不同貫入度下的隧道施工質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

高永軍

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 工程背景

盾構(gòu)施工法是指利用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，在護(hù)盾的支撐與保護(hù)下，安全高效的進(jìn)行開挖和襯砌管片作業(yè)，從而使隧道一次成型的施工方法。從盾構(gòu)法問世以來，其高效、安全、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水利、交通、采礦等各大領(lǐng)域[1]。蕪湖城南過江隧道起于江北規(guī)劃新民路，沿濱江大道南線布置，在長(zhǎng)江大堤內(nèi)側(cè)拐向東南方向，穿越長(zhǎng)江后，于江南接大工山路，路線全長(zhǎng)5.965 km，其中左線盾構(gòu)隧道3 957.77 m，右線盾構(gòu)隧道3 967.4 m，隧道開挖直徑15.07 m，管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，最大轉(zhuǎn)彎半徑為2 000 m，最大坡度為4%。盾構(gòu)機(jī)依次需要穿越粉砂、細(xì)沙、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化石英巖、上軟下硬、斷層破碎帶、凝灰角礫巖、粉土、粉質(zhì)粘土等多種復(fù)雜地層。根據(jù)該工程施工要求和地層狀況，其右線隧道采用一臺(tái)國(guó)產(chǎn)泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，其設(shè)計(jì)最大掘進(jìn)速度為50 mm/min，最大推力為222 170 KN，額定扭矩為42 784 KNm，最大工作水土壓力為10 bar，刀盤的設(shè)計(jì)為開口率30%的復(fù)合耐磨常壓式刀盤，配備滾刀、切刀、刮刀等多種刀具，并具備滾齒互換、刀具磨損及旋轉(zhuǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。為了盾構(gòu)行業(yè)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，提前制定接下來要面臨的地層變化所需要采取的措施，尋找調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)的合理方法，保證隧道高品質(zhì)、高效率建設(shè)，本研究選取該工程項(xiàng)目前期粉砂、細(xì)沙層掘進(jìn)期間的貫入度這一掘進(jìn)參數(shù)作為研究對(duì)象，分析了不同貫入度下其他掘進(jìn)參數(shù)的變化并對(duì)隧道質(zhì)量及隧道施工經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比。

2 綜合方案設(shè)計(jì)

本研究中貫入度指盾構(gòu)機(jī)在單位轉(zhuǎn)速內(nèi)刀盤貫入土體的長(zhǎng)度，計(jì)算公式為：貫入度=掘進(jìn)速度/刀盤轉(zhuǎn)速[2]。該工程項(xiàng)目右線隧道701～760 環(huán)掘進(jìn)期間理論設(shè)計(jì)切口壓力近似，刀盤轉(zhuǎn)速近似，掘進(jìn)地層以粉砂和細(xì)沙為主，因此選取此區(qū)間作為本文的研究對(duì)象，在701～720 環(huán)以30 mm/r 的貫入度進(jìn)行掘進(jìn)，721～740 環(huán)以25 mm/r 的貫入度進(jìn)行掘進(jìn)，741～760環(huán)以20 mm/r 的貫入度進(jìn)行掘進(jìn)，以此為基準(zhǔn)記錄推力、扭矩等參數(shù)的變化情況，同時(shí)仔細(xì)觀察在不同貫入度下所成型隧道質(zhì)量的好壞，并對(duì)經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行初步計(jì)算和分析[3]。701～760 環(huán)地層分布見圖1。

圖1 701～760 環(huán)地層圖

3 數(shù)據(jù)采集與分析

將掘進(jìn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)如刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、總推力、平均推進(jìn)速度、貫入度、切口壓力進(jìn)行記錄，見表1，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體分析。

表1 701～760 環(huán)掘進(jìn)參數(shù)記錄

3.1 推力及扭矩的分析

計(jì)算出樣本數(shù)據(jù)中不同貫入度下推力和扭矩的平均值，見表2。

表2 推力、扭矩平均值記錄

從表2 中可以分析得出以下結(jié)論：貫入度和推力成反比關(guān)系，貫入度和扭矩成正比關(guān)系。按照行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來看，貫入度和推力及扭矩理應(yīng)都成正比關(guān)系，即貫入度越高，推力及扭矩也會(huì)越大。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來看，貫入度和推力成反比，且切口壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)期間的進(jìn)排漿流量、沖刷流量基本為定值。推測(cè)該現(xiàn)象的發(fā)生是地層的因素所導(dǎo)致，飽和粉細(xì)砂層的砂粒粒度均勻，孔隙度大，上下巖層多為不透水性，富水性較好[4]。因此，由于貫入度小，掘進(jìn)速度較慢，砂層包裹性變大而造成推力未降反升。

3.2 隧道質(zhì)量分析

對(duì)隧道成型質(zhì)量的分析主要從管片破損情況、滲漏水情況以及管片上浮量等方面進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 管片破損情況

