淺談盾構(gòu)穿越大粒徑砂卵石施工技術(shù)

王羽

北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司第四工程處

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本標(biāo)段為岳各莊220kV輸變電（電力溝）工程(第五標(biāo)段)，包括內(nèi)徑3.5m盾構(gòu)隧道1639.7m，覆土深度15m～22m。

1.2 地質(zhì)水文情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該段首構(gòu)隧道主要穿越卵石⑤層。

卵石⑤層，D大＞10cm，D一般＝6cm～8cm，亞圓，級(jí)配較好，中砂充填，充填物含量約占25%～30%，卵石成分以石英巖、灰?guī)r為主，夾黏性土薄層。

本次勘察地表以下20.0m深度內(nèi)未揭露地下水。

2 盾構(gòu)法的工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

2.1 工作原理

土壓平衡盾構(gòu)法的工作原理是利用盾構(gòu)機(jī)前端刀盤切削土體，同時(shí)向密封艙內(nèi)加入塑流化改性材料改良土體，通過螺旋輸送機(jī)向外排土，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)始終在保持動(dòng)態(tài)平衡的條件下連續(xù)向前推進(jìn)。并在掘進(jìn)中同時(shí)完成管片的拼裝工作。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中可以通過尾部進(jìn)行同步注漿填充土體與管片之間的空隙，以保證圍巖的穩(wěn)定性。盾構(gòu)系統(tǒng)的組成主要有：刀盤、推進(jìn)千斤頂、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、注漿泵、鉸接系統(tǒng)等部分組成；同時(shí)，還需配以地面輔助設(shè)施：門式起重機(jī)、漿液攪拌站、集土坑、沉淀池、充電間、高壓配電柜、卸管片叉車等。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 盾構(gòu)法施工的優(yōu)點(diǎn)

盾構(gòu)施工技術(shù)如今已發(fā)展成為我國(guó)隧道施工的重要工法。其工法在安全、質(zhì)量、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)方面都體現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)，在穿越不良地層和地面建筑物較多,同時(shí)對(duì)施工進(jìn)度和地面沉降控制有嚴(yán)格要求時(shí),盾構(gòu)法相對(duì)其他工法在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全性上更加合理。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）盾構(gòu)施工是全封閉作業(yè)環(huán)境，在隧道襯砌拼裝完成前盾殼可起到支撐作用，有利于施工人員的安全保障。同時(shí)盾構(gòu)法施工可嚴(yán)格控制地面沉降，確保地面建筑物、交通設(shè)施及地下管線的安全不損壞。（2）施工占地少、可減少地面拆遷量，減少投資。除施工豎井外，施工作業(yè)均在地下進(jìn)行，既不影響地面交通，又可減少對(duì)附近居民的噪音和振動(dòng)影響[2]，隧道沿線不需要拆遷。（3）盾構(gòu)施工機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，施工速度快，可以節(jié)約施工成本，有利于縮短投資效益周期。（4）成型隧道質(zhì)量高。盾構(gòu)管片采用工廠化加工，質(zhì)量可控性強(qiáng)，制作精度高，能夠保證工程質(zhì)量。

