京張高鐵清華園隧道復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)械配置研究

周慶合

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250101)

北京地區(qū)的卵石土、砂、粉質(zhì)黏土互層會導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤磨損速度快，換刀作業(yè)困難，刀盤結(jié)泥餅，掘進(jìn)參數(shù)難以選擇與控制等問題，影響盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)，甚至可能造成事故[1]。合理的盾構(gòu)選型有助于提高施工效率，延長使用壽命，節(jié)約使用費(fèi)用[2-3]。根據(jù)盾構(gòu)施工的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，合理選用刀盤結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化刀具配置及盾構(gòu)配套系統(tǒng)是決定盾構(gòu)選型成敗的關(guān)鍵因素[4]。

王洪新探究了在不同地質(zhì)條件下刀盤開口率對出土量的影響，給出一種刀盤開口率與地層適應(yīng)性之間的定量關(guān)系，為刀盤開口率的設(shè)定提供了依據(jù)[5]。劉永勤對北京地鐵九號線穿越的砂卵石地層特性進(jìn)行分析，例舉了若干種在該地層施工中通常會遇到的意外情況并提出了相應(yīng)的對策[6]。江玉生依托北京地鐵7號線某標(biāo)段的盾構(gòu)施工情況，根據(jù)工程地質(zhì)和水文情況等因素，綜合對比了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，可為類似工程提供參考和借鑒[7]。

以京張鐵路清華園隧道為背景，根據(jù)實(shí)際情況，分析刀盤、刀具及盾構(gòu)配套系統(tǒng)的適應(yīng)性，明確提出了針對卵石土、砂、粉質(zhì)黏土互層的盾構(gòu)選型方案。

1 工程概況

1.1 區(qū)間線路概況

清華園隧道總長6 020 m(包含明挖段及U形槽)，其中盾構(gòu)段分為3#～2#和2#～1#兩個區(qū)間。2#～1#區(qū)間長2 707.5 m，3#～2#區(qū)間長1741 m。采用2臺φ12.64 m盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，管片外徑12.2 m，內(nèi)徑11.1 m，幅寬2.0 m，盾尾間隙45 mm。

3#～2#盾構(gòu)區(qū)間縱斷面為進(jìn)洞后以12.9‰的坡度下坡；進(jìn)洞埋深為6.8 m，出洞埋深為19.14 m，出洞處為區(qū)間最低點(diǎn)。

2#～1#盾構(gòu)區(qū)間縱斷面為進(jìn)洞后以20‰的坡度下坡；進(jìn)洞埋深為21.4 m，出洞埋深為5.8 m，區(qū)間最低點(diǎn)埋深28.68 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

全斷面均為粉質(zhì)黏土、粉土的區(qū)段長約750 m；粉質(zhì)黏土、粉土含量為30%～35%的地層區(qū)段長約1 200 m；其余為卵石土地層。

相對而言，粉土、粉質(zhì)黏土的自穩(wěn)性較好，砂類土、卵石土自穩(wěn)能力差，易出現(xiàn)坍塌等問題。

1.3 工程水文地質(zhì)

上層滯水：水位高程一般在44.91～49.62 m之間，含水層為粉土②1層及粉砂②2層，主要接受大氣降水補(bǔ)給，其次為管溝滲漏補(bǔ)給。鉆探揭示，該層水位埋藏深度為3.4～5.7 m。

承壓水：水頭高程為27.97～29.00 m(水頭埋深為21.70～22.50 m)。鉆探揭示，該層水位埋藏深度為21.0～25.0 m。

2 盾構(gòu)選型的適應(yīng)性

盾構(gòu)法施工要特別注意各要素之間相互適應(yīng)的問題。盾構(gòu)機(jī)型的選取應(yīng)綜合考慮具體的地質(zhì)條件和施工實(shí)際，以得出符合條件的合理方案。選型不合理可能帶來工期延誤、費(fèi)用浪費(fèi)乃至人員傷亡等情況。

參閱相關(guān)資料，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)適用性主要包含以下幾個方面[8]。

(1)刀盤、刀具設(shè)計(jì)對地層的適應(yīng)性：地質(zhì)條件對刀盤、刀具結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)起主導(dǎo)性作用。

(2)盾構(gòu)選型對地層擾動的適應(yīng)性：施工必然會擾動土體，合理的盾構(gòu)選型有利于控制地表沉降。

(3)對經(jīng)濟(jì)適用性的要求：滿足地質(zhì)條件等要求后，需從經(jīng)濟(jì)的角度考慮盾構(gòu)選型，以節(jié)約工程造價。

