nèi)過去的隧道工程中，從未有在復(fù)合泥巖地層中進(jìn)行超大直徑盾構(gòu)隧道施工的案例。本文中三陽路隧道這類超級工程往往面臨著“超級”難題。隧道江中段〈15a〉粉砂質(zhì)泥巖和〈15b〉弱膠結(jié)礫巖中黏粒成分均超過15%，對渣土流動性十分不利，極易造成刀盤開口與刀桶的泥餅淤積。另外，復(fù)合地層上部為軟土地層，下部為強(qiáng)度高、完整性好的巖石地層，不同的阻力差容易造成軟弱層排土過多，引起地層下沉、坍方，甚至引發(fā)透水事故。

為克服上述難題，施工單位依托三陽路隧道的建設(shè)，進(jìn)行了多項(xiàng)施工技術(shù)研發(fā)，各技術(shù)均成功運(yùn)用于隧道建設(shè)中。三陽路隧道的成功建設(shè)是我國盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的重大進(jìn)步，本文主要介紹盾構(gòu)刀具形式與配置優(yōu)化、中心沖刷系統(tǒng)改制、化學(xué)除泥餅等技術(shù)方案，可為未來超大直徑盾構(gòu)復(fù)合地層施工提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 線路概況

武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道位于長江二橋上游1.3 km，武漢長江隧道下游1.9 km，是一條城市道路與軌道交通共結(jié)構(gòu)的公鐵合建通道。隧道起于漢口三陽路，止于武昌秦園路，全長4 650 m，其中，盾構(gòu)段全長2 590 m。由2臺φ15.76 m的泥水平衡盾構(gòu)先后從武昌工作井始發(fā)，相繼在漢口工作井完成盾構(gòu)到達(dá)接收工作。隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑1 200 m，主線隧道最大縱坡3.0%，隧道最大覆土深度39.5 m，最小覆土深度8.4 m，見圖1。

(a) 武漢三陽路隧道線路布置圖

(b) 三陽路隧道縱斷面詳圖

盾構(gòu)隧道管片外徑為15.2 m，內(nèi)徑為13.9 m，環(huán)寬2 m，斷面內(nèi)分為3層，上層為道路隧道火災(zāi)排煙專用風(fēng)道，中間為道路交通層，下層中間為地鐵孔，兩側(cè)分別為疏散通道、地鐵火災(zāi)排煙通道和管線廊道，管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工均采用現(xiàn)澆方式，如圖2所示。

圖2 武漢三陽路隧道結(jié)構(gòu)斷面

1.2 工程地質(zhì)條件

三陽路隧道盾構(gòu)段穿越土層主要有： 粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、弱膠結(jié)礫巖等。其中，盾構(gòu)始發(fā)1—90環(huán)長180 m，為粉細(xì)砂與中粗砂夾層； 200—870環(huán)長1 360 m，為上部粉細(xì)砂，下部強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、弱膠結(jié)礫巖地層等； 1 180—1 295環(huán)長度約230 m，為上部粉質(zhì)黏土，下部粉細(xì)砂；其余區(qū)段均為粉細(xì)砂層。

砂層的石英含量高，為68.83%～71.51%；復(fù)合地層中，黏土礦物含量高，其中，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中，綠泥石含量15.78%、伊利石含量15.37%； 中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中，蒙脫石含量4.18%。同時，復(fù)合地層中有硬質(zhì)巖石分布，骨架成分以石英巖、石灰?guī)r等硬質(zhì)巖為主。

1.3 盾構(gòu)配置

三陽路隧道采用2臺超大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)直徑15.76 m,盾構(gòu)刀盤額定轉(zhuǎn)矩27 MN·m，脫困轉(zhuǎn)矩44 MN·m，最大推力193 962 kN，動態(tài)工作壓力為800 kPa，靜態(tài)工作壓力為900 kPa。盾構(gòu)刀盤見圖3。

圖3 盾構(gòu)刀盤出廠照片

1.3.1 初裝刀具配置

盾構(gòu)刀盤為全斷面常壓可伸縮刀盤，配備28把中心羊角刀、48把貝殼刀、3把保徑滾刀、52把常壓可更換軟土刮刀、160把固定式刮刀。由于安裝全斷面可更換刀桶，因此，中心5 m無開口。

