盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越孤石地層掘進(jìn)控制技術(shù)研究

李媛/LI Yuan

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100018）

隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化程度高、施工高效安全的盾構(gòu)法日趨受到現(xiàn)代施工青睞。但盾構(gòu)施工中同樣面臨復(fù)雜多變的地層，如果不及時(shí)采取有效處理措施，勢(shì)必給施工帶來(lái)安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。其中最具有代表性的復(fù)雜地層情況就是孤石群或基巖侵入隧道開(kāi)挖面，雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已開(kāi)展理論分析，并在一些盾構(gòu)隧道中采取了有針對(duì)性設(shè)備和輔助施工方法進(jìn)行預(yù)處理，但在實(shí)際施工過(guò)程中仍存在損壞刀盤結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制等工程危害。

1 工程概況

廈門地鐵3 號(hào)線洪坑站～林前站盾構(gòu)區(qū)間左線長(zhǎng)593.11m，右線長(zhǎng)592.45m，區(qū)間設(shè)置一座聯(lián)絡(luò)通道兼作廢水泵站，區(qū)間隧道采用2 臺(tái)?6 450mm 復(fù)合式土壓盾構(gòu)施工，管片采用通用楔形管片。該區(qū)間隧道設(shè)計(jì)呈“V”字形，從洪坑站盾構(gòu)始發(fā)后以21.754‰的坡度下行至最低點(diǎn)，之后分別以右線24.11‰、左線24.055‰的坡度下坡到達(dá)林前站接收井。

區(qū)間隧道按現(xiàn)狀地面埋深7.5～18.3m，按規(guī)劃地面埋深10.25～13.7m。區(qū)間隧道主要穿越的地層包括：殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖。

2 工程重難點(diǎn)

盾構(gòu)區(qū)間穿越強(qiáng)大度、整體性好、盾構(gòu)難以破碎的孤石區(qū)，導(dǎo)致盾構(gòu)在行進(jìn)過(guò)程中，受瞬間荷載突增變化，造成刀盤損壞變形（圖1）、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制、土體擾動(dòng)引發(fā)地表沉降等問(wèn)題。

圖1 刀具磨損照片

3 盾構(gòu)穿越孤石段掘進(jìn)控制技術(shù)

3.1 洞內(nèi)孤石判別

1）對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，推進(jìn)速度、刀盤扭矩、推力等參數(shù)受土壓變化影響不大，而當(dāng)扭矩波動(dòng)量在±500kNm 以上，推進(jìn)速度在30mm/min 波動(dòng)時(shí)，需要及時(shí)對(duì)所出渣土進(jìn)行取樣分析并結(jié)合地質(zhì)勘探報(bào)告，判斷刀盤前方是否遇到孤石。

2）盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)，滾刀切割巖石聲音一般較均勻，存在較小的其他雜音。當(dāng)部分刀具損壞滾落至艙內(nèi)發(fā)出異響，或盾殼周邊與巖石摩擦發(fā)出間斷性清脆響聲，則要判斷是否是孤石磨損刀具所致。

3）當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)推力大，但扭矩小、速度?。慌ぞ卮?，但速度?。慌ぞ?、速度波動(dòng)較平常明顯，這幾種情況時(shí)，則可能是孤石導(dǎo)致刀具已部分損壞。

4）盾構(gòu)在正常低速均勻掘進(jìn)時(shí)，螺旋機(jī)排出的石渣一般比較均勻，但當(dāng)排出大小不一的碎石時(shí)，則可能是孤石導(dǎo)致部分刀具損壞。

3.2 盾構(gòu)穿越孤石段掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)

對(duì)洪林盾構(gòu)區(qū)間穿越孤石段區(qū)間的刀盤推力、刀盤扭矩、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速和土倉(cāng)壓力掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1）刀盤總推力 盾構(gòu)在孤石段掘進(jìn)過(guò)程中，推力控制難度較大。推力過(guò)小盾構(gòu)無(wú)進(jìn)尺，推力過(guò)大容易造成刀盤扭矩大且盾構(gòu)抖動(dòng)，可以根據(jù)扭矩變化控制刀盤推力。洪林區(qū)間刀盤總推力變化趨勢(shì)曲線如圖2 所示，波動(dòng)范圍大多在900～1 400kN，在此范圍內(nèi)總推力設(shè)定相對(duì)最優(yōu)。

