盾構(gòu)法施工大漂石處理技術(shù)

張 穎

(蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215006)

0 引言

大漂石一般指粒徑大于200 mm的卵石，通常賦存在砂卵石地層或其他土層中，其空間分布具有較大的隨機(jī)性，很難找到規(guī)律;且由于鉆探布孔密度的原因，地質(zhì)勘察時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，給盾構(gòu)施工造成極大困難。其影響主要表現(xiàn)為:刀具磨損嚴(yán)重、刀座變形、刀具更換困難;刀盤過度磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，引起刀盤變形;刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞;大漂石無法破碎，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離設(shè)計(jì)線路等。

在盾構(gòu)法施工大漂石處理技術(shù)方面，陳饋等［1］介紹了刀具的種類和破巖機(jī)制;管會(huì)生等［2-3］介紹了地鐵施工時(shí)大漂石對(duì)盾構(gòu)選型的影響、大漂石的行為預(yù)測(cè)和處理;酒井榮治等［4］研制了一種適合漂石、卵石砂礫層的盾構(gòu)，該盾構(gòu)盡量有效利用不破碎的優(yōu)點(diǎn)，以減少刀具的磨損;楊書江及劉建國［5-6］等分別針對(duì)成都和深圳地鐵施工中的大漂石處理技術(shù)進(jìn)行了介紹;張兵和劉東等［7-8］針對(duì)北京直徑線的富水砂卵石施工，論述了撕裂刀和滾刀對(duì)大卵石膠結(jié)層的破碎效果和刀具配置建議。上述研究大多是針對(duì)某一特定地質(zhì)進(jìn)行分析，反映的問題不夠系統(tǒng)，沒有給出解決較全面的措施。本文結(jié)合富水砂卵石地層中盾構(gòu)法隧道施工實(shí)踐，對(duì)滾刀破碎大漂石原理進(jìn)行了闡述，提出了土壓平衡盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)在大漂石處理上的針對(duì)性設(shè)計(jì)，并總結(jié)出了行之有效的大漂石處理措施和“破大放小”的成功處理經(jīng)驗(yàn)。

1 大漂石破碎原理

在滾刀破碎卵石的過程中，以其通過線為起點(diǎn)，逐漸產(chǎn)生拉伸力，從而將卵石破碎。

如果是較小的卵石，破碎過程就如用鋼釬打入一樣。若是大直徑卵石則從表面出現(xiàn)細(xì)小的剝落開始，然后逐漸累積，根據(jù)切割連帶效果和滾刀的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的沖擊，以刀尖為起點(diǎn)開始出現(xiàn)裂痕，最后實(shí)現(xiàn)破碎。具體過程見圖1。

對(duì)于最大卵石直徑不超過200 mm的砂卵石地層，在盾構(gòu)選型和刀盤設(shè)計(jì)時(shí)按可能通過的最大卵石直徑確定刀盤開口率和開口寬度。進(jìn)入土倉的卵石粒徑必須與螺旋輸送機(jī)的輸送能力相適應(yīng)，確保進(jìn)入土倉的卵石能被螺旋輸送機(jī)順利排出。

當(dāng)最大卵石直徑超過200mm時(shí)，由于受安裝空間的限制，增大螺旋輸送機(jī)直徑受到多方面的制約，即使增大刀盤開口也難以有效解決排碴問題。只能在提高刀具破巖能力的同時(shí)，考慮其他輔助工法進(jìn)行大漂石的破碎。對(duì)無水砂卵石地層可考慮采用輻條式刀盤或者輻條面板式刀盤，輔以帶式螺旋機(jī)出碴。3種刀盤類型見圖2。

