復(fù)合地層大斷面矩形頂管下穿高鐵線路關(guān)鍵技術(shù)

張新偉，陳福濤

（廈門廈工中鐵重型機(jī)械有限公司，福建 廈門 361023）

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)與發(fā)展，頂管法[1-2]在城市地下空間項(xiàng)目的工程建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。頂管法通過工作井將掘進(jìn)機(jī)和管節(jié)吊裝安放，借助主頂油缸及中繼間等設(shè)備，頂推掘進(jìn)機(jī)切削地層并埋設(shè)管節(jié)。渣土經(jīng)排渣系統(tǒng)排出，掘進(jìn)機(jī)至接收井后吊出。作為一類主要的非開挖施工技術(shù)，頂管法以其安全、高效、經(jīng)濟(jì)、簡便和環(huán)保等優(yōu)勢在綜合管廊、地下通道、地下車庫等城市地下空間項(xiàng)目建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

矩形頂管[3-4]相比圓形頂管具有更高的開挖斷面利用率、更好的淺覆地層適應(yīng)性，在城市地下空間開發(fā)建設(shè)中最為經(jīng)濟(jì)。近年來，大斷面矩形頂管在工程中的應(yīng)用日趨頻繁[5-10]。

目前，國內(nèi)外制造的矩形頂管機(jī)適用于單一地層，主要適用于淤泥、黏土、粉土及沙土等軟土地層。此外，近年來進(jìn)一步探索了矩形頂管機(jī)在（富水）砂卵石地層中的適應(yīng)性并做了針對性的改進(jìn)。然而，隨著地下空間發(fā)展的逐步深入，頂管施工過程中復(fù)合地層情況日益增多，針對上述地層矩形頂管機(jī)的研究鮮有涉及。特別是花崗巖復(fù)合地層，在我國東南沿海地區(qū)廣泛分布，常見基巖突起、球狀孤石等工程地質(zhì)難題。當(dāng)頂管處于軟硬不均的復(fù)合地層時(shí)，由于地層的物理力學(xué)性質(zhì)差異大，不僅直接影響頂管的掘進(jìn)效率，乃至刀盤卡死，甚至開挖面變形過大失穩(wěn)，導(dǎo)致地表沉陷、坍塌等惡性事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失、慘重的人員傷亡和惡劣的社會影響。上述問題給復(fù)合地層大斷面矩形頂管的研究帶來了挑戰(zhàn)。

本文依托擬建東南沿海某火車站南北廣場東西側(cè)地下通道涉鐵工程，對在復(fù)合地層中頂推的大斷面矩形頂管的開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，解決其在基巖突起條件下面臨的全斷面硬巖開挖的適應(yīng)性難題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的盲區(qū)輔助開挖系統(tǒng)和措施，為該類設(shè)備在東南沿海等地花崗巖復(fù)合地層中推廣應(yīng)用提供一定的參考。

1 工程概況

擬建的某火車站南北廣場東西側(cè)地下通道涉鐵工程，下穿在建福廈高鐵、既有杭深鐵路。如圖1 所示。

圖1 下穿莆田火車站通道效果圖

地下通道施工斷面為12.62m×7.67m；東側(cè)通道頂管段長約212m、西側(cè)通道頂管段長約260m；覆土厚度約4.2m，根據(jù)原始地勘資料，頂管機(jī)穿越地層以少量粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖為主，如圖2 所示。局部在始發(fā)井段（東側(cè)通道，圖2a）及接收段（西側(cè)通道，圖2b）有侵入盾構(gòu)掘進(jìn)斷面范圍約0.5～3.5m 高的中風(fēng)化花崗巖，此部分巖體地勘飽和抗壓強(qiáng)度為74.42MPa。掘進(jìn)范圍內(nèi)經(jīng)物探可能存在孤石，天然抗壓強(qiáng)度為100MPa。

圖2 頂管通道地質(zhì)縱剖面示意圖

為加固東側(cè)既有杭深線，施工了人工挖孔樁（深8.2～14.7m），實(shí)探地質(zhì)情況與原地勘資料差異較大（圖3）：東側(cè)頂管左線基巖侵入情況較右側(cè)明顯；部分區(qū)域存在孤石或回填塊石。東側(cè)頂管左右線均有微風(fēng)化花崗巖侵入，以底部侵入為主；左右線頂管掘進(jìn)區(qū)域上部有回填塊石或孤石；右線基巖侵入至底板上；左線最高侵入至管片結(jié)構(gòu)上6.7m。