圖2 總推力變化曲線

2）刀盤扭矩 刀盤扭矩的變化主要由孤石大小、硬度和嵌入刀盤的方式?jīng)Q定，從洪林區(qū)間盾構(gòu)刀盤扭矩在圓礫地層中的變化趨勢(shì)曲線（圖3）可以看出，刀盤扭矩整體上呈階段性波動(dòng)，分布在1 100～1 800kNm 居多，在此范圍內(nèi)刀盤扭矩設(shè)定相對(duì)最優(yōu)。同時(shí)當(dāng)發(fā)現(xiàn)扭矩過(guò)大，可以考慮適當(dāng)注入一些防噴涌、降扭矩的聚合物，但不能與膨潤(rùn)土同時(shí)使用，極宜造成土倉(cāng)內(nèi)聚集泥餅。

圖3 刀盤扭矩變化曲線

3）掘進(jìn)速度 盾構(gòu)在孤石段掘進(jìn)，受孤石地層影響，盾構(gòu)不能發(fā)揮其正常功能，各項(xiàng)參數(shù)均可能波動(dòng)頻繁，尤其要嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，從洪林區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)速度變化趨勢(shì)曲線（圖4）得出，推進(jìn)速度大多集中在3～11.7mm/min，在此范圍內(nèi)推進(jìn)速度相對(duì)最優(yōu)。

圖4 推進(jìn)速度變化曲線

4）刀盤轉(zhuǎn)速 孤石的磨損周期直接受刀盤轉(zhuǎn)速影響，刀盤轉(zhuǎn)速越快，扭矩越大會(huì)縮短孤石磨損周期，但滾刀刀刃被崩、刀箱變形，盾體扭轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)又會(huì)增加。從洪林區(qū)間刀盤轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)曲線（圖5）得出，刀盤轉(zhuǎn)速控制在 0.8～1.0r/min 為最佳，但在實(shí)際操作中仍需根據(jù)扭矩變化做出適當(dāng)調(diào)整。

圖5 刀盤轉(zhuǎn)速變化曲線

5）土倉(cāng)壓力 土倉(cāng)壓力的設(shè)定主要依據(jù)地層埋深，為了防止地面沉降，在掘進(jìn)過(guò)程中需做好壓力波動(dòng)的控制。從洪林區(qū)間土倉(cāng)壓力在圓礫地層中的變化趨勢(shì)曲線（圖6）得出，土倉(cāng)壓力整體在0.03～0.54bar 居多，在此范圍內(nèi)設(shè)定土倉(cāng)壓力相對(duì)最優(yōu)，可以減少甚至避免極端值的出現(xiàn)。

圖6 土倉(cāng)壓力變化曲線

4 控制要點(diǎn)

1）盾構(gòu)在穿越孤石段時(shí)，要隨時(shí)關(guān)注各項(xiàng)參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)異常要立即停機(jī)并及時(shí)上報(bào)，待查明原因后方可恢復(fù)掘進(jìn)。

2）盾構(gòu)在穿越孤石段時(shí)，要準(zhǔn)確記錄每環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)并認(rèn)真幫好數(shù)據(jù)分析，如果各項(xiàng)參數(shù)正常可按此參數(shù)繼續(xù)掘進(jìn)直至順利穿越孤石段，如果參數(shù)趨勢(shì)變差，應(yīng)立即停機(jī)檢查刀具，待確認(rèn)不會(huì)發(fā)生刀箱變形、刀盤磨損等后果后再繼續(xù)掘進(jìn)。

3）在具備常壓開(kāi)倉(cāng)的地段，應(yīng)勤開(kāi)倉(cāng)、勤檢查、勤更換刀具，在不具備常壓開(kāi)倉(cāng)的地段，要提前規(guī)劃，做好帶壓開(kāi)倉(cāng)的更換刀具工作。

5 結(jié)論

本文介紹的盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越孤石地層掘進(jìn)控制技術(shù)，對(duì)體積較大、與刀盤接觸面較廣的孤石處理較好，對(duì)于直徑較小、強(qiáng)度不高的孤石也可以參考，但仍需關(guān)注參數(shù)變化并及時(shí)進(jìn)行分析總結(jié)，隨時(shí)做好刀具的檢查和更換工作。O