圖1 大漂石破碎示意圖Fig.1 Pictureofboulderbreaking

2 大漂石對(duì)盾構(gòu)選型的要求

為了確保盾構(gòu)掘進(jìn)的順利實(shí)施，根據(jù)大漂石的粒徑和密集成群的分布特點(diǎn)，在盾構(gòu)選型時(shí)做了針對(duì)性設(shè)計(jì)。刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)，可維持掌子面的穩(wěn)定，刀盤布置有多個(gè)開口槽，單個(gè)開口的大小將限制進(jìn)入土倉或泥水倉的卵石大小。一般采用在開口部位焊接隔板的方法(見圖3)，把400mm粒徑以上的卵石阻止在刀盤以外，只允許400mm以下粒徑的碴塊通過以利于渣土排出。刀盤上安裝有滾刀、撕裂刀、刮刀和切刀，被擋在刀盤外的大漂石靠滾刀滾壓破碎。

圖2 刀盤圖Fig.2 Cutterheads

2.1 泥水平衡盾構(gòu)

泥水盾構(gòu)處理大漂石主要有以下2種方式:

1)刀盤前破碎 +機(jī)內(nèi)破碎。在刀盤前利用布置的盤形滾刀將大漂石破碎至400mm以下，大漂石碎塊和小于400mm的卵石通過刀盤上的開口進(jìn)入泥水倉內(nèi)，在氣壓倉的底部、排泥管吸漿口的前端安裝了一臺(tái)雙顎板式破碎機(jī)(見圖4)，將卵石再次破碎到粒徑140mm以下后，才進(jìn)入排泥管。破碎機(jī)能破碎的卵石的最大尺寸為400mm，其后配有隔柵條，用來限制進(jìn)入排泥管的石塊的尺寸。

圖3 刀盤開口位置焊接的隔板Fig.3 Welded diaphragm at opening position of cutterhead

圖4 雙顎板式破碎機(jī)Fig.4 Double-jaw slat crusher

2)刀盤前破碎 +卵石分級(jí)。盤形滾刀將大漂石在刀盤前進(jìn)行破碎之后，利用在氣壓倉與排泥管之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)式分級(jí)器進(jìn)行卵石分級(jí)處理，將粒徑大于70 mm的卵石分離出來，采用碴車運(yùn)輸至洞外，相當(dāng)于在泥水盾構(gòu)之外，還需要配備土壓盾構(gòu)的礦車出碴系統(tǒng)(差別僅是沒有安裝螺旋輸送機(jī))，這種方式出碴效率較低，從而制約了盾構(gòu)掘進(jìn)效率的發(fā)揮，國內(nèi)尚未見到工程應(yīng)用實(shí)例的報(bào)道。

2.2 土壓平衡盾構(gòu)

土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)進(jìn)行排土，由于配備的螺旋機(jī)直徑受到盾構(gòu)尺寸的限制，使排除的卵石直徑受到限制，如軸式螺旋輸送機(jī)直徑為800 mm時(shí)，通過最大卵石粒徑為300 mm。需利用刀盤上的滾刀將大粒徑漂石破碎至300 mm以下，然后通過刀盤上的開口進(jìn)入土倉內(nèi)后采用螺旋輸送機(jī)排土，效率較高。在富水砂卵石地層中，土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)采用了雙螺旋、軸式，不僅提供更大的內(nèi)徑以利于大卵石的通過，而且有效地防止噴涌。成都地鐵一號(hào)線一期工程盾構(gòu)4標(biāo)通過螺旋輸送機(jī)上的預(yù)留孔注入膨潤土、泡沫或聚合物等，極大改善了渣土的的流動(dòng)性，確保了排碴的順暢。

針對(duì)大漂石的盾構(gòu)設(shè)計(jì)有另外一種思路，即采用輻條式刀盤，開口率65%左右，帶式螺旋機(jī)排碴。日本在這方面成功經(jīng)驗(yàn)較多，日立盾構(gòu)采用直徑1 000 mm的帶式螺旋機(jī)，可以輸送725 mm×670 mm的卵石，直徑845 mm的帶式螺旋機(jī)，可以輸送630 mm×570 mm的卵石，即使在含大漂石的砂卵石地層中亦完全適用;但地下水位較高時(shí)，帶式螺旋機(jī)容易出現(xiàn)噴渣問題，實(shí)際效果還有待于驗(yàn)證。