圖3 東側(cè)左線基巖突起

地下通道下穿既有和新建高鐵線路，若采用明挖法施工對高鐵線路造成極大影響，無法完成，故采用矩形頂管法施工。同時(shí)，地表為高速鐵路，路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為-30mm～+10mm；軌道已采用D 型便梁加固，軌道控制值為水平5mm、豎向5mm。復(fù)雜的穿越地層環(huán)境及嚴(yán)格的高速鐵路安全防護(hù)管理辦法，帶來了極高的沉降控制要求，給大斷面矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)帶來諸多難題。

1）頂推姿態(tài)控制難 通道范圍地層由上向下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖——典型的上軟下硬地層。施工過程中要加強(qiáng)設(shè)備姿態(tài)和頂進(jìn)軸線監(jiān)測，并配備主動(dòng)鉸接及時(shí)進(jìn)行姿態(tài)糾偏。

2）開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)難 根據(jù)地質(zhì)勘探資料，下部主要有全風(fēng)化花崗巖，侵入中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖，隧道內(nèi)有存在孤石的可能，天然抗壓強(qiáng)度為100MPa。刀盤設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮下部侵入隧道的中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖開挖，以保證掘進(jìn)效率。

2 下穿高鐵復(fù)合地層開挖形式

2.1 矩形斷面開挖形式與選型

2.1.1 刀盤選型

相較圓形斷面的單刀盤回轉(zhuǎn)開挖，矩形斷面開挖更為復(fù)雜。目前，矩形頂管機(jī)一般采用多刀盤聯(lián)合開挖，刀盤布置方式主要有偏心多軸式擺動(dòng)刀盤、組合式旋轉(zhuǎn)刀盤、仿形刀盤以及OHM工法刀盤等形式[11]。在矩形頂管機(jī)的刀盤選型時(shí)，需根據(jù)上述刀盤各自優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合開挖地層的工程地質(zhì)特點(diǎn)和沉降控制要求，進(jìn)行綜合考慮。

1）偏心多軸式擺動(dòng)刀盤不存在切削盲區(qū)，所需驅(qū)動(dòng)扭矩下，刀具磨損均勻；然而刀具反力無法抵消，傳遞至盾體，易擾動(dòng)周邊土體、導(dǎo)致開挖沉降量超標(biāo)；另外攪拌棒范圍有限，土體改良效果難以確定。

2）組合式旋轉(zhuǎn)刀盤驅(qū)動(dòng)方式簡單可靠，切削反力可以相互抵消，周邊土體擾動(dòng)小，開挖沉降易控制；但無論圓形刀盤如何組合，都存在部分盲區(qū)。

3）仿形刀盤以及OHM 工法刀盤結(jié)構(gòu)對稱，對土體擾動(dòng)??；但傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，長距離掘進(jìn)的可靠性難以保障。此外，國內(nèi)尚未見應(yīng)用。

考慮該項(xiàng)目下穿既有及在建高鐵線路，對地面沉降控制要求高；東西側(cè)長度均超過200m，為長距離頂管，故采用組合式旋轉(zhuǎn)刀盤：土體擾動(dòng)小，地面沉降易控制；渣土攪拌充分，土體改良可實(shí)施；結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，成本也相對較低。

2.1.2 刀盤設(shè)計(jì)

如圖4 所示，整個(gè)開挖系統(tǒng)采用3 個(gè)前刀盤和4 個(gè)后刀盤的設(shè)計(jì)，開挖盲區(qū)部分采用滾筒開挖進(jìn)行輔助，開挖率可達(dá)到100%。系統(tǒng)采用泥水出渣，自動(dòng)控制進(jìn)排漿量，壓力平衡控制精度好，對前方掌子面和周圍土體的擾動(dòng)較小，易于地面沉降的控制。