3 盾構(gòu)機(jī)選型及改造

3.1 盾構(gòu)機(jī)選型

以岳各莊電力為例，針對(duì)穿越大粒徑砂卵石地層，采用的盾構(gòu)機(jī)為日本奧村公司生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)的土層有砂層、黏土層、粉土層、砂卵石層等，盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)如下：（1）主機(jī)尺寸：外徑Φ4130mm×總長(zhǎng)10500mm；（2）挖掘裝置：中心軸支承輻條式刀盤（液壓驅(qū)動(dòng)方式）；（3）加泥攪拌裝置：刀盤中心加泥注入設(shè)備（帶逆止閥裝置），刀盤（背面）帶攪拌裝置；（4）推進(jìn)設(shè)備：油缸式，總推力1200kN×14個(gè)=16800kN（各油缸采用選擇閥切換控制方式）；（5）管片安裝設(shè)備：冕狀齒輪旋轉(zhuǎn)式（管片起吊、旋轉(zhuǎn)、軸向滑動(dòng)能力22kN）軸向插入式混凝土管片；（6）螺旋式輸送機(jī)排土設(shè)備：500 型軸式（螺旋直徑Φ517mm×螺旋節(jié)距330mm）液壓驅(qū)動(dòng)方式；排土能力61.9m3/H（挖掘速度V=50mm/min 時(shí)挖土量的1.98倍）；（7）挖掘控制方式：土壓控制（PLC控制）、體積控制、手動(dòng)控制均可，裝有球面交換型土壓計(jì)×1組；（8）盾尾密封裝置：鋼絲刷型盾尾×3道；（9）同步襯背注漿設(shè)備：雙液混合式注入（帶液壓式防倒流閥裝置）；（10）鉸接裝置：油缸式，總推力1000kN×10 個(gè)=10000kN（鉸接角度：左右±2 度、上下±1 度、前提后退量50mm）。

3.2 盾構(gòu)機(jī)改造

3.2.1 扭矩

（1）驗(yàn)算公式：實(shí)踐發(fā)現(xiàn)裝備掘削扭矩與盾構(gòu)直徑的相關(guān)性極大，通?？捎孟率奖硎荆?/p>

式中：

Te—裝備掘削扭矩(kN·m)；

De—盾構(gòu)外徑（m）；

α—扭矩系數(shù)。

對(duì)土壓式而言，α=14kN/m2～23kN/m2；

對(duì)泥水式而言，α=9kN/m2～18kN/m2）。

（2）實(shí)際經(jīng)驗(yàn)改造：奧村盾構(gòu)去掉中間六塊輻條支撐鐵,同樣地層條件去掉支撐鐵在相同扭矩下推進(jìn)速度由60mm/min～80mm/min到100mm/min～120mm/min。

3.2.2 刀盤形式

（1）采用輻條式刀盤。（2）刀盤扭矩：對(duì)于本工程盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)外徑4.13m，卵石粒徑不大于400×600，含沙量25%左右，扭矩不小于6000kN/m。（3）卵石粒徑小于400×600 不使用滾刀，卵石粒徑大于400×600 宜設(shè)置滾刀。（4）要考慮中心局部開口率，此部位開口率易偏小。在需用刀具能布置開及滿足刀盤強(qiáng)度的情況下，盡量加大開口率。

3.2.3 刀具改造及布置

（1）大粒徑卵石地層刀具破壞特點(diǎn)：①貝型先行刀錛刀現(xiàn)象嚴(yán)重。②硬質(zhì)合金磨損在一般砂卵石地層是光面磨損在大粒徑卵石地層是小米粒狀往下掉。③魚尾刀磨損嚴(yán)重。

（2）刀具改造對(duì)策：①加寬貝型刀的厚度，加大硬質(zhì)合金塊的厚度。②同一軌跡布置不同種類的先行刀。③滾刀使用:砂卵石地層優(yōu)先考慮使用鑲嵌硬質(zhì)合金塊的雙刃滾刀,適當(dāng)加大滾刀軌跡的間距。

（3）刀具布置：①特點(diǎn)：先行刀保護(hù)切削刀，切削刀保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)；同一軌跡同類刀具前進(jìn)方向超前的先磨損，滯后的在超前刀磨完前幾乎不磨損。②使用多種刀具：中心刀、先行刀、切削刀、周邊刀、注漿口保護(hù)刀；③周邊保護(hù)刀和中心刀是考慮重點(diǎn)；④同一軌跡同類刀具布置多層，以便增加推進(jìn)長(zhǎng)度；⑤刮刀布置要犬牙交錯(cuò)，不能聯(lián)排布設(shè)。

