海底隧道極軟極硬復(fù)合地層超大直徑盾構(gòu)掘進方法研究
——以汕頭海灣隧道工程為例

王國安， 王超峰， 陳 橋， 張文新

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進時，存在刀具磨損嚴重需頻繁換刀、掘進參數(shù)變化頻繁、掘進姿態(tài)難以控制等難題，尤其是水下隧道遇到基巖凸起地層時，采用盾構(gòu)法施工技術(shù)難度大、風(fēng)險高[1]。在對基巖凸起地層的處理研究方面，文獻[2]和文獻[3]結(jié)合臺山核電站取水隧洞總結(jié)了水下隧道盾構(gòu)法施工中遇到特殊地層(基巖凸起地層、孤石地層、卵礫石地層)時的處理方法，認為可采用水下爆破法和沖擊鉆沖孔2種方法處理基巖凸起和孤石。文獻[4]分析了深孔爆破預(yù)破碎方案對盾構(gòu)施工帶來的次生危害，認為以盾構(gòu)裝備技術(shù)發(fā)展實現(xiàn)軟硬不均地層中順利掘進而不再進行預(yù)處理，符合技術(shù)發(fā)展規(guī)律與社會環(huán)境要求。

國內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)通過軟硬不均地層方面的研究多集中在地鐵盾構(gòu)，工程技術(shù)人員總結(jié)了地鐵小直徑盾構(gòu)在軟硬不均地層施工中的難題及解決措施[5-10]。在水下超大直徑泥水盾構(gòu)通過軟硬不均地層方面，文獻[11]主要結(jié)合南京緯三路過江通道工程，研究超大直徑泥水盾構(gòu)在淺覆土、軟硬不均地層等復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工技術(shù)，在軟硬不均地層盾構(gòu)掘進模擬的基礎(chǔ)上綜合分析過江通道的地表沉降、襯砌管片變形與支護結(jié)構(gòu)受力情況。文獻[12]對馬騮洲交通隧道工程軟硬不均基巖段的工程處理措施進行總結(jié)，認為對于水下隧道基巖凸起地層，采用水下爆破和地層加固等預(yù)處理方式可行，有利于超大直徑泥水盾構(gòu)如期完工。

盡管國內(nèi)研究人員圍繞盾構(gòu)在軟硬不均地層施工的難題做了大量研究，但是仍然存在以下問題： 1)國內(nèi)關(guān)于軟硬不均地層盾構(gòu)施工的研究多側(cè)重于地鐵盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗的總結(jié)，水下隧道超大直徑(開挖直徑達到15 m級)盾構(gòu)直接掘進通過極軟極硬地層的案例較少。2)在軟硬不均地層的處理方式上，較為成熟的是對基巖凸起段進行爆破和加固處理，然后盾構(gòu)再掘進通過。而目前利用盾構(gòu)裝備技術(shù)的進步，不對基巖凸起地層進行預(yù)處理，采用盾構(gòu)直接掘進通過的方法在國內(nèi)尚未實踐。本文結(jié)合汕頭海灣隧道超大直徑泥水盾構(gòu)，針對極軟極硬復(fù)合地層，從掘進工法選擇、掘進參數(shù)控制和刀具管理等方面進行研究探索。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

汕頭海灣隧道工程采用2臺15 m級的超大直徑泥水盾構(gòu)施工，盾構(gòu)施工段穿越的地層有： 填筑土、淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、粉質(zhì)黏土、礫砂、砂質(zhì)黏性土，微弱中全風(fēng)化花崗巖等，工程地質(zhì)縱斷面如圖1所示。3段高強度花崗巖基巖凸起地層均在海域主航道下方，累計長度為182 m。基巖凸起段地質(zhì)縱斷面如圖2所示?；鶐r凸起段巖性以中微風(fēng)化花崗巖為主，巖石質(zhì)量指標RQD為55%～78%，飽和單軸抗壓強度為41.7～214.0 MPa，抗拉強度為2.02～9.35 MPa，侵入隧道最高達8.4 m。基巖凸起段上部為極軟的淤泥地層，標準貫入度錘擊數(shù)N為1～2擊，地基承載力為50～60 kPa，地層上下軟硬差異十分大，為典型的兩極(極軟極硬)復(fù)合地層。

圖1 工程地質(zhì)縱斷面圖(單位： m)

