泥水盾構(gòu)長距離穿越高水壓破碎帶施工技術(shù)*

孟綏寶 王 堯 詹 森 俞然剛 駱超鋒 周耀升 王瀾濤 石寶星 張子峰

(1.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，214104，無錫；2.中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院，266580，青島∥第一作者，高級工程師)

為確?？缃⒖绾Ｋ淼赖氖┕ぐ踩?，眾多學(xué)者對水下盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性改造、工程風(fēng)險分析及施工控制措施等進行了研究。文獻[1]從復(fù)合式盾構(gòu)機的角度，重新區(qū)分硬巖及軟硬不均地層，并總結(jié)出針對不同硬巖地段的處理方案；文獻[2]依托長沙地鐵3號線阜埠河站—靈官渡站區(qū)間的泥水盾構(gòu)工程，分析了盾構(gòu)穿越富水斷裂破碎帶時的各種施工風(fēng)險，并從盾構(gòu)掘進姿態(tài)、盾體保壓措施、刀盤刀具、壁后注漿等方面提出了相應(yīng)的控制措施；文獻[3]基于南昌軌道交通1號線秋水廣場站一中山西路站區(qū)間隧道工程，總結(jié)了泥水盾構(gòu)穿越贛江斷裂破碎帶的相關(guān)施工技術(shù)，從盾構(gòu)掘進控制、泥漿質(zhì)量、同步注漿和二次注漿等方面探討了施工技術(shù)改進情況；文獻[4]依托廣深港鐵路客運專線獅子洋隧道盾構(gòu)工程，針對掘進施工中易發(fā)生變化的邊界條件，分析了掘進技術(shù)要點并提出了針對性技術(shù)措施；文獻[5]依托深圳地鐵13號線盾構(gòu)掘進區(qū)間，介紹了盾構(gòu)在上軟下硬地層掘金中的常見問題；文獻[6]依托長沙地鐵6號線，分析了不同掘進參數(shù)對地表豎向沉降變形的影響；文獻[7]從盾構(gòu)設(shè)備方面介紹了泥水盾構(gòu)穿越巖層破碎帶的難點及處理措施。

目前，盾構(gòu)法跨海隧道工程雖有較多理論研究的成果，但僅憑已建成或在建的10多座大型跨海隧道工程，尚無法完全填補工程實踐的空白，在高水壓條件下穿越斷層破碎帶的隧道施工和設(shè)計等方面，仍缺乏足夠的工程經(jīng)驗。

本文依托青島地鐵8號線大洋站—青島北站區(qū)間東側(cè)過海段(以下簡為“大—青段”)的泥水盾構(gòu)工程，針對盾構(gòu)穿越富水斷裂破碎帶地段施工，分析了施工難點，提出了相關(guān)的施工控制措施，結(jié)合現(xiàn)場施工對掘進參數(shù)進行分析，并提出了相關(guān)優(yōu)化建議。

1 工程概況及施工難點

1.1 工程概況

大—青段起點位于青島火車北站，終點為膠州灣海底礦山法隧道，呈東西走向。

大—青段可劃分為陸域段和海域段，其中海域段采用泥水平衡盾構(gòu)施工。盾構(gòu)自大—青段2#風(fēng)井始發(fā)，下穿膠州灣海域，穿越破碎帶F3及F4(如圖1所示)，最終于膠州灣海底礦山法隧道接收端棄殼接收。

圖1 斷裂帶位置地層示意圖

F3基巖破碎帶位于海域中東部，破碎處基巖面埋深為29.3 m左右，主要巖體為中風(fēng)化火山角礫巖碎裂巖，西側(cè)為凝灰?guī)r，東側(cè)為泥質(zhì)粉砂巖及火山角礫巖，主要力學(xué)性質(zhì)為左行壓扭性斷裂，圍巖級別為Ⅴ到Ⅵ級。

F4基巖破碎帶位于海域中部，破碎處基巖面埋深為29.5～32.5 m，上覆厚層砂土。主要巖體為砂土狀碎裂凝灰?guī)r、塊狀碎裂凝灰?guī)r、中等風(fēng)化凝灰?guī)r碎裂巖和微風(fēng)化凝灰?guī)r，圍巖級別為Ⅴ到Ⅵ級。

1.2 施工難點

1)高水壓、長距離掘進易造成盾尾密封失效。由于斷層切割基巖，溝通基巖構(gòu)造裂隙水與基巖上覆厚層砂層地下水的水力聯(lián)系，使斷層裂隙水富水性增大，且盾構(gòu)在海底長距離掘進易造成盾尾密封因磨損而失效，從而引起地下水由盾尾處竄入隧道，造成隧道被淹。