3 盾構(gòu)機(jī)具體選型

3.1 盾構(gòu)機(jī)型確定

(1)從地層滲透系數(shù)考慮

粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)K=1.61×10-9m/s，小于10-7m/s，適宜用土壓平衡盾構(gòu)；卵石土滲透系數(shù)K=9.26×10-4～1.16×10-3m/s，大于10-4m/s，適宜用泥水平衡盾構(gòu)；粉細(xì)砂滲透系數(shù)K=5.79×10-5m/s，兩種盾構(gòu)均適用；中粗砂滲透系數(shù)K=3.47×10-4～5.79×10-4m/s，大于10-4m/s，適宜用泥水平衡盾構(gòu)。綜合考慮，選用泥水平衡盾構(gòu)。

(2)從地層顆粒級配考慮

在卵石土地層中，2～6 cm卵石占比為2/3左右，卵石粒徑最大超過13 cm，土壓平衡盾構(gòu)難以在土艙中建立平衡壓力，工作面易失穩(wěn)，適宜采用泥水平衡盾構(gòu)。綜合考慮，針對本工程富水卵石土與粉砂、粉土互層的情況，應(yīng)采用泥水平衡盾構(gòu)，但應(yīng)注意粉質(zhì)黏土層帶來的廢漿多、泥漿處理困難，以及卵石土地層泥膜形成困難、泥漿滲逸量大等問題。

(3)從地下水壓角度考慮

本工程的水壓力不大，不是重點(diǎn)考慮的因素；但本工程2#～1#盾構(gòu)區(qū)間隧道埋深較大，地下水資源豐富，水量較大，泥水平衡盾構(gòu)可發(fā)揮優(yōu)勢。

(4)從周邊環(huán)境角度考慮

盾構(gòu)多次下穿重要建(構(gòu))筑物以及地下管線，宜選用對地層擾動較小的泥水平衡盾構(gòu)。

(5)從隧道規(guī)模角度考慮

本隧道開挖洞徑為12.64 m，目前土壓平衡盾構(gòu)難以達(dá)到如此規(guī)模，應(yīng)選用泥水平衡盾構(gòu)。

根據(jù)以上比選結(jié)果，清華園隧道最終選用了泥水平衡盾構(gòu)。

3.2 盾構(gòu)機(jī)刀盤選型

該隧道全斷面卵石地層段達(dá)1 800 m，母巖成分主要為砂巖、花崗巖，巖質(zhì)較硬，需加強(qiáng)刀具、刀盤的耐磨性設(shè)計(jì)。

刀盤結(jié)構(gòu)形式通常有輻條式、輻條面板式、面板式三種，結(jié)構(gòu)形式的選擇及開口率的設(shè)計(jì)一般需考慮以下內(nèi)容[12]：

①在穩(wěn)定性好的地層，如單一砂卵石、漂石或無水黏土地層，一般選擇較大開口率的刀盤，有利于順利排出渣土，延長刀具的使用壽命。這種情況下，應(yīng)選擇輻條式刀盤。但是，輻條式刀盤不利于開挖過程中的開倉作業(yè)，在穩(wěn)定性差的地層中宜選擇開口率小的面板式或輻條面板式刀盤。泥水平衡盾構(gòu)對穩(wěn)定性的要求較高，應(yīng)選擇較小的開口率。

②最大的排渣粒徑要大于渣土的最大粒徑。

③黏土地層應(yīng)盡量加大開口，以減少結(jié)泥餅的情況發(fā)生。

本工程穿越的地層中卵石土含量達(dá)到65%，并且粒徑較大，如果按照以往的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，常會采用較大開口率的輻條式刀盤，有利于渣土流動及快速掘進(jìn)，降低刀具磨損，提高刀具的一次掘進(jìn)距離。

本工程采用的刀盤直徑達(dá)12.64 m，若采用如此大直徑的輻條式結(jié)構(gòu)刀盤，由于跨度太大，結(jié)構(gòu)剛度很難得到保證，刀盤鋼圈易變形，甚至?xí)?dǎo)致失穩(wěn)破壞。

本工程隧道的規(guī)模大、里程長，必須制定中途更換刀具的預(yù)案。故采用了常壓換刀技術(shù)，要求刀盤特別是中心區(qū)域的開口率較低。同時，更換刀具的停機(jī)時間較長，容易造成盾構(gòu)整體沉降，從而引起地層及地表沉降。因此，相對適中的開口率有利于換刀時開挖面的穩(wěn)定。