通過對(duì)這60 環(huán)管片的持續(xù)觀察，并未發(fā)現(xiàn)任何管片破損或者裂縫等現(xiàn)象，因此大致可以得出結(jié)論，在保證進(jìn)場(chǎng)管片質(zhì)量及拼裝工藝的前提下，貫入度的高低并不會(huì)造成管片的破損。

3.2.2 管片滲漏水情況

通過對(duì)這60 環(huán)管片的持續(xù)觀察，不難發(fā)現(xiàn)，在25 mm/r 和20 mm/r 的貫入度下掘進(jìn)，隧道存在極少數(shù)輕微滲水現(xiàn)象，而在30 mm/r 的貫入度下，管片滲漏水的情況比25 mm/r 和20 mm/r 的貫入度下的管片滲漏水情況相對(duì)嚴(yán)重一些，不過并未有重大漏水現(xiàn)象。分析其原因有以下幾點(diǎn)：首先高貫入度意味著掘進(jìn)速度也更快，因此造成盾尾油脂對(duì)管片外弧面的填充與涂抹不能達(dá)到充分飽滿的狀態(tài)；其次由于同步注漿所使用的漿液初凝時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)試驗(yàn)得知初凝時(shí)間為8到10 小時(shí)，無法及時(shí)的填充管片與外部土體的縫隙，而砂層又富含水分，這也是管片滲水的一個(gè)原因；最后由于掘進(jìn)速度快，作為遏制管片滲漏水的有效手段之一，即二次注漿，無法跟上正常的掘進(jìn)施工進(jìn)度，也是其中一個(gè)重要原因。

3.2.3 管片上浮量

對(duì)701～760 環(huán)最大以及最小管片上浮量進(jìn)行記錄，見表3。

表3 上浮量記錄

通過表3 中的數(shù)據(jù)分析來看，低貫入度下的整體上浮量明顯高于高貫入度下的上浮量。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)計(jì)算公式，在刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，更高的貫入度意味著更快的掘進(jìn)速度。通過安裝電表，對(duì)不同貫入度下每環(huán)所使用的用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[5]。見表4。

表4 用電量記錄

由表4 可知，每環(huán)多推1 min 時(shí)間會(huì)多使用約113 度的綜合用電。若排除其他干擾施工的因素，按照正常的施工節(jié)奏來說，30 mm/r 的貫入度下一天可掘進(jìn)10 環(huán)，25 mm/r 的貫入度下一天可掘進(jìn)8 環(huán)，20 mm/r 的貫入度下一天可掘進(jìn)6 環(huán)。因此可以得出結(jié)論，在每環(huán)人力、物力成本等其他開支不變的前提下，按照30 mm/r 的貫入度進(jìn)行掘進(jìn)，經(jīng)濟(jì)效益最高。

4 結(jié)論與展望

本研究以蕪湖城南過江隧道項(xiàng)目右線隧道701至760 環(huán)的掘進(jìn)過程為研究對(duì)象，在其穿越粉砂、細(xì)沙地層時(shí)采用不同貫入度進(jìn)行掘進(jìn)，并將各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與記錄。經(jīng)過多層面的分析與比對(duì)，本研究可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 由于該項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)最大掘進(jìn)速度為50 mm/min，最大推力為222 170 KN，額定扭矩為42 784 KNm，因此貫入度30 mm/r 所增加的扭矩相對(duì)于最大扭矩來說基本可以忽略不計(jì)；而較高的貫入度對(duì)成型隧道的整體質(zhì)量并沒有太大的負(fù)面影響，且能節(jié)省大量不必要的用電成本，工程整體進(jìn)度也會(huì)大大加快。因此綜合來看，保持30 mm/r 的貫入度、1.0 rpm的刀盤轉(zhuǎn)速、30 mm/min 的推進(jìn)速度進(jìn)行粉砂、細(xì)沙地層的大直徑盾構(gòu)施工是較為合理可行的一種方法，但與此同時(shí)也要時(shí)刻關(guān)注其他重要掘進(jìn)參數(shù)的變化，當(dāng)推力和扭矩或其他參數(shù)明顯出現(xiàn)異常時(shí)要格外引起注意，防止地層突變?cè)斐稍O(shè)備的損壞，影響隧道的施工甚至引發(fā)事故的發(fā)生。

（2） 在進(jìn)行隧道施工的過程中，應(yīng)對(duì)盾尾油脂的注入量及盾尾密封壓力、同步注漿量及注漿壓力、二次注漿的配比與方量、管片上浮量做好記錄并及時(shí)加以調(diào)整，進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3） 貫入度的不同不僅對(duì)前期粉砂、細(xì)沙層的掘進(jìn)過程有著重大影響，在日后的硬巖掘進(jìn)中，不同貫入度對(duì)滾刀磨損、滾刀破巖能力、硬巖層掘進(jìn)效率與經(jīng)濟(jì)性也有著重要的研究意義[6]。提前做好應(yīng)對(duì)才能有備無患。