盾構(gòu)法穿越基巖凸起及上軟下硬地層時的施工風(fēng)險(xiǎn)分析及技術(shù)研究

摘? 要：本文以廈門市地鐵2號線為例，介紹了城市地鐵中基巖凸起段和上軟下硬地層的盾構(gòu)法施工技術(shù)，分析了盾構(gòu)法施工技術(shù)在不同地層的掘進(jìn)參數(shù)和注意事項(xiàng)。通過在工程施工前期全面進(jìn)行地質(zhì)勘查工作，積極探究工程地質(zhì)條件，并有計(jì)劃的進(jìn)行刀具更換，合理選取掘進(jìn)參數(shù)，可以有效保證該工程的土建施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：短距離;硬巖;上軟下硬;盾構(gòu)法

中圖分類號：U455.43? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）10-0000-00

盾構(gòu)法施工技術(shù)應(yīng)用于基巖凸起段及上軟下硬地層時，刀具很容易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和不正常損壞、更換困難等問題，導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，從而難以正常掘進(jìn)。本文所研究的廈門軌道交通2號線工程區(qū)間主要涉及翁角路站至馬青路站，以及翁角路站至中間風(fēng)井。區(qū)間使用盾構(gòu)法進(jìn)行施工（盾構(gòu)采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)），所穿越地層主要涉及粉質(zhì)黏土、中砂、殘積砂質(zhì)黏性土、凝灰熔巖、全風(fēng)化花崗巖和散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部有基巖突起及孤石分布。

1 廈門地鐵短距離穿越基巖凸起和上軟下硬地層施工風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1穿越基巖凸起段時的施工風(fēng)險(xiǎn)

（1）較大地質(zhì)層的巖層強(qiáng)度系數(shù)容易增加刀盤道具發(fā)生的磨損率。

（2）在刀具磨損超限的情況下，未及時進(jìn)行配套設(shè)施更換或者是在盾構(gòu)開挖直徑過小時，刀盤在有限空間回旋作業(yè)，很容易讓刀盤直接卡在巖體之間。

（3）在掘進(jìn)作業(yè)過程中，當(dāng)?shù)侗P振動頻率較大時則很容易讓刀具的螺栓出現(xiàn)松弛情況，從而讓刀具穩(wěn)固性受到影響，甚至還會直接掉落在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋機(jī)上，增加地鐵工程的施工風(fēng)險(xiǎn)[1]。

（4）在硬質(zhì)巖土地層隧道工程施工中，宜在注漿漿液初凝前直接安裝管片，避免管片浮力超過自體重量，從而導(dǎo)致管片出現(xiàn)上浮情況。

1.2穿越上軟下硬地層時的施工風(fēng)險(xiǎn)

（1）在上軟下硬的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中持續(xù)性的開展高強(qiáng)度掘進(jìn)作業(yè)，很容易讓刀具的磨損率增加。當(dāng)情況嚴(yán)重時還會讓刀盤出現(xiàn)損壞情況，從而導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)難度不斷增大，逐步增加風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

（2）一般盾構(gòu)掘進(jìn)速率較為緩慢，控制出碴量的難度較高，這樣很容易導(dǎo)致地表發(fā)生不規(guī)則沉降現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅建筑地基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（3）盾構(gòu)姿態(tài)的控制難度較大，拼裝管片很容易侵入建筑物的限界。

（4）不均衡的油缸油壓將對管片造成損害，導(dǎo)致地鐵隧道區(qū)間發(fā)生滲漏。

2 技術(shù)措施

2.1工程地質(zhì)勘查

整個工程的地質(zhì)及水文資料是否準(zhǔn)確，將直接關(guān)系到整個盾構(gòu)機(jī)選型是否正確，也將直接關(guān)系到整個地鐵工程施工能否成功[1]。如，當(dāng)在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)圍巖條件與地質(zhì)勘測資料出現(xiàn)不吻合情況時，很容易增加盾構(gòu)機(jī)施工難度[2]。因此，需要積極做好軌道交通施工階段的地質(zhì)補(bǔ)充勘察工作，以此來彌補(bǔ)因初步勘察和詳細(xì)勘察過程中由于地形地貌和其他條件受到的限制，從而出現(xiàn)探孔遠(yuǎn)離線路或者是間距過大問題，整個區(qū)間內(nèi)隧道范圍的探孔間距控制在50m以內(nèi)。這樣便需要重點(diǎn)勘察特殊地段及附屬結(jié)構(gòu)處的地質(zhì)情況，以此來保證軌道交通地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性。