1.2 盾構(gòu)針對性設(shè)計

汕頭海灣隧道東、西線均采用15 m級超大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu)。刀盤為6主梁+6輔梁形式的常壓刀盤，如圖3所示。刀盤開口率為27%～28%，配置有可常壓更換滾刀78把(東線75把)、可常壓更換切刀48把、普通切刀154把，具備刀盤面板耐磨、刀具旋轉(zhuǎn)監(jiān)測、刀具溫度監(jiān)測、主軸承收縮擺動等功能，可應(yīng)對多種復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境風(fēng)險。

為滿足破巖需要，破巖刀具配置全盤高強滾刀，刀刃厚22 mm，刀圈硬度按照55～58 HRC從內(nèi)到外梯度分布，啟動轉(zhuǎn)矩為28～30 N·m，按照區(qū)域劃分為中心滾刀、正滾刀、邊滾刀。其中，正滾刀刀間距按80、90、100 mm間隔設(shè)置，刀具直徑48.26 cm(19英寸)，單把滾刀最大工作荷載可達315 kN，加強了刀具破巖能力。滾刀刀刃軌跡如圖4所示。

圖2 基巖凸起段地質(zhì)縱斷面圖(單位： m)

(a) 東線盾構(gòu)刀盤

(b) 西線盾構(gòu)刀盤

2 盾構(gòu)掘進施工方案對比分析

汕頭海灣隧道基巖凸起段與主航道位置關(guān)系如圖5所示。針對施工難題，選取了2種掘進方案進行對比分析。

2.1 水下爆破+地層加固

采用常規(guī)的水下爆破+地層加固方案，其優(yōu)勢在于: 1)可避免泥水盾構(gòu)直接通過高強度基巖凸起段時可能引起的設(shè)備損壞風(fēng)險； 2)有類似工程如珠海馬騮洲水下隧道、臺山核電水下引水隧洞等實施過水下爆破，工程經(jīng)驗可供借鑒。但也存在如下劣勢： 1)爆破、注漿加固均需要間歇性封航，影響航道正常使用。航道周邊軍用、民用設(shè)施眾多，涉及面廣，組織協(xié)調(diào)難度極大。2)預(yù)處理作業(yè)易受天氣影響，施工進度難以保證。3)由于地質(zhì)勘察難以準確描述基巖實際分布形態(tài)，基巖爆破后巖渣的粒徑大小、分布方式無法準確控制，將給后續(xù)盾構(gòu)掘進留下隱患。4)雖然可以對爆破后的破碎巖體和軟土地層進行加固，但無法改變基巖凸起段上軟下硬的地層特性，巖體完整性遭到破壞，形成基巖破碎體，存在較大粒徑巖塊卡在刀盤開口處或刮刀損壞的風(fēng)險。若較大粒徑巖塊卡在刀盤開口處或刮刀損壞，則需帶壓進艙作業(yè)，將增加施工風(fēng)險、成本，降低施工進度。

2.2 直接掘進

采用直接掘進的方式，其主要優(yōu)勢在于可規(guī)避常規(guī)水下爆破+地層加固方案的缺點。但也存在如下技術(shù)難題需要解決： 1)刀間距100 mm條件下，相鄰滾刀如何能夠順利破碎高強度花崗巖而不在掌子面上留下巖脊； 2)如何選用合適的貫入度，避免滾刀過載，減少滾刀損壞量，降低換刀頻率。

3 軟硬不均地層滾刀破巖試驗

3.1 不同刀間距下滾刀破巖效果

將在蘇埃通道現(xiàn)場采集的花崗巖與水泥砂漿按照1∶1比例制作成φ1 000 mm的巖樣，以模擬現(xiàn)場基巖凸起地層。試驗巖樣及上軟下硬地層模擬實物如圖6所示。

圖4 滾刀刀刃軌跡圖(單位： mm)

滾刀間距分別為90、100、120 mm時滾刀破巖效果如圖7所示。觀察試驗前后巖樣破碎區(qū)表面可以發(fā)現(xiàn)： 1)在刀間距為90、100、120 mm時，滾刀均能有效破巖，巖樣表面無巖脊； 2)不同刀間距下，盡管掘進參數(shù)有所不同，但是滾刀軌跡之間的巖石均能被破碎且破碎區(qū)貫通。

圖5 汕頭海灣隧道基巖凸起段與主航道位置關(guān)系圖

(a) 現(xiàn)場花崗巖

(b) 制作的軟硬不均地層

3.2 不同類型滾刀破巖效果

采用平刃和鑲齒2種類型的48.26 cm(19英寸)雙軸雙刃盤形滾刀(見圖8)開展試驗，對比分析2種類型滾刀的破巖效果。每次試驗時安裝2把同類型的滾刀。

采用力控制方式，將載荷目標值設(shè)置為600 kN(單把刀約300 kN)，巖箱轉(zhuǎn)速為1 r/min，刀間距為100 mm，獲得2種類型盤形滾刀破巖時掘進距離隨時間的變化情況，結(jié)果如圖9所示。平刃盤形滾刀掘進速度約為3.99 mm/min，鑲齒盤形滾刀掘進速度約為2.34 mm/min。由此得出： 在相同載荷作用下，鑲齒盤形滾刀的掘進速度逐漸小于平刃盤形滾刀。