另外，泥水平衡盾構(gòu)的渣土為比重1.35左右的稀泥漿形式，流塑性良好，較小的開口率也能滿足快速掘進(jìn)要求。

考慮到國內(nèi)外既有的大直徑泥水盾構(gòu)無一例外都選擇了開口率15%～40%左右的輻條面板式或純面板式刀盤結(jié)構(gòu)[11]，最終決定采用輻條面板式結(jié)構(gòu)，開口率為36%，最大可允許進(jìn)入的粒徑約為96 cm。刀盤形式見圖1。

圖1 適合本工程的刀盤形式

3.3 盾構(gòu)機(jī)刀具選型

適宜的刀具有利于減緩刀具磨損，增加刀具的使用時間，提高掘進(jìn)效率。另外，在長距離掘進(jìn)過程中需充分考慮常壓換刀問題[12]。

根據(jù)本工程的地質(zhì)情況，主要配置切削型刀具。通過齒刀及刮刀的合理組合，增強(qiáng)刀具耐磨性。該種刀具采取阿基米德螺線法布置，牙型交錯連續(xù)排列。刮刀寬度為220 mm，切割軌跡有所重疊，可將開挖土體清除干凈。刀具布置如圖2所示，其中，綠色標(biāo)記為常規(guī)可更換的刮刀，藍(lán)色標(biāo)記為大氣常壓中可更換的刮刀，紅色標(biāo)記為大氣常壓中可更換的撕裂刀。刀具配置數(shù)量見表1。

表1 盾構(gòu)刀具配置

圖2 盾構(gòu)刀具布置示意

3.4 常壓換刀技術(shù)

刀具會隨著掘進(jìn)的進(jìn)行不斷磨損，需制定換刀方案。通常采用高水土壓力條件下的常壓換刀作業(yè)。

在盾構(gòu)刀盤的中心設(shè)置了中空區(qū)域，作為換刀的作業(yè)空間?？筛鼡Q刀具固定在主刀梁上，其刀筒設(shè)計(jì)為背裝式，嵌于主刀梁的空心箱體內(nèi)，刀筒內(nèi)設(shè)閘板阻擋渣土。換刀時，施工人員由通道進(jìn)入裝有磨損刀具的主刀臂內(nèi)，利用液壓油缸配合刀腔閘板將刀具從刀腔內(nèi)抽出。對刀具進(jìn)行必要的檢查與更換后，將刀具裝回，完成刀具更換。

該技術(shù)具有安全系數(shù)高、施工速度快、不需制備高黏度泥漿等優(yōu)點(diǎn)[14]。

3.5 泥水環(huán)流系統(tǒng)

盾構(gòu)施工中，需有效形成泥膜及泥水倉壓力，保持工作面和漿液循環(huán)穩(wěn)定，控制地表沉降，不跑漿[14]。

泥水環(huán)流系統(tǒng)由送排泥裝置與地面泥漿處理站共同形成，送排泥裝置主要由送泥管、排泥管及攪拌裝置等構(gòu)成，見圖3。當(dāng)?shù)貙哟嬖诰奘?、卵石時，應(yīng)設(shè)置卵石處理裝置(見圖4)。

圖3 泥水環(huán)流系統(tǒng)示意

考慮到本工程存在大粒徑卵石土地層，設(shè)置了較大口徑的泥管(450 mm)，最大可通過粒徑為240 mm，碎石機(jī)最大可破碎粒徑為1 000 mm(大于巖芯采樣最大粒徑130 mm)。

圖4 碎石機(jī)示意

4 結(jié)束語

主要探討了清華園隧道盾構(gòu)機(jī)型選取、刀盤選型及刀具配置等相關(guān)問題，主要結(jié)論如下。

(1)從滲透系數(shù)大小、顆粒級配、地下水壓、周邊環(huán)境影響以及隧道規(guī)模五個角度進(jìn)行分析論述，綜合比選后，確定采用泥水平衡盾構(gòu)。

(2)對于富水卵石土與粉砂、粉土互層地層，刀盤結(jié)構(gòu)形式應(yīng)為輻條面板型，對應(yīng)的開口率約為36%，開口尺寸(最大可允許進(jìn)入的粒徑)約為96 cm。

(3)為增強(qiáng)刀具的耐磨性，延長刀具使用壽命，提高掘進(jìn)效率，選擇的刀具主要為齒刀和刮刀，并配置先行刀、鏟刀以及超挖刀。

(4)為排出大粒徑卵石土，防止粉質(zhì)黏土粘附堵塞壓力艙，設(shè)置了較大口徑的泥管(450 mm)，碎石機(jī)最大可破碎粒徑為1 000 mm。