在廈門市軌道交通2號線二期工程土建施工監(jiān)理3標(biāo)段進(jìn)行施工前，對地質(zhì)情況進(jìn)行了詳細(xì)補(bǔ)勘，全面了解該標(biāo)段范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，具體如下：（1）軟硬條件不均勻地段的硬巖與開挖面的位置關(guān)系和面積占比，本標(biāo)段軟土的類別和對應(yīng)參數(shù);（2）硬巖侵入整個隧道的高度以及侵入的走勢情況;（3）硬巖出現(xiàn)風(fēng)化時的狀況，裂隙發(fā)育情況和整體性;（4）是否有孤石或者是其他的硬質(zhì)夾雜體存在;（5）在軟硬不均勻地段上方的覆蓋土的類別。

在整個詳細(xì)的補(bǔ)充勘探過程中需充分注意對地質(zhì)情況的判斷，切忌片面重視盾構(gòu)區(qū)間的縱向地層和走勢，還應(yīng)該以橫斷面的地層情況來判斷盾構(gòu)掘進(jìn)范圍的地層情況。

2.2合理選取掘進(jìn)參數(shù)

為了能夠有效避免刀盤發(fā)生較大振動或者是刀具受力過大時產(chǎn)生波動，在進(jìn)行基巖凸起地段及上軟下硬地層的掘進(jìn)過程中應(yīng)避免片面的追求施工進(jìn)度，始終堅(jiān)持以刀具破巖貫入量作為掘進(jìn)速度控制的重要基準(zhǔn)，真正做好刀具的保護(hù)工作。

2.2.1基巖凸起段的掘進(jìn)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在基巖凸起段掘進(jìn)時，其掌子面的自穩(wěn)性較強(qiáng)，所以不容易出現(xiàn)坍塌情況。尤其是在掘進(jìn)時采取半敞開或者是完全敞開模式時，可以盡可能地在掘進(jìn)過程中保持較小的土倉壓力，因此整個掘進(jìn)過程不容易出現(xiàn)地表沉降情況。

（1）掘進(jìn)參數(shù)選擇：

首先，刀盤轉(zhuǎn)速的選擇。由于基巖凸起段的斷面巖石比較硬，這樣當(dāng)盾構(gòu)施工掘進(jìn)中出現(xiàn)滾壓破巖現(xiàn)象時，刀具在受到較大的壓力情況下，為了能夠讓瞬時沖擊力被控制在安全荷載內(nèi)，因此不適合使用較大的刀盤轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行掘進(jìn)。通常在這個過程中需將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.6r/min左右。

其次，土倉壓力的選擇。通常工程硬巖中的掌子面具有較好的自穩(wěn)性時，不需要使用外力來支撐掌子面，所以可以較低的土壓來進(jìn)行掘進(jìn)[3]。其中，上部的土壓可盡量控制在0.01～0.05MPa間，下部土壓則只需要控制在0.07～0.12MPa間。因此，一旦地層的含水量比較大時，便需要將上部的土壓適當(dāng)提高到0.03～0.05MPa間，這樣便能夠?qū)⒌貙铀c開挖倉之間更好的隔離開，有效減少地層水流失情況，從而更好的防止地表發(fā)生沉降[2]。

再次，油缸推理的選擇。在主要配置單刃盤形的滾刀進(jìn)行破巖掘進(jìn)過程中，主要是利用滾刀轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的沖擊力和剪切力，使其產(chǎn)生破巖效果。其中，當(dāng)?shù)侗P的轉(zhuǎn)速被控制在1.5～1.7r/min間時，其每轉(zhuǎn)一圈，刀具的貫入量控制在3～5mm區(qū)間范圍，掘進(jìn)速度在4.5～7.5mm/min之間;當(dāng)扭矩被控制在1800KN·m左右時，油缸的推力則可在14～17MN范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