3 大漂石處理措施

清除大漂石對(duì)于施工人員和工程項(xiàng)目的危險(xiǎn)性較高，掌子面坍塌可能造成人員傷亡，也可能引起隧道頂部地面過大的沉降。在沒有自穩(wěn)能力的地層，常壓進(jìn)入土倉或泥水倉的風(fēng)險(xiǎn)極大，通常需要從地面注入漿液或通過刀盤向開挖面地層注入漿液對(duì)土體進(jìn)行加固。

3.1 掘進(jìn)過程中出現(xiàn)大漂石的判斷

在掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，初步判斷刀盤前方可能遇到大漂石。

1)刀盤前方出現(xiàn)異常聲音;2)正常掘進(jìn)速度突然變小;

3)盾構(gòu)推力、扭矩突然波動(dòng)較大;

4)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，無法繼續(xù)掘進(jìn)。

3.2 利用盾構(gòu)切削處理大漂石

1)做好補(bǔ)充地質(zhì)勘察，在盾構(gòu)到達(dá)大漂石地段前做好刀盤刀具的檢查，保證刀盤刀具處于良好的工作狀態(tài)。

2)改變掘進(jìn)參數(shù)，適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速，增大推力，將刀具的貫入量控制在10 mm/r以下，同時(shí)刀盤采取正、反轉(zhuǎn)的方式緩慢切削大漂石，注意控制刀盤的扭矩變化量在10%以內(nèi)。在刀盤正、反轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)有耐心，不得急燥。

3)泥水平衡盾構(gòu)在切削大漂石過程中注意控制好泥漿性能和泥水倉壓力，保證掌子面泥膜能有效穩(wěn)定掌子面，減小刀盤刀具的磨損，必要時(shí)調(diào)配優(yōu)質(zhì)泥漿。在切削大漂石過程中注意碎石機(jī)系統(tǒng)的檢修，保證碎石機(jī)以良好的工作狀態(tài)及時(shí)破碎可能產(chǎn)生的大粒徑卵石，防止泥漿管路堵塞。

4)土壓平衡盾構(gòu)在切削大漂石時(shí)，盡可能多的向刀盤、土倉以及螺旋輸送機(jī)內(nèi)加入泡沫或膨潤土泥漿進(jìn)行潤滑。

3.3 帶壓進(jìn)倉處理

采取上述措施后，若未能破碎大漂石，優(yōu)先考慮帶壓處理。在富水砂卵石地層中已經(jīng)有成功實(shí)施泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉的技術(shù)。作業(yè)人員進(jìn)入泥水倉(或土倉)利用液壓錘或靜態(tài)爆破進(jìn)行大漂石的處理。

3.4 地層加固后常壓進(jìn)倉處理

在帶壓進(jìn)倉條件不允許時(shí)，考慮從地面進(jìn)行地層加固，待掌子面有足夠的自穩(wěn)能力后，進(jìn)入泥水倉(或土倉)利用液壓錘進(jìn)行大漂石處理。常壓進(jìn)倉地層加固應(yīng)綜合考慮地質(zhì)情況、隧道埋深、地面環(huán)境等確定加固措施。地層加固方面的工程實(shí)例較多，在此不做詳細(xì)介紹。

3.5 深孔爆破處理

深圳地鐵在地面具有圍擋施工的條件下，采用了深孔爆破處理新技術(shù)。深孔爆破是指孔深在5 m以上的鉆孔爆破技術(shù)，可根據(jù)大漂石的形狀、大小來確定孔徑、深度和裝藥量，對(duì)厚度較大的大漂石可實(shí)施分層爆破。考慮盾構(gòu)的出渣能力，爆破后石塊的單邊長度控制在300 mm以下，以利于螺旋輸送機(jī)順利出渣。爆破后石塊的大小通過調(diào)整爆破孔間距和用藥量來進(jìn)行控制。鉆孔直徑為110 mm，孔距和排距均為800 mm。孔內(nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，起爆雷管選用順發(fā)電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標(biāo)準(zhǔn)直徑為60 mm。