圖2 刀盤正面圖

（4）注漿口設(shè)置：①每個(gè)注漿口有獨(dú)立的注漿系統(tǒng)；②泥漿注入系統(tǒng)不少于2 個(gè)；③中心及最外側(cè)優(yōu)先考慮設(shè)泥漿注入口,磨損最快刀具是中心刀和周邊刀,刀具潤(rùn)滑、降溫泥漿效果好。

（5）攪拌棒設(shè)置：裝備在刀盤內(nèi)側(cè)可以覆蓋整個(gè)區(qū)域的攪拌翼是不對(duì)的，牛腿以內(nèi)部分不應(yīng)設(shè)攪拌棒，只設(shè)一個(gè)固定攪拌棒。

（6）螺旋機(jī)：①有軸：通過粒徑小，防涌噴效果好。②無(wú)軸：通過粒徑大，防涌噴效果差，加工難度大，軸的磨損使用距離長(zhǎng)。

4 盾構(gòu)掘進(jìn)大粒徑砂卵石施工技術(shù)措施

盾構(gòu)掘進(jìn)大粒徑砂卵石施工管理的目標(biāo)通過土體改良、土壓控制等措施避免引起的地面變形過大，影響各專業(yè)管線安全運(yùn)行和結(jié)構(gòu)（建）筑物的不均勻沉降。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，除按設(shè)計(jì)圖紙采取加固措施外，在施工過程中加強(qiáng)盾構(gòu)的施工管理：開挖管理、土體改良管理和注漿管理。

4.1 開挖管理

（1）壓力艙的壓力：為確保開挖面的穩(wěn)定，需要適當(dāng)?shù)鼐S持壓力艙壓力。推進(jìn)中使用螺旋式排土器的轉(zhuǎn)數(shù)控制、用盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度控制、兩者的組合控制這些方法維持壓力艙壓力。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程時(shí)，建議壓力倉(cāng)的土壓始終控制在有水時(shí)大于水壓且不低于0.05MPa，無(wú)水時(shí)不低于0.05MPa。（2）排土量：為了一邊保持開挖面的穩(wěn)定一邊順利地進(jìn)行推進(jìn)，需要適量地進(jìn)行排土，以維持排土量和推進(jìn)量相平衡。（3）推進(jìn)速度:根據(jù)掘進(jìn)土質(zhì)、扭矩、總推力和土倉(cāng)壓力等綜合因素確定推進(jìn)速度，推進(jìn)速度控制在60mm/min～80mm/min，最大不大于100mm/min。

4.2 土體改良管理

（1）土體改良的目的：①使土體由不能流動(dòng)變?yōu)榭闪鲃?dòng)，且有較好的和易性；②提高土體的抗?jié)B性；③使土體具有一定的潤(rùn)滑性；④降低黏土的黏附力；⑤土體有一定的保水性。（2）土體改良材料：①泡沫：增加土體的和易性、流動(dòng)性，降低土體的滲水性，降低土體對(duì)刀盤的粘付，降低刀盤的扭矩，減少盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具的磨損，因氣泡具有壓縮性土倉(cāng)壓力變化小，有利于切削面穩(wěn)定；②膨潤(rùn)土:天然膨潤(rùn)土主要以鈣基為主，利用膨潤(rùn)土遇水膨脹的性能，人們常用它做成防水材料；③高分子聚合物:作用同膨潤(rùn)土，和膨潤(rùn)土共同使用時(shí)能吸收膨潤(rùn)土泥漿的水。

4.3 注漿管理

盾構(gòu)掘進(jìn)中的同步注漿和二次補(bǔ)注漿是盾構(gòu)施工中的重要工序之一。由于盾構(gòu)機(jī)斷面尺寸比管片大，管片脫出機(jī)殼后，在管片和地層之間會(huì)產(chǎn)生一道環(huán)形空隙，為了防止地層變形，采用同步注漿和二次補(bǔ)注漿的方式進(jìn)行填充[3]。根據(jù)本工程的砂卵石地質(zhì)情況和類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，初步確定注漿材料為A、B雙液漿，液漿（A）為水泥、液漿（B）為濃度Be（25～30）水玻璃液用水進(jìn)行稀釋，兩種漿液的配合比為：A:B=10:1～12:1。