最后，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇。在進(jìn)行硬巖掘進(jìn)過程中，不僅掘進(jìn)的速度較慢，而且在土倉內(nèi)的碴土量非常少。通常螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)時需控制在6～10r/min間。

（2）掘進(jìn)注意事項(xiàng)：

首先，判斷前方地層硬度時需統(tǒng)籌結(jié)合油缸推力、掘進(jìn)速度和盾構(gòu)機(jī)各個系統(tǒng)的溫度參數(shù)。同時，在進(jìn)行確定碴土石質(zhì)時，應(yīng)該統(tǒng)籌觀察碴土顏色、形狀和溫度，并緊密結(jié)合具體溫度來判斷刀具情況。通過對上述信息進(jìn)行綜合分析，能夠更加準(zhǔn)確的選取掘進(jìn)參數(shù)，讓設(shè)備在正常荷載情況下不受任何損壞。

其次，注重碴土改良。通常需要在硬巖中注入35 L/m的泡沫量，再根據(jù)碴土情況進(jìn)行適量加水。讓刀盤在受到泡沫劑作用下，能夠讓作用于掌子面的扭矩增加，以此減少道具在連續(xù)工作狀態(tài)下的磨損量。

2.2.2上軟下硬地層的掘進(jìn)

在進(jìn)行這種類型的地層施工過程中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行推進(jìn)時，其刀盤切削工作面土體上部的軟地層很容易進(jìn)入到密封的土艙內(nèi)，而下部一些較硬的巖體則不容易出現(xiàn)破碎情況，所以控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)具有較大難度。

首先，合理選擇刀盤轉(zhuǎn)速。在上軟下硬的地層掘進(jìn)過程中，對于軟巖部分則只需要切削掌子面便可達(dá)到破壞土層的情況。但是，當(dāng)遇到一些局部硬度較高的巖石時，當(dāng)硬巖處刀盤的滾刀受力較大時，其局部硬巖便會對刀具的刀盤產(chǎn)生較大損傷。因此，需要適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，刀盤轉(zhuǎn)速建議控制在1.2r/min內(nèi)，這樣刀具在瞬間所受到的沖擊力將會低于安全荷載25t。

其次，土倉壓力的選擇。當(dāng)城市軌道交通工程在軟硬兼有的地質(zhì)情況下施工時，如果只是考慮到對刀盤的保護(hù)，只是單純的按照硬巖方式進(jìn)行掘進(jìn)，便很容易導(dǎo)致超挖或者是地表發(fā)生沉降。因此，在進(jìn)行掘進(jìn)過程中應(yīng)該讓較高的土倉壓力與掌子面壓力保持平衡狀態(tài)，即始終采取全土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)。

再次，選擇油缸推力。在上軟下硬地層中，應(yīng)盡量將刀盤扭矩的最大值控制在2000 kN·m內(nèi)，而掘進(jìn)的速度則需要控制在3～5mm/min，而推力需控制在20MN內(nèi)。但是，上述參數(shù)值需根據(jù)實(shí)際情況再進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以此來滿足短距離基巖凸起段及上軟下硬地層盾構(gòu)法施工技術(shù)要求。同時，還應(yīng)該對刀具勤加檢查并及時更換，保證邊滾刀最大磨損不超過15mm，中心刀最大磨損不超過5mm。

3 結(jié)語

本文以廈門地鐵2號線的施工為例進(jìn)行分析，做好軌道交通施工階段的地質(zhì)補(bǔ)充勘察工作，準(zhǔn)確了解該工程的地質(zhì)條件，合理的進(jìn)行局部硬巖地層掘進(jìn)和上軟下硬地層的掘進(jìn)工作，可保證軌道交通盾構(gòu)區(qū)間工程的施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-08-05

作者簡介：林永奇（1987—），男，福建莆田人，本科，工程師，研究方向：軌道交通工程技術(shù)與管理。