盾構(gòu)機(jī)在孤石基巖地層中的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)及針對性設(shè)計(jì)選型

張通國

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

盾構(gòu)法隧道是地鐵及部分大城市地下車行通道的首選。盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)法隧道施工中的主要設(shè)備，特別是大直徑盾構(gòu)機(jī)造價(jià)昂貴、制造精密。如何選擇一臺(tái)合適的盾構(gòu)機(jī)，除了成本，另一個(gè)重要因素就是工程地質(zhì)水文等情況。通過對施工線路的詳細(xì)勘察，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)選型階段有針對性地加強(qiáng)、改進(jìn)、增加某些功能，可以有效地減少掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以汕頭蘇埃通道工程海灣隧道為例，探討了在盾構(gòu)機(jī)選型階段，依據(jù)線路存在高強(qiáng)孤石及基巖的實(shí)際情況，采取了針對性的設(shè)計(jì)，期望為今后類似地質(zhì)情況的盾構(gòu)隧道設(shè)備選型提供技術(shù)參考。

1 工程概況

在汕頭市的跨海通道規(guī)劃中，蘇埃通道是其中之一。該通道從汕頭市龍湖區(qū)起始，穿越蘇埃灣海，到達(dá)濠江區(qū)。通道建成以后，將作為連接“一灣兩岸”的全天候通行道路，線路全長6 680m，其中海灣隧道采用明挖+盾構(gòu)法施工，跨海盾構(gòu)段長3 047.5m。

海灣隧道盾構(gòu)段為兩條單洞，內(nèi)徑設(shè)計(jì)為13.3m，外徑設(shè)計(jì)為14.5m，單洞三車道通行。內(nèi)部結(jié)構(gòu)有安全應(yīng)急通道、光纖電纜管廊及排煙通道等。隧道管片尺寸寬2m，厚度為0.6m。隧道斷面由7塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊相鄰塊和1塊封頂塊錯(cuò)縫拼裝而成。管片預(yù)制采用C60混凝土，抗?jié)B等級P12。環(huán)與環(huán)之間采用高強(qiáng)螺栓連接。為加強(qiáng)其防水性能，在管片上安裝兩道三元乙丙彈性密封墊，并且對內(nèi)側(cè)進(jìn)行嵌縫。管片組合及隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 管片組合形式

圖2 隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 沿線孤石及基巖分布

2.1 孤石分布情況

始發(fā)端頭段隧道頂部地層以淤泥、粉細(xì)砂為主，洞身掘進(jìn)段以淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、全風(fēng)化花崗巖為主，隧道底部地層以全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖為主，局部地層夾有孤石。在始發(fā)端頭三軸攪拌加固中受孤石、基巖的影響，大部分樁體未能達(dá)到設(shè)計(jì)深度，受到影響嚴(yán)重的幾組僅加固至隧道頂部以下4m。為探明孤石的具體位置，在始發(fā)端頭采用了3m×3m間距鉆孔，遇巖后外擴(kuò)1.5m，結(jié)果東線發(fā)現(xiàn)3塊孤石，西線發(fā)現(xiàn)4塊孤石和1段基巖。巖石單軸抗壓強(qiáng)度110MPa，RQD值為60%左右。通過繪制坐標(biāo)圖，將孤石同隧道斷面的位置關(guān)系進(jìn)行了對比，部分孤石位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 部分孤石與隧道斷面位置的關(guān)系

2.2 基巖分布情況

地質(zhì)詳勘報(bào)告顯示，隧道東、西線在海運(yùn)主航道下均存在3段基巖突起：東線第一段基巖突起侵入東線隧道長66m、最大高度6.07m，巖芯強(qiáng)度104MPa；第二段基巖突起侵入東線隧道長60m、最大高度4.65m，巖芯強(qiáng)度128MPa；第三段基巖突起侵入東線隧道長36m、最大高度2.98m，巖芯強(qiáng)度81MPa。西線第一段基巖突起侵入西線隧道長37m、最大高度6.07m，巖芯強(qiáng)度122MPa；第二段基巖突起侵入西線隧道長71m、最大高度4.62m，巖芯強(qiáng)度114MPa；第三段基巖突起侵入西線隧道長45m、最大高度2.9m，巖芯強(qiáng)度81.2MPa。通過繪制坐標(biāo)圖，將基巖與隧道線路的位置關(guān)系進(jìn)行了對比，東、西線基巖與隧道線路位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 東、西線基巖與隧道位置的關(guān)系

3 孤石基巖地層掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)分析

孤石和基巖對盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)會(huì)造成較大的影響，甚至成為隧道能否安全貫通的重要因素之一，施工風(fēng)險(xiǎn)高，難度大。主要風(fēng)險(xiǎn)有：