盾構(gòu)面板上的初裝刀具分層配置，第1個層次為超前刀，包括羊角刀、貝殼刀、滾刀，刀具高出面板225 mm，均為常壓可更換刀具；第2個層次包括常壓可更換刮刀、固定式刮刀、鏟刀等，該層刀具高出面板185 mm，上下層刀具相差40 mm，先行刀將土體切割分塊，為后排刀具創(chuàng)造良好的切削條件。常壓可更換刀具配備了液壓磨損檢測系統(tǒng)，盾構(gòu)刀具初始布置如圖4所示。

1.3.2 中心沖刷裝置

考慮到盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)刀盤結(jié)泥餅風(fēng)險明顯提高，為了預(yù)防該現(xiàn)象，盾構(gòu)配備了中心沖刷裝置，從中心旋轉(zhuǎn)噴頭處通過大流量水沖刷，將渣土從開挖艙及刀盤排出。盾構(gòu)上設(shè)1臺P0.1泵，最大流量1 000 m3/h， 壓力800 kPa，從進(jìn)泥總管分出； 在刀盤中心和刀盤開口處分別設(shè)置6個DN100沖洗孔，以保證刀盤中心區(qū)域的泥水流動。中心沖刷系統(tǒng)的初始設(shè)計如圖5所示。

圖4 盾構(gòu)刀具初始布置

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

武漢三陽路隧道是直徑15 m以上盾構(gòu)首次穿越復(fù)合地層的工程，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境給工程帶來了重重困難。盡管對刀盤刀具設(shè)計、刀具沖洗等預(yù)計問題已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化，但在實(shí)際施工過程中，仍然發(fā)現(xiàn)了刀盤結(jié)泥餅和刀具磨損導(dǎo)致的掘進(jìn)效率降低問題。

2.1 刀盤結(jié)泥餅

以右線隧道為例，前期在砂性土中存在結(jié)泥餅現(xiàn)象，但并不嚴(yán)重，僅于119環(huán)(〈4-2〉粉細(xì)砂)將部分刀桶抽出進(jìn)行清洗后掘進(jìn)效果明顯。

盾構(gòu)掘進(jìn)至190環(huán)(穿越上部〈4-2〉粉細(xì)砂，下部〈15a-1〉強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、〈15a-2〉中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、〈15b-1〉弱膠結(jié)礫巖地層)后，開始穿越江中段的上軟下硬復(fù)合地層，盾構(gòu)的推進(jìn)速度顯著下降。推進(jìn)速度從20 mm/min逐漸下降到5 mm/min以下。同時，盾構(gòu)掘進(jìn)推力和轉(zhuǎn)矩顯著提高，轉(zhuǎn)矩增大25%，最大總擠壓力達(dá)到57 000 kN,此時，刀盤面板后溫度顯著上升，刀盤貫入變小。同時，在復(fù)合地層中，出現(xiàn)吸口排泥不暢現(xiàn)象，管路堵塞，引起進(jìn)、排泥流量不匹配，造成頂部支撐壓力波動變大。不同地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化如圖6所示。

圖6 不同地層中盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)變化

針對以上異常情況，施工人員于第198環(huán)停機(jī)帶壓進(jìn)艙檢查，發(fā)現(xiàn)刀具被泥餅覆蓋，刀盤開口處被高黏度的渣土封住，中心刀、正面滾刀以及邊緣刀的刀桶結(jié)滿了泥餅。進(jìn)行刀桶清洗后，繼續(xù)推進(jìn)5環(huán)，發(fā)現(xiàn)刀桶再次被泥餅包裹。刀盤結(jié)泥餅情況如圖7所示。

分析刀盤結(jié)泥餅的原因如下： 首先，地質(zhì)條件復(fù)雜是主要原因。在越江中段的上軟下硬復(fù)合地層中，弱膠結(jié)礫巖中的黏土礦物含量高，超過30%，黏土礦物遇水軟化，吸水膨脹，黏土顆粒大量富集形成泥團(tuán)，尤其是泥巖的泥質(zhì)膠結(jié)體黏性極大，極易造成盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅[9]。其次，是盾構(gòu)設(shè)備自身的因素。盾構(gòu)刀盤刀臂較寬，最大處有5 m，渣土流動距離長；刀盤開口率為29%，且中心有5 m沒有開口，當(dāng)中心沖洗流量和壓力不足時，渣土黏結(jié)在刀盤上，隨著刀盤摩擦生熱燒結(jié)在中心刀盤面板上，并逐漸向周邊刀臂蔓延。另外，對于初裝中心沖洗系統(tǒng)，沖洗流量偏小，僅有400～500 m/h。刀盤中心沖洗和周邊開口沖洗的流量從進(jìn)泥總管分出，P0.1泵最大壓力為800 kPa，扣除氣泡艙400～600 kPa的壓力，沖洗壓力僅為200～400 kPa，多數(shù)時候不足以將泥餅沖下。