(a) 刀間距為90 mm

(b) 刀間距為100 mm

(c) 刀間距為120 mm

2種類型盤形滾刀破碎的巖渣粒徑分布如圖10所示。由圖可得，相同條件下2種類型盤形滾刀破碎的巖渣中，平刃盤形滾刀破碎的大塊巖渣(粒徑在40～80 mm)比例高于鑲齒盤形滾刀，而小顆粒及粉末狀巖渣(粒徑小于10 mm)所占比例低于鑲齒盤形滾刀。從高效破巖的角度來看，平刃盤形滾刀破巖效率高于鑲齒盤形滾刀。

(a) 48.26 cm(19英寸)平刃盤形滾刀

(b) 48.26 cm(19英寸)鑲齒盤形滾刀

圖9 2種類型盤形滾刀破巖時掘進距離隨時間的變化情況

圖10 2種類型盤形滾刀破碎的巖渣粒徑分布

3.3 不同荷載下滾刀破巖效果

平刃盤形滾刀破巖效果好于鑲齒盤形滾刀，故在開展不同荷載下的破巖試驗時采用平刃盤形滾刀。將刀間距分別設(shè)置為100 mm和110 mm，每種刀間距下分別設(shè)置總推力為300 kN(單刀約150 kN)、400 kN、500 kN和600 kN，獲得的掘進速度隨總推力的變化曲線如圖11所示。

圖11 掘進速度隨總推力的變化曲線

由圖11可知，2種刀間距條件下總推力與掘進速度關(guān)系曲線變化趨勢基本一致。當總推力為300 kN時，掘進速度約為1.0 mm/min； 當總推力為600 kN時，掘進速度為3.5～4.0 mm/min。隨著總推力增加掘進速度逐漸增加，但是這種變化趨勢是非線性的，總推力從300 kN增加到400 kN以及從400 kN增加到500 kN時，掘進速度增幅均大于總推力從500 kN增加到600 kN時的掘進速度增幅。

通過上述模擬試驗，可得到如下結(jié)論： 1)48.26 cm(19英寸)盤形滾刀在刀間距100 mm時可順利破巖，相鄰刀間距之間不會形成巖脊； 2)以不超過48.26 cm(19英寸)盤形滾刀最大工作載荷的80%作為滾刀載荷的上限，即315 kN×80%=252 kN，則貫入度不宜超過3.7 mm/r。

4 施工現(xiàn)場基巖凸起段掘進參數(shù)選取及應(yīng)用

4.1 掘進參數(shù)選取

為進一步明確泥水盾構(gòu)直接掘進通過基巖凸起段的刀盤轉(zhuǎn)速，結(jié)合模擬試驗結(jié)果，開展現(xiàn)場試驗。為避免刀具過載，將刀具貫入度目標值設(shè)為3 mm/r，以刀盤轉(zhuǎn)速分別為0.6、0.8、1.0 r/min進行基巖掘進試驗?；鶐r段掘進參數(shù)確定流程如圖12所示。

提取現(xiàn)場盾構(gòu)掘進通過基巖凸起段不同轉(zhuǎn)速下刀盤擠壓力、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)矩3類數(shù)據(jù)，每種轉(zhuǎn)速下采集10 000個數(shù)據(jù)樣本，計算該3類數(shù)據(jù)的最大值、平均值和標準差，結(jié)果如表1所示。

標準差可以衡量數(shù)據(jù)集的離散程度，標準差越小，說明數(shù)據(jù)集離散性(波動范圍)越小，反之則越大。由表1可知，基巖凸起地層下，刀盤轉(zhuǎn)速為1.0 r/min時，3類數(shù)據(jù)的波動范圍較轉(zhuǎn)速為0.6 r/min和0.8 r/min時小，對減少泥水盾構(gòu)掘進時對地層的擾動和盾構(gòu)裝備關(guān)鍵部件的損壞是有利的。此外，根據(jù)“掘進速度=貫入度×刀盤轉(zhuǎn)速”可知，在確保滾刀破巖不過載(貫入度不變)的前提下，適當提高刀盤轉(zhuǎn)速有利于提高掘進速度。故而確定超大直徑泥水盾構(gòu)直接通過高強度基巖凸起地層時刀盤轉(zhuǎn)速為1.0 r/min，貫入度目標值為3 mm/r。