2)不良地層的高水壓條件換刀增大施工風(fēng)險。通常壓氣換刀作業(yè)艙壓控制在0.36 MPa以內(nèi)，而該工程盾構(gòu)過海段破碎帶刀具更換點拱頂埋深(含水深)50 m左右，最高壓氣換刀作業(yè)需要在0.54 MPa左右的壓力下進行。由于所處碎裂巖地層地質(zhì)條件復(fù)雜，停機換刀時不僅開挖面存在失穩(wěn)可能性，且加大了人員進艙換刀施工組織難度。

3)破碎帶碎裂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，開挖面易失穩(wěn)。穿越破碎帶距離長，地質(zhì)條件復(fù)雜，且破碎帶處于膠州灣海底，在高水頭壓力作用下進行海底盾構(gòu)掘進時，可能會有開挖面失穩(wěn)的情況出現(xiàn)，并擊穿開挖面上部覆土層，使其與海水相連通，導(dǎo)致海底覆土層中的砂、石等進入泥水循環(huán)或伴隨泥水艙泥漿逃逸現(xiàn)象發(fā)生，施工風(fēng)險較大。

4)巖層軟硬不均，刀盤刀具磨損嚴重。泥水盾構(gòu)刀盤磨損情況與地質(zhì)條件、掘進參數(shù)、刀具配置和掘進距離等多因素相關(guān)[8]，尤其當盾構(gòu)在斷層破碎帶等不良地層中掘進時，極易對刀盤刀具產(chǎn)生沖擊，磨損更加嚴重。

5)盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整困難。因海域段地層提供的滾動阻力大，會產(chǎn)生盾體滾動偏差，在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產(chǎn)生較大的偏差，盾構(gòu)糾偏較為困難。同時，由于盾構(gòu)在海域段掘進時推力及扭矩較大，掘進速度較慢，易造成導(dǎo)向系統(tǒng)全站儀傾斜而測量錯誤，進而影響盾構(gòu)掘進施工。

2 施工控制措施

2.1 盾構(gòu)刀盤配置

根據(jù)工程地質(zhì)情況，具有較優(yōu)地層適應(yīng)性的刀盤刀具配置為：6主梁+6副梁復(fù)合式刀盤，開口率為35%，開挖直徑為7 m；刀盤上配備6把18 in(43.18 cm)中心雙刃滾刀，35把19 in(48.26 cm)單刃滾刀，12把邊刮刀，49把刮刀，12把焊接撕裂刀。此外，為應(yīng)對破碎帶掘進刀具嚴重磨損情況，刀盤大圓環(huán)采用整環(huán)耐磨合金塊設(shè)計，面板無刀的地方采用耐磨復(fù)合鋼板全覆蓋。面板上共設(shè)有5個磨損檢測裝置。

2.2 盾體保壓及盾尾密封設(shè)計

2.2.1 盾體保壓措施

1)盾構(gòu)機適應(yīng)性設(shè)計(如圖2所示)：主驅(qū)動采用唇形密封形式，其中內(nèi)唇形密封有2道，外唇形密封有5道，密封承壓能力為1.05 MPa。

圖2 外密封布置圖

2)盾尾密封措施：在地質(zhì)條件復(fù)雜地層掘進時，通過盾體周邊的徑向孔向盾尾后3～5環(huán)注入足量的聚氨酯進行密封。該措施可以封堵后方來水，防止管片后部的水流入前方，進而保證前方土艙內(nèi)土體的穩(wěn)定性。此外，還需通過盾尾環(huán)向油脂管道向盾尾前后腔注入足量的盾尾油脂,以防止盾尾后部地下水通過盾尾刷空隙滲入至隧道內(nèi)。油脂管道注脂壓力控制在1.0～1.4 MPa。在必要時，還應(yīng)加大同步注漿，對拖出盾尾的2～5環(huán)管片采用水泥+水玻璃雙液漿進行二次注漿封堵，防止盾尾的來水通過盾殼與開挖面的間隙流至刀盤。

2.2.2 盾尾密封設(shè)計

盾尾直徑為6 970 mm。盾尾密封采用4道盾尾刷設(shè)計，其中最后一道盾尾刷止?jié){板采用特殊設(shè)計，其特制的彈簧板能夠有效防止砂漿進入盾尾刷內(nèi)部(如圖3所示)。

a)結(jié)構(gòu)示意圖 b)最后一道盾尾刷止?jié){板

2.3 破碎帶高水壓換刀

本工程在F4斷層破碎帶中設(shè)置了2處帶壓換刀點及1處帶壓查刀點。換刀點地層主要為中、微風(fēng)化凝灰?guī)r碎裂巖地層，且拱頂埋深(含水深)為50～52 m，故均采用帶壓進艙方式查換刀具。