(a) 刀桶泥餅淤積

(b) 刀桶清洗前以及清洗后推進(jìn)5環(huán)狀況

(c) 帶壓進(jìn)艙觀測刀盤泥餅淤積情況

2.2 刀具磨損嚴(yán)重

以右線隧道為例，1—200環(huán)為全斷面砂性地層，換刀12次，更換貝殼刀67把、滾刀26把、刮刀6把； 進(jìn)入復(fù)合地層，201—435環(huán)共換刀20次，更換貝殼刀284把、滾刀206把、刮刀86把。不同地層中盾構(gòu)換刀的頻次如圖8所示。

圖8 不同地層中盾構(gòu)換刀頻次

可見，在盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入復(fù)合地層之后，換刀頻率明顯增加，刀盤外圈換刀頻率從50環(huán)/次增加至20環(huán)/次；刀盤中圈換刀頻率從100環(huán)/次增加至40環(huán)/次；內(nèi)圈換刀頻率從200環(huán)/次增加至80環(huán)/次。貝殼刀、刮刀和滾刀均出現(xiàn)了不同程度的偏磨或者磨損(見圖9)。

圖9 刀具磨損前后對比

刀具磨損現(xiàn)象嚴(yán)重的主要原因有以下2個方面： 首先，盾構(gòu)刀具磨損主要由磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損3種機(jī)制共同組成[10]，其中，磨粒磨損是盾構(gòu)刀具磨損的主要原因。武漢三陽路隧道所在粉砂地層中，石英含量高，磨粒磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。其次，在弱膠結(jié)礫巖中，高強(qiáng)度的礫石含量高達(dá)60%，且以石英巖為主，這些硬質(zhì)礫石是造成刮刀和齒刀磕碰掉齒的主要原因。

2.3 掘進(jìn)效率低下

進(jìn)入復(fù)合地層中后，盾構(gòu)掘進(jìn)效率明顯降低。以右線隧道為例，整個過程推進(jìn)平均速度僅為8.9 mm/min。由于刀具磨損、刀盤結(jié)泥餅導(dǎo)致的刀具更換操作時間和停機(jī)帶壓進(jìn)艙時間分別達(dá)到全工期時長的31%和9%，如圖10所示。由此可見，上述2種問題是造成掘進(jìn)效率低下的主要原因。

圖10 各工況占全工期時間比

另外，泥餅淤積和刀具磨損是相互促進(jìn)的。當(dāng)?shù)侗P結(jié)泥餅時，刀具的貫入度減小，使得刀具一直和開挖面摩擦，加劇刀具的磨損；另一方面，刀具研磨使得開挖面溫度升高，加快了黏土粒凝聚固結(jié)，促進(jìn)刀盤泥餅生成。

3 主要工程技術(shù)方案

3.1 常壓換刀技術(shù)

由于刀具磨損嚴(yán)重，刀具更換頻繁。傳統(tǒng)帶壓進(jìn)艙換刀方法工期長、風(fēng)險大，不能適應(yīng)三陽路隧道的地質(zhì)條件。因此，本工程采用了常壓換刀的新技術(shù)。至今為止，常壓換刀技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了4代改進(jìn)[11]，最初為部分刮刀可更換； 第2代為全斷面刮刀可更換； 第3代出現(xiàn)了適用于復(fù)合地層的部分滾刀可更換刀盤； 現(xiàn)在發(fā)展為第4代全斷面滾刀更換，并配備了液壓油缸系統(tǒng)，設(shè)置了機(jī)械保護(hù)措施，使得當(dāng)今的換刀技術(shù)更加安全、便捷。