圖4 刀盤布置形式

1）刀盤布置 7 個(gè)輻條式刀盤采用“品”字形布置，相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉。刀盤與主軸通過漸開線花鍵聯(lián)接，電機(jī)提供的扭矩通過減速機(jī)、小齒輪、大齒輪傳遞給刀盤。刀盤速度可調(diào)，能實(shí)現(xiàn)雙向無級調(diào)速。每個(gè)輻條式刀盤結(jié)構(gòu)主要由4 個(gè)主刀梁組成，后面板、側(cè)面板和連接鋼管上焊有耐磨層，保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)件。刀盤背面有主動(dòng)攪拌棒，對土倉內(nèi)渣土進(jìn)行攪拌。刀盤中心為魚尾刀，正面配置滾刀、撕裂刀和切刀矩形頂管機(jī)的刀盤在軟土中，一般配置有切刀和中心魚尾刀。

2）刀盤擴(kuò)挖設(shè)計(jì) 考慮下部普遍存在中風(fēng)化花崗巖地層，下部刀盤增加滾刀、撕裂刀，增加刀盤的適應(yīng)能力，并進(jìn)行超挖設(shè)計(jì)。在充分考慮設(shè)備和覆土厚度影響后，確定刀盤超挖范圍。一般刀盤可比盾體外輪廓單邊大15mm，確保不會因地層影響設(shè)備推進(jìn)。

3）盲區(qū)增加滾筒設(shè)計(jì) 矩形頂管多刀盤設(shè)計(jì)存在開挖盲區(qū)，針對基巖凸起，盲區(qū)基巖處理不及時(shí)會造成設(shè)備頂推力過大，有趴窩的風(fēng)險(xiǎn)。針對矩形頂管多刀盤布置存在盲區(qū)的問題，在盲區(qū)部分設(shè)置滾筒處理盲區(qū)，可實(shí)現(xiàn)全斷面開挖。

2.2 盲區(qū)輔助開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對矩形頂管多刀盤布置存在盲區(qū)的問題，若開挖地層中盲區(qū)為較軟巖組成，可在設(shè)備開挖盲區(qū)增設(shè)一定的輔助開挖裝置，以在盲區(qū)預(yù)處理不便時(shí)，完成上軟下硬地層的隧道全斷面開挖。

盲區(qū)輔助開挖裝置可采用的方案有滾筒銑削裝置、擺動(dòng)銑挖頭、鉆機(jī)直接開挖等。

2.2.1 滾筒切削裝置

滾筒切削在矩形頂管機(jī)軟土隧道已經(jīng)有過應(yīng)用，并進(jìn)行了相關(guān)硬巖地層的試驗(yàn)研究[12]，三前四后的旋轉(zhuǎn)組合刀盤作為矩形掘進(jìn)機(jī)開挖系統(tǒng)的主切削，承擔(dān)掌子面約90%以上的開挖。盲區(qū)位置布設(shè)銑削滾筒，作為開挖系統(tǒng)的輔助切削。主切削和輔助切削相互配合，分步開挖土體。滾筒切削裝置通過螺栓固定在經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化的隔板上。

根據(jù)巖石強(qiáng)度、掘進(jìn)距離、盲區(qū)范圍大小等工程條件的不同，銑削滾筒可布置螺旋狀分步的刮刀、滾刀；也可滾刀和刮刀進(jìn)行交錯(cuò)布置，螺旋狀分步的刮刀具有強(qiáng)制性的泥漿攪拌和渣土排出。若巖層強(qiáng)度較高，采用滾刀擠壓式破巖方式。

2.2.2 盲區(qū)開挖裝置

懸臂掘進(jìn)機(jī)上根據(jù)地層特點(diǎn)采用的有橫軸銑挖頭和縱軸銑挖頭，在煤礦開挖和礦山法隧道修建中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用[13]。

考慮巖石強(qiáng)度較高的復(fù)合地層中，兼顧土層段的高效率和巖石段的掘得動(dòng)，盲區(qū)開挖裝置也可考慮采用帶有螺旋擺臂結(jié)構(gòu)的銑挖頭替換滾筒裝置。盲區(qū)開挖裝置采用滾筒裝置。

擺動(dòng)銑挖頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高是后部擺臂和擺臂軌道，主要承受銑挖頭擺動(dòng)的反力，及銑滾頭滾轉(zhuǎn)的反扭矩?？紤]后部擺臂結(jié)構(gòu)相對緊湊，擺臂結(jié)構(gòu)采用Q690 鋼材。擺動(dòng)銑挖頭主要有銑削球頭、前部擺臂、后部擺臂、球鉸、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、擺動(dòng)油缸、傳動(dòng)軸、擺臂軌道等組成。銑削球頭布置截齒進(jìn)行切削，單個(gè)滾筒可布置?38 的截齒數(shù)量約為48 個(gè)。