2.4 開挖面穩(wěn)定控制

開挖面是一種動態(tài)的平衡。盾構(gòu)在下穿海域段施工時，無論是掘進階段還是停止掘進階段，必須動態(tài)設(shè)定切口壓力，并防止切口壓力的波動，既要保證土體穩(wěn)定，又不能擊穿覆土層。

2.5 盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制

盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范(GB 50446—2017)規(guī)定，盾構(gòu)軸線偏離隧道軸線達到50 mm時應(yīng)及時處理。而盾構(gòu)在掘進過程中總會偏離設(shè)計軸線，其糾偏必須有計劃、有步驟地進行。在掘進過程中，應(yīng)隨時注意滾動角的變化，及時根據(jù)盾構(gòu)機的滾動角數(shù)值調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)動方向，并根據(jù)泥巖地層情況對各項掘進參數(shù)進行調(diào)整。在糾偏過程中，掘進速度要放慢，并應(yīng)注意防范糾偏過程中單側(cè)千斤頂受力過大對管片造成的損害。當盾構(gòu)偏離設(shè)計軸線較大時，不得猛糾猛調(diào)，以免糾偏過大或盾尾與管片摩擦使管片破裂。

3 破碎帶掘進施工參數(shù)

本文以右線隧道為例，分析盾構(gòu)在高水壓條件下穿越2條破碎帶的部分掘進施工參數(shù)。

3.1 F3破碎帶掘進參數(shù)

右線隧道盾構(gòu)在F3破碎帶中掘進70環(huán)(第941環(huán)—第1 010環(huán))，其中碎裂巖主要分布區(qū)域為第945環(huán)—第968環(huán)。

3.1.1 刀盤推力變化規(guī)律

經(jīng)統(tǒng)計，右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構(gòu)刀盤推力變化情況如圖4所示。

圖4 在F3破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)刀盤推力曲線

由圖4可以看出：F3破碎帶掘進區(qū)段的刀盤推力整體穩(wěn)定，為17 000～20 000 kN；整體中風(fēng)化火山角礫巖層掘進刀盤推力為18 000～19 000 kN；隨著巖性由軟到硬，掘進推力增加趨勢明顯；破碎帶掘進刀盤推力比正常掘進段刀盤推力波動大。

3.1.2 刀盤扭矩變化規(guī)律

右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構(gòu)刀盤扭矩沿區(qū)間總體變化情況如圖5所示。

圖5 在F3破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)刀盤扭矩曲線

由圖5可以看出：隨著巖層巖性由軟到硬，刀盤扭矩降低趨勢明顯；除去初始端及末端，F(xiàn)3破碎帶區(qū)間刀盤扭矩穩(wěn)定為2 000 kNm，與整體中風(fēng)化火山角礫巖層刀盤扭矩(2 000 kNm)相比變化不大。

3.1.3 刀盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速變化情況見圖6。

圖6 在F3破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖6可以看出：在F3破碎帶中，泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速整體穩(wěn)定為1.5～2.5 r/min，與中風(fēng)化火山角礫巖層刀盤轉(zhuǎn)速均值(2.1 r/min)相比有小幅波動，可在保證開挖面穩(wěn)定的同時實現(xiàn)安全快速掘進。

3.1.4 掘進速度變化規(guī)律

右線工程在F3破碎帶(70環(huán))中的泥水盾構(gòu)掘進速度沿區(qū)間總體變化情況見圖7。

圖7 在F3破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)掘進速度曲線

由圖7可見：由于地質(zhì)條件較差，泥水盾構(gòu)穿越F3破碎帶前后的掘進速度波動較大，總體為6～39 mm/min；進入破碎帶后，掘進速度趨于15～35 mm/min；在整體中風(fēng)化火山角礫巖層，掘進速度為18～25 mm/min。上述掘進速度可在保證施工質(zhì)量的前提下達到快速安全通過破碎帶的目的。

3.2 F4破碎帶掘進參數(shù)

右線隧道盾構(gòu)在F4破碎帶中掘進360環(huán)(第1 530環(huán)—第1 890環(huán))。

3.2.1 刀盤推力變化規(guī)律

經(jīng)統(tǒng)計，右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構(gòu)刀盤推力變化情況如圖8所示。