常壓刀盤換刀方法大大加快了換刀效率，一般來說，較帶壓換刀效率提高5倍以上，并大大降低了換刀作業(yè)風(fēng)險。但是，常壓換刀方法需要在刀盤設(shè)置大量法蘭罐和刀桶，占據(jù)了刀盤空間。因此，常壓換刀刀盤開口率低，土渣流動性差，反過來加劇刀盤泥餅淤積問題，進(jìn)而加快了刀具的磨損。

3.2 刀具選型優(yōu)化

盾構(gòu)初裝刀盤配備有24組48把貝殼刀，盾構(gòu)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，需要采用貝殼刀切削砂卵石，使用該原裝刀切削時，由于渣土流動性差，刀具磨損十分嚴(yán)重。于是對刀具選型進(jìn)行了優(yōu)化，采用10 cm寬5齒貝殼刀，該種刀具降低了寬度，中間的寬槽提高了渣土流動性，但是帶來的問題是其對土體的切削能力較差； 同時，還嘗試使用10 cm小羊角刀，同樣降低了寬度，且增強(qiáng)了刀具切削能力，但在復(fù)合地層中，該種刀具出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)泥現(xiàn)象； 綜合羊角刀和6齒貝殼刀2種刀具的優(yōu)勢，研發(fā)了新型的寶塔刀。該刀具分上下2層，上層羊角刀寬度7 cm，提高了刀具切削能力； 下層刀具開槽，增加渣土的流動性，降低結(jié)泥風(fēng)險。刀具形式的進(jìn)化歷程如圖11所示。

(a) 初裝貝殼刀

(b) 10 cm寬5齒貝殼刀

(c) 10 cm寬羊角刀

(d) 寶塔刀

3種刀具在2種不同地層中切削能力的對比情況如圖12所示，可以看出： 在砂性地層和復(fù)合地層中，寶塔刀的平均使用壽命是最長的。

從刀具的材料角度進(jìn)行研究，為了降低先行刀在黏土層中的磨損，減少刀盤正面摩擦轉(zhuǎn)矩所占比例，將刀具合金硬度從洛氏硬度HRA70提高到HRA87。通過同推進(jìn)距離(10環(huán))對比試驗(yàn)(見圖13)，發(fā)現(xiàn)初裝刀具磨損了20～25 mm,經(jīng)過材料改良后的刀具僅磨損5～7 mm。

(a) 砂性地層

(b) 復(fù)合地層

Fig. 12 Average cutting amount of each ripper in its service life(in different strata)

(a) HRA70刀具磨損情況

(b) HRA87刀具磨損情況

3.3 刀具配置優(yōu)化

隨著推進(jìn)工作的進(jìn)行，通過改進(jìn)刀具布置，以改善掘進(jìn)效率、降低刀具的損壞率，分別嘗試采用全盤滾刀、滾刀和先行刀間隔等布置形式。推進(jìn)結(jié)果表明，如果全盤采用滾刀，滾刀自身偏磨現(xiàn)象嚴(yán)重，且由于沒有起到破碎卵石的作用，下層固定刮刀受損嚴(yán)重。因此，采用滾刀、先行刀間隔布置的形式。

另外，為了改善刀盤的切削能力，嘗試將常壓可更換的刮刀高度調(diào)整到與刀臂中間的先行刀同高(提高4 cm)，從而代替先行刀進(jìn)行切削，并且將初始的平刮刀改為三齒刮刀，減小刮刀在復(fù)合地層中掉齒的問題。由于刮刀布置在刀盤開口處，刮刀切削時，切掉的土可以直接進(jìn)入開挖艙，防止渣土流動距離太長而黏在刀盤上。刮刀加高后盾構(gòu)推進(jìn)效果如圖14所示，推進(jìn)速度明顯提高，中心擠壓力下降效果明顯。

3.4 中心沖刷系統(tǒng)改制

在砂性地層推進(jìn)過程中，同樣存在刀桶泥餅淤積的問題。由于原設(shè)計中心6個沖洗孔逐漸堵塞且無法清理，因此，盾構(gòu)在掘進(jìn)至124環(huán)位置時，對中心4個刀桶進(jìn)行了改造，使其具備沖洗能力。改造后，中心沖刷具有500 m3/h的流量，大大改善了中心5 m無開口區(qū)域的土體流動狀況，推進(jìn)速度由7.4 mm/min上升至20.4 mm/min,總擠壓力由36 000 kN下降至22 000 kN。中心沖刷系統(tǒng)改制后，盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的改善情況如圖15所示。