(1)刀盤、刀具的損壞。通過鉆孔抽芯，對芯樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)可知，孤石的強(qiáng)度高達(dá)110MPa，并且對比地質(zhì)詳勘報(bào)告發(fā)現(xiàn)，孤石分布范圍廣，這對刀具的破巖能力提出了很高的要求，在孤石區(qū)掘進(jìn)易造成刀盤、刀具磨損加快，甚至出現(xiàn)非正常損壞。若孤石周圍土體較軟，土體不能限制孤石的位移，則孤石會(huì)隨著刀盤移動(dòng)，造成刀具不能夠有效破巖，長時(shí)間也會(huì)損壞刀盤、刀具。

(2)由于東、西線均存在三段強(qiáng)度高達(dá)128MPa的基巖凸起，在該地層中掘進(jìn)除了會(huì)造成上述第一條風(fēng)險(xiǎn)外，基巖凸起段“上軟下硬”，軟硬不均的地層構(gòu)造會(huì)直接導(dǎo)致刀盤受力不均，主軸承易受損及密封有效性降低。

(3)孤石或基巖破除后，碎石大小不一，在通過刀盤底部格柵進(jìn)入泥漿管路時(shí)，若碎石粒徑大于格柵開口尺寸，則易造成泥漿滯排、堵倉。

(4)盾構(gòu)機(jī)破巖需要較大的反力。在始發(fā)階段，盾構(gòu)機(jī)的反力來自于反力架，高強(qiáng)度的巖石對反力架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，因此，整個(gè)反力架的設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量需進(jìn)行重點(diǎn)控制。

(5)掌子面切削的土體及碎石需進(jìn)入泥漿循壞系統(tǒng)，為能順利出渣需要較大的壓力和流量。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的前期，主機(jī)還未完全進(jìn)入土體，洞門的密封性是控制的關(guān)鍵，若洞門密封性較差，泥水倉的壓力達(dá)不到要求，導(dǎo)致泥漿攜渣能力差，也同樣會(huì)造成泥漿滯排、堵倉。

4 盾構(gòu)機(jī)針對性設(shè)計(jì)選型

汕頭蘇埃通道工程海灣隧道建設(shè)初期，根據(jù)地質(zhì)勘察情況，基本掌握了隧道線路范圍內(nèi)孤石及基巖的分布及強(qiáng)度，因此，在盾構(gòu)機(jī)選型及設(shè)計(jì)建造過程中，增加和改進(jìn)了多項(xiàng)裝置和功能。

4.1 刀盤常壓換刀裝置

每種設(shè)備都有易損部件，盾構(gòu)機(jī)刀具作為直接同地層接觸的零件，受地層結(jié)構(gòu)的影響較大。在孤石及基巖中掘進(jìn)，其刀具磨損量大、損壞頻繁，需經(jīng)常進(jìn)行更換。以往盾構(gòu)刀具的更換需由專業(yè)人員進(jìn)入開挖倉，為保證掌子面穩(wěn)定和人員安全，開挖倉往往是帶壓狀態(tài)。帶壓進(jìn)倉作業(yè)對換刀人員的技術(shù)要求高、施工風(fēng)險(xiǎn)大，倉內(nèi)的換刀時(shí)間有限，效率不高，對人員的健康也不利。常壓換刀技術(shù)體系經(jīng)過近年來的研究和探索已逐漸成熟。本項(xiàng)目根據(jù)地層地質(zhì)特點(diǎn)，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)階段采用常壓刀盤，刮刀、滾刀刀具更換作業(yè)可在常壓環(huán)境下進(jìn)行，確保每個(gè)軌距均能實(shí)現(xiàn)刀具常壓更換，降低進(jìn)倉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高刀具更換效率及人員安全性。常壓換刀裝置如圖5所示。

圖5 常壓換刀裝置

4.2 刀盤刀具材料加強(qiáng)及磨損檢測

在孤石和基巖中掘進(jìn)，刀盤和刀具易受到磨損，如能夠減少磨損并及時(shí)掌握磨損程度及時(shí)換刀，可以有效地保證盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)行。因此，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)選型階段針對該情況進(jìn)行材料加強(qiáng)和磨損檢測尤為重要。針對孤石和基巖，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)選型階段在刀盤前面板和后面板采用了耐磨復(fù)合鋼板并且增加液壓式磨損檢測帶外圈梁，每把滾刀設(shè)置了油壓式磨損檢測和旋轉(zhuǎn)檢測并配套傳感器，使技術(shù)人員可以及時(shí)掌握刀盤刀具的運(yùn)行情況。刀盤材料及磨損檢測如圖6所示，刀具磨損檢測及旋轉(zhuǎn)檢測如圖7所示。