由圖8可以看出，泥水盾構(gòu)刀盤推力在進入破碎帶之后波動明顯：第1 530環(huán)到第1 624環(huán)，呈現(xiàn)波動中上升勢態(tài)；第1 624環(huán)到第1 808環(huán)呈上升趨勢，數(shù)值波動較大；第1 808環(huán)到第1 890環(huán)呈現(xiàn)同樣上升勢態(tài)。整體來看，F(xiàn)4破碎帶掘進區(qū)段刀盤推力為16 000～22 000 kN，而強、中風(fēng)化巖層掘進刀盤推力為20 000～30 000 kN，破碎帶掘進刀盤推力低于正常掘進段刀盤推力。

圖8 在F4破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)刀盤推力曲線

3.2.2 刀盤扭矩變化規(guī)律

右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構(gòu)刀盤扭矩沿區(qū)間總體變化情況如圖9所示。

由圖9可以看出，第1 530環(huán)到第1 890環(huán)的刀盤扭矩呈現(xiàn)較大波動，且整體波動較規(guī)律，其主要是由強、中、微風(fēng)化凝灰?guī)r地層轉(zhuǎn)換引起的。在F4破碎帶區(qū)段，泥水盾構(gòu)刀盤扭矩為500～1 600 kNm，波動較大，而強、中風(fēng)化巖層的平均刀盤扭矩達到3 000 kNm。

圖9 在F4破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)刀盤扭矩曲線

3.2.3 刀盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速曲線見圖10。

由圖10可以看出，在F4破碎帶區(qū)段，泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在2.1～2.5 r/min，與整體強、中風(fēng)化巖層刀盤轉(zhuǎn)速均值(1.4 r/min)相較有小幅提升，可在保證開挖面穩(wěn)定的同時實現(xiàn)安全、快速掘進。

圖10 在F4破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速曲線

3.2.4 掘進速度變化規(guī)律

右線工程在F4破碎帶(360環(huán))中的泥水盾構(gòu)掘進速度沿區(qū)間總體變化情況見圖11。

圖11 在F4破碎帶中的右線泥水盾構(gòu)掘進速度曲線

由圖11可以看出：泥水盾構(gòu)掘進速度在第1 530環(huán)到第1 577環(huán)之間基本穩(wěn)定，在第1 577環(huán)到第1 720環(huán)間呈震蕩上升勢態(tài)，在第1 720環(huán)到第1 762環(huán)間呈下跌趨勢,在第1 762環(huán)到第1 848環(huán)間,出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象,在第1 848環(huán)到第1 890環(huán)間較穩(wěn)定。整體來看，泥水盾構(gòu)穿越F4破碎帶時的掘進速度波動較大，為10～45 mm/min，穿越整體強、中風(fēng)化巖層時的掘進速度為10～20 mm/min?？梢?，與正常段相比，在F4破碎帶的掘進速度波動幅度變大。經(jīng)驗證，其在保證施工質(zhì)量的前提下可快速安全通過破碎帶。

4 結(jié)論

1)破碎帶及巖層軟硬不均，對盾構(gòu)機刀盤抗磨損提出了較高要求。因此，選用盾構(gòu)機時需根據(jù)實際工程地質(zhì)條件進行適應(yīng)性改造：一方面，刀盤需加裝耐磨設(shè)計，視情況于面板無刀處也應(yīng)加裝耐磨設(shè)計，滿足經(jīng)濟性和適用性要求；另一方面，因高水壓的存在，需對海底盾構(gòu)盾體保壓及盾尾密封進行特殊設(shè)計處理。

2)在高水壓條件下，查換刀點應(yīng)優(yōu)先選擇巖層穩(wěn)定、覆土厚、上部巖層覆蓋多及開挖面為全斷面的巖層。

3)F3破碎帶主要巖層為中風(fēng)化火山角礫巖。與正常段相比，破碎帶區(qū)段的盾構(gòu)掘進總推力上下浮動10%，刀盤扭矩、掘進速度基本無異，刀盤轉(zhuǎn)速下降5%。在中風(fēng)化火山角礫巖破碎帶地層保持相對穩(wěn)定的刀盤轉(zhuǎn)速施工掘進，建議刀盤轉(zhuǎn)速為 1.5～2.1 r/min。

4)F4破碎帶主要巖層為中、微風(fēng)化凝灰?guī)r，盾構(gòu)掘進總推力為正常段的74%，刀盤扭矩為正常段的42%、掘進速度較正常段提升40%，刀盤轉(zhuǎn)速較正常段提升14%。在中、微風(fēng)化凝灰?guī)r破碎帶地層建議保持刀盤轉(zhuǎn)速在2.3 r/min左右穩(wěn)定掘進。