3 盲區(qū)基巖處理措施

3.1 盲區(qū)基巖與掘進(jìn)斷面關(guān)系

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，結(jié)合矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的開挖斷面，東側(cè)通道、西側(cè)通道均有基巖侵入矩形頂管開挖輪廓線。由于中、微風(fēng)化花崗巖圍巖強(qiáng)度高，矩形頂管刀盤切削困難，難以推進(jìn)，因此需對開挖盲區(qū)內(nèi)的中風(fēng)化-微風(fēng)化花崗巖進(jìn)行完全置換處理。

分析上述資料，以西側(cè)通道為例，左線隧道基巖侵入開挖輪廓線的區(qū)域縱向長28m，斷面高4.5m，如圖5（a）所示。右線隧道基巖侵入開挖輪廓線的區(qū)域縱向長24m，斷面高大于7.6m，如圖5（b）所示。其中，陰影部分所示為基巖侵入范圍，黑色圓圈為待完全置換處理的頂管刀盤盲區(qū)。

圖5 西側(cè)通道基巖處理方案示意圖

3.2 基巖處理方案

圓形硬巖頂管機(jī)常應(yīng)用于掘進(jìn)高強(qiáng)度、完整性好的圍巖，設(shè)備掘進(jìn)效率高，開挖輪廓線光滑。掘進(jìn)完成后，輔助拖拉設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)后管節(jié)和設(shè)備主機(jī)的回退。

為實(shí)現(xiàn)矩形頂管機(jī)掘進(jìn)輪廓線內(nèi)盲區(qū)基巖的完全置換，采用圓形硬巖頂管機(jī)多次頂進(jìn)+回退的基巖處理方案，回退后將開挖區(qū)回填硬塑性水泥土。

1）左側(cè)隧道接收端基巖處理方案 左側(cè)隧道接收端基巖侵矩形頂管開挖輪廓線高4.5m，縱向長28m，涉及開挖盲區(qū)4 個(gè)。硬巖頂管直徑為2 480mm，需4 次頂進(jìn)、回退可完成上述盲區(qū)基巖的置換，并對切削區(qū)進(jìn)行回填。硬巖頂管基巖處理方案設(shè)計(jì)如圖5（a）所示。

2）右側(cè)隧道接收端基巖處理方案 右側(cè)隧道接收端基巖在高度上覆蓋矩形頂管開挖輪廓線，縱向長24m，涉及開挖盲區(qū)7 個(gè)。硬巖頂管直徑為2 480mm，需8 次頂進(jìn)、回退可完成上述盲區(qū)基巖的置換，并對切削區(qū)進(jìn)行回填。硬巖頂管基巖處理方案設(shè)計(jì)如圖5（b）所示。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目下穿在建福廈高鐵、既有杭深鐵路，對下穿開挖地面沉降控制要求極高。本文為解決大斷面矩形頂管機(jī)開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題，開展相關(guān)研究，得到以下主要結(jié)論。

1）本文首先基于工程地質(zhì)條件和沉降控制要求分析，進(jìn)行了刀盤選型。采用組合式旋轉(zhuǎn)刀盤，3 個(gè)前刀盤和4 個(gè)后刀盤的設(shè)計(jì)，開挖盲區(qū)部分采用滾筒開挖進(jìn)行輔助，開挖率可達(dá)到100%。

2）其次開展盲區(qū)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。銑削滾筒根據(jù)巖石強(qiáng)度、掘進(jìn)距離、盲區(qū)范圍大小等工程條件的不同選取刀具和破巖模式。

3）最后根據(jù)鉆孔揭示的極硬微風(fēng)化花崗巖基巖突起，制定了采用硬巖頂管機(jī)的盲區(qū)基巖處理方案。

開挖系統(tǒng)的研制解決了花崗巖差異風(fēng)化的復(fù)合地層條件下，大斷面矩形頂管機(jī)開挖系統(tǒng)的適應(yīng)性難題。對類似復(fù)合地層下穿高鐵通道的建設(shè)具有重要意義。