但是，進(jìn)入復(fù)合地層中后，初裝狀態(tài)下的沖刷系統(tǒng)的劣勢體現(xiàn)出來。由于刀盤沖洗中心和周邊開口沖洗的泥水流量1 000 m3/h從進(jìn)泥總管分出，造成開挖艙進(jìn)泥流量也偏小，渣土攜帶能力不足，再次出現(xiàn)泥餅淤結(jié)問題。于是，對中心沖刷系統(tǒng)進(jìn)行集中改制。首先將P0.1泵改為內(nèi)循環(huán)模式，最大流量從1 000 m3/h增加到1 200 m3/h。由于不從進(jìn)泥總管分出泥水，從而間接提高了進(jìn)泥泥水流量，提高了艙內(nèi)泥水循環(huán)量和渣土攜帶能力(見圖16)。同時，在盾構(gòu)推進(jìn)至394環(huán)時，中心沖洗輔助加入壓縮空氣，壓力為700～800 kPa，流量20 m3/h左右，增加了泥餅的消除和預(yù)防能力。推進(jìn)參數(shù)有所改善(見圖17)，推進(jìn)速度從平均3 mm/min增加到6 mm/min，出渣情況也更加順暢，如圖18所示。

圖14 刀具布置優(yōu)化(刮刀加高)的影響

圖15 中心沖刷系統(tǒng)改制對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的影響

圖16 中心刀桶的沖刷系統(tǒng)改制

圖17 中心輔助加氣對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的影響

圖18 中心輔助加氣的出渣情況

3.5 化學(xué)法消除泥餅

泥餅既已形成，僅僅通過物理方法加大水壓沖洗，往往難以得到良好的效果。通過化學(xué)方法，氧化黏土顆粒之間的有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)陽離子的水化能力，是去除既有泥餅的方法之一[12]。本工程中，采用過氧化氫作為氧化劑，將黏土中的有機(jī)質(zhì)分解，從而釋放黏土顆粒，降低膠結(jié)程度，達(dá)到清除固有泥餅、防止泥餅形成的效果。實(shí)施工藝方法如圖19所示，實(shí)施效果如圖20所示。通過雙氧水清洗泥餅之后，盾構(gòu)刀具的貫入度出現(xiàn)明顯的提升，說明氧化劑對除泥餅的效果是顯著的。

圖19 注入過氧化氫消除泥餅工藝

3.6 優(yōu)化措施效果

通過一系列針對性優(yōu)化措施的實(shí)施，盾構(gòu)的掘進(jìn)效率得到了明顯的提高。盾構(gòu)掘進(jìn)速度從3環(huán)/d提高到6環(huán)/d。刀具的更換頻率顯著降低，復(fù)合地層周邊換刀間隔也從20環(huán)提高至50環(huán)。盾構(gòu)在復(fù)合地層從月平均推進(jìn)50環(huán)提高到月平均推進(jìn)100環(huán)，單月最高104環(huán)。引入優(yōu)化措施前后，皮帶機(jī)的出渣情況如圖21所示。可以看出,經(jīng)過一系列優(yōu)化改進(jìn)，出渣量明顯增加。

圖20 雙氧水除泥餅的效果分析

(a) 優(yōu)化前出渣量

(b) 優(yōu)化后出渣量

Fig. 21 Condition of muck before and after technique implementation

4 總結(jié)與展望

通過分析說明武漢三陽路隧道施工案例可知，超大直徑復(fù)合地層盾構(gòu)施工面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)，其中，刀盤易結(jié)泥餅和刀具易磨損是最難解決的2大問題。依托武漢三陽路復(fù)合地層盾構(gòu)隧道的建設(shè)，提出針對性的優(yōu)化措施，形成了復(fù)合地層盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)，并成功解決了粉細(xì)砂、泥巖和礫巖復(fù)合地層施工的難題，順利完成了工程施工。該實(shí)踐可為后續(xù)類似大型工程施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

未來大直徑盾構(gòu)在復(fù)合地層中的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮不同地層條件對掘進(jìn)的影響，從盾構(gòu)的選型出發(fā)，研發(fā)新型常壓換刀技術(shù)，提高泥水盾構(gòu)常壓刀盤的開口率，對化學(xué)法消除泥餅等措施進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)化研究，并針對各類地層條件提出標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)路線。