圖6 刀盤材料及磨損檢測

圖7 刀具磨損檢測及旋轉(zhuǎn)檢測

4.3 伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)

主驅(qū)動(dòng)伸縮擺動(dòng)式功能可提高主驅(qū)動(dòng)的可靠性和在存在孤石的地質(zhì)中掘進(jìn)的適應(yīng)性。在更換刀具時(shí)，擺動(dòng)刀盤可使?jié)L刀與開挖面分離，方便刀具的更換。在基巖突起段可利用伸縮缸回收更換正面刀具，同時(shí)利用伸縮擺動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)超挖，便于更換最外軌跡刀具。對含有基巖“上軟下硬”的地層掘進(jìn)姿態(tài)控制有利。伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

4.4 預(yù)留穿梭口設(shè)計(jì)

由于在孤石基巖地層中掘進(jìn)的復(fù)雜性，極端情況下可能涉及到帶壓進(jìn)倉作業(yè)，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)選型時(shí)預(yù)留了飽和潛水帶壓作業(yè)所需的穿梭艙接口。在刀盤前方出現(xiàn)異常情況如孤石卡刀盤、刀盤結(jié)泥餅等，必要時(shí)可進(jìn)行帶壓進(jìn)倉或飽和潛水帶壓進(jìn)倉處理。

4.5 鄂式高強(qiáng)度巖石破碎設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)⒏邚?qiáng)度巖石破碎，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)階段，在氣墊倉的底部安裝鍔式破碎機(jī)，采用液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，破碎機(jī)工作模式可設(shè)定進(jìn)行破碎和攪拌，可靠性較高。破碎粒徑最大1 200mm，破巖強(qiáng)度最大可達(dá)300MPa，可對大塊巖石進(jìn)行破碎，預(yù)防氣墊倉底部發(fā)生堵塞。同時(shí)，為防止破碎機(jī)在開閉過程中引起堵塞，破碎機(jī)在關(guān)閉狀態(tài)下也充分考慮了相應(yīng)的過流面積，保證排漿通暢，降低堵塞的概率。顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)

4.6 三維地震波超前探測裝置

圖10 超前探測

超前探測裝置給予了盾構(gòu)機(jī)超前探知前方地質(zhì)情況的能力，通過三維成像，直觀地展示給技術(shù)人員。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過震源在隧道管片激發(fā)產(chǎn)生聲波信號，聲波信號可在隧道地層中傳播，當(dāng)遇到地質(zhì)情況不同或者突變時(shí)，波阻抗會(huì)出現(xiàn)差異，在隧道管片上有高靈敏傳感器，反射的聲波信號被接收，通過進(jìn)一步處理分析，形成三維模擬圖像，反映隧道掘進(jìn)前方的地質(zhì)情況，并對基巖、軟弱帶、破碎帶、斷層、空洞等地質(zhì)體的位置和規(guī)模進(jìn)行判斷。超前探測如圖10所示。

5 結(jié)語

(1)盾構(gòu)機(jī)在孤石基巖不良地層中掘進(jìn)面臨著技術(shù)難度大和未知風(fēng)險(xiǎn)高的實(shí)際情況，在具備預(yù)處理的條件下可采用鉆孔、爆破等方法在掘進(jìn)前將巖石進(jìn)行預(yù)處理。當(dāng)預(yù)處理?xiàng)l件不具備，采用盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)對掘進(jìn)過程中可能出現(xiàn)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)選型階段對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行針對性的改進(jìn)。

(2)對孤石基巖的分布必須進(jìn)行詳細(xì)勘察，對采集的巖石樣品進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)以收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，同時(shí)，應(yīng)繪制孤石基巖同隧道斷面及線路的位置關(guān)系，這些數(shù)據(jù)是盾構(gòu)機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)選型的重要依據(jù)。

(3)在蘇埃通道工程海灣盾構(gòu)隧道孤石基巖段掘進(jìn)中，刀盤常壓換刀裝置、刀盤刀具材料改進(jìn)及磨損檢測、伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)、預(yù)留穿梭口設(shè)計(jì)、鄂式高強(qiáng)度巖石破碎設(shè)計(jì)、三維地震波超前探測裝置等發(fā)揮了重要的作用，配合掘進(jìn)參數(shù)控制等措施，安全順利攻克了孤石及三段基巖，為今后同類型地質(zhì)條件隧道盾構(gòu)機(jī)的選型設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。