5 盾構(gòu)施工質(zhì)量控制措施及施工情況

岳各莊220 千伏輸變電（電力溝）工程（第五標(biāo)段），采用Φ 4.13m盾構(gòu)修建電力隧道，總長(zhǎng)1640m。在此工程中筆者通過以往總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行總體協(xié)調(diào)組織，使此次盾構(gòu)日掘進(jìn)平均25環(huán)（進(jìn)尺30m），最高日掘進(jìn)55環(huán)（進(jìn)尺66m），實(shí)際工期比計(jì)劃工期提前約30天。質(zhì)量符合國(guó)家電網(wǎng)創(chuàng)優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，該工程獲得國(guó)家電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)工程。在快速連續(xù)的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，同樣也要保證盾構(gòu)的施工質(zhì)量。

5.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制

盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制，采用的是全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在掘進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的軸線進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室，以便施工生產(chǎn)技術(shù)人員時(shí)刻掌握盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)有偏離軸線的趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析偏差原因，采取有效的措施調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。在施工過程中測(cè)量人員還應(yīng)每天對(duì)成型管片進(jìn)行復(fù)測(cè)，以便及時(shí)掌握成型隧道的軸線偏差情況。

5.2 地面沉降的控制

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿行于地下時(shí)，周圍土體在盾構(gòu)機(jī)擾動(dòng)作用下會(huì)形成沉降，對(duì)地面建筑物及地下管線造成損壞，基于地面沉降所造成的危害，筆者在近幾年施工過程中，不斷地摸索、嘗試、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已掌握了一套行之有效的控制地面沉降的方法：（1）土壓的控制：盾構(gòu)掘進(jìn)土壓一般介于主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力之間，越接近主動(dòng)土壓時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周圍地層的擾動(dòng)范圍越小。（2）嚴(yán)格控制出土量：盾構(gòu)每環(huán)的掘進(jìn)長(zhǎng)度為1.2m，每環(huán)的原狀土計(jì)算量約為16m3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮加入的泥漿泡沫及土的膨脹系數(shù)1.2，即每環(huán)需運(yùn)輸土方量約為19m3。在盾構(gòu)出土?xí)r嚴(yán)格控制出土量，使每環(huán)出土量均在控制范圍內(nèi)。（3）加強(qiáng)盾尾同步注漿及二次補(bǔ)注漿控制：同步注漿材料為水泥+改性水玻璃雙液漿，漿液凝固時(shí)間控制在20s～30s，盡最大可能減少由于漿液凝固時(shí)間造成的沉降和漿液損失。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出理論注漿量為0.5m3～0.8m3，注漿壓力控制在0.3MPa～0.35MPa。同步注漿采用注漿量控制即可滿足地面沉降要求。在穿越段，為確保盾尾密封良好，保證同步注漿效果，盾尾密封油脂加入量增加2倍，保證不漏水，不漏漿。為了彌補(bǔ)同步注漿的不足，更好控制后期沉降，對(duì)盾構(gòu)隧道每隔一環(huán)進(jìn)行一次二次補(bǔ)注漿。

通過以上控制措施，在盾構(gòu)機(jī)穿越一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)居民平房、二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)況管線及重要交通道路等風(fēng)險(xiǎn)源施工中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，沉降值均小于10mm,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6 結(jié)論

盾構(gòu)法施工在地下工程的建設(shè)中，相對(duì)于其他工法，有著對(duì)城市環(huán)境影響小、隧道工程質(zhì)量易于保證、施工速度快以及對(duì)不良地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工占地小、可減少拆遷節(jié)約投資等優(yōu)勢(shì)。隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)在大粒徑沙礫層推進(jìn)技術(shù)是沒有問題的。