圖12 基巖段掘進參數(shù)確定流程

表1 基巖凸起段現(xiàn)場掘進參數(shù)試驗結(jié)果

4.2 現(xiàn)場實際應(yīng)用

試驗巖渣與現(xiàn)場實際掘進巖渣對比如圖13所示。

1)現(xiàn)場實際掘進巖渣中，對于完整性較好的巖體，巖塊粒徑一般在10 cm以內(nèi)。其中，粒徑5 cm以下的巖塊占比60%，粒徑5～10 cm的巖塊占比35%，粒徑10～15 cm的巖塊占比5%。巖塊形狀主要有塊狀及片狀2種，塊狀占比為65%，片狀占比為35%。巖渣破裂面為新鮮巖面，中間厚、周邊薄，破裂面角度基本與試驗結(jié)果相符，刀具可正常破巖。

2)現(xiàn)場實際掘進巖渣中，對于節(jié)理裂隙較多的巖體，巖塊粒徑一般在15 cm以內(nèi)。其中，粒徑5 cm以下的巖塊占比30%，粒徑5～10 cm的巖塊占比50%， 粒徑10～15 cm的巖塊占比20%，有少量巖塊粒徑超出15 cm。巖塊形狀主要有塊狀及片狀2種，塊狀占比為75%左右，片狀占比為25%左右。巖塊多數(shù)破裂面為巖體原節(jié)理裂隙面，破裂面可見節(jié)理裂隙特征，如圖14所示。

5 常壓刀具管理技術(shù)

超大直徑泥水盾構(gòu)在海域極軟極硬復(fù)合地層中掘進時，常壓刀具會受到高頻交變的荷載作用，刀筒內(nèi)各部位連接螺栓易出現(xiàn)松動、疲勞斷裂的情況，甚至?xí)械锻埠笸说娘L(fēng)險。盾構(gòu)掘進中對刀具和不同直徑、不同強度等級螺栓的完好情況進行了實時監(jiān)測。常壓刀筒結(jié)構(gòu)示意如圖15所示。刀筒后退報警裝置示意如圖16所示。在海域3段基巖凸起段掘進施工過程中，遵循“有疑必檢、有損必換”的原則，充分利用盾構(gòu)TBM大數(shù)據(jù)平臺的統(tǒng)計分析和常壓刀具檢測裝置，密切關(guān)注刀具的旋轉(zhuǎn)、溫度狀態(tài)，在中心艙主動檢查刀筒和密封座螺栓的松動及后退情況，綜合判斷刀具狀況，并適時抽檢刀具。采取的主要措施為： 1)采用先對角預(yù)緊再進行復(fù)緊的方式，并復(fù)測螺栓緊固扭力，確保螺栓均勻受力； 2)采取螺栓強制防松措施，并增加刀筒后退報警裝置； 3)優(yōu)化滾刀刀筒裝配裝置，增加螺栓數(shù)量，并提高螺栓等級。

(a) 試驗巖渣

(b) 現(xiàn)場實際掘進巖渣

圖15 常壓刀筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 刀筒后退報警裝置示意圖

6 結(jié)論與討論

1)汕頭海灣隧道工程采用具備常壓換刀功能的超大直徑泥水盾構(gòu)在水下直接掘進通過高強度花崗巖基巖凸起地層的方法是可行的，規(guī)避了常規(guī)水下爆破+地層加固方案的缺陷，確保了隧道順利貫通。

2)結(jié)合常壓換刀裝置選擇48.26 cm(19英寸)滾刀是合理的，既能保證滾刀檢查更換過程安全、高效、可控，又能提高滾刀的破巖能力。

3)超大直徑泥水盾構(gòu)直接掘進通過基巖凸起地層過程中，以“控制貫入度為主、轉(zhuǎn)速為輔，嚴控刀盤轉(zhuǎn)矩波動”為原則，平衡貫入度、刀具沖擊荷載、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進效率之間的關(guān)系，在滿足掘進效率的同時，避免盤形滾刀過載而造成刀圈、刀具連接螺栓損壞。

4)在極軟極硬地層掘進工況下，刀具承受的荷載持續(xù)變化，刀具受力情況復(fù)雜多變，監(jiān)測每把滾刀破巖時的受力狀態(tài)對于刀具管理、盾構(gòu)掘進參數(shù)調(diào)整具有重要意義。