3.6 人工挖孔樁或沖孔樁破碎

對(duì)個(gè)別體積較大的大漂石，采用地表人工挖孔樁或沖孔樁的方法破碎，設(shè)計(jì)挖孔直徑1.5 m。人工挖孔至孤石位置，采用風(fēng)鉆打眼，間距300 mm×300 mm，梅花形布置，孔徑40 mm。鉆孔結(jié)束后使用巖石劈裂機(jī)對(duì)大漂石進(jìn)行破碎，破碎后碴塊被清理吊出，破除至盾構(gòu)周身范圍以外15cm。大漂石破碎后，對(duì)孔洞進(jìn)行黏土回填，并隨填隨夯，保證密實(shí)度，同時(shí)在孔中埋設(shè)注漿管，回填完畢后對(duì)其進(jìn)行注漿加固。

準(zhǔn)確判定大漂石的位置后，用沖孔鉆機(jī)從地面沖孔破碎也是一種有效的處理方法。

4 結(jié)論與建議

實(shí)踐證明，利用盾構(gòu)切削系統(tǒng)破碎大粒徑的漂石然后排出(即“破大放小”)的原則是可行的。在含大漂石地層中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步提高盾構(gòu)刀盤刀具、碎石機(jī)和排漿泵及管路、螺旋輸送機(jī)等系統(tǒng)的耐磨損性能。對(duì)土壓平衡盾構(gòu)，采用增大刀盤開口或采用輻條式刀盤同時(shí)利用大直徑帶式螺旋輸送機(jī)來輸送大粒徑卵石的措施來處理大漂石，以提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率、減小刀盤刀具以及渣土輸送系統(tǒng)的磨耗，可在今后的施工中做一些嘗試。

［1］ 陳饋，洪開榮，吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 管會(huì)生，高波.陸建新軟土隧道中大漂石的處理與行為預(yù)測(cè)［C］//大直徑隧道與城市軌道交通工程技術(shù)——2005上海國際隧道工程研討會(huì)文集.上海:上海市土木工程學(xué)會(huì)，2005.

［3］ 管會(huì)生.盾構(gòu)選型中大漂石的影響及處理［J］.建筑機(jī)械化，2008(4):57-59.(GUAN Huisheng.Affection of boulder to shield model selection and its processing method［J］.Construction Mechanization，2008(4):57-59.(in Chinese))

［4］ 酒井榮治，島田英樹，松井紀(jì)九男，等.漂石、卵石砂礫層用多軸破碎型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的研制［C］//2003非開挖技術(shù)會(huì)議論文專輯.北京:非開挖技術(shù)中心，2003.

［5］ 楊書江，章龍管，韓亞麗，等.富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.鄭州:中鐵隧道股份有限公司，2009.

［6］ 劉建國.深圳地鐵軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工對(duì)策［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010(5):79-83.(LIU Jianguo.Countermeasures for shield tunneling in aard and soft mixed strata of Shenzhen Subway［J］.Modern Tunnelling Technology，2010(5):79-83.(in Chinese))

［7］ 張兵，李建華.砂卵石地層大直徑泥水盾構(gòu)刀具配置適應(yīng)性分析［C］//中鐵隧道集團(tuán)第三屆科技大會(huì)論文集.洛陽:中鐵隧道集團(tuán)有限公司，2010.

［8］ 劉東.繁華城區(qū)富水砂卵石地層大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2011，31(1):76-81.(LIU Dong.Key construction technology for large diameter slurry shield tunneling in water-rich sandy gravel strata in busy urban area［J］.Tunnel Construction，2011，31(1):76-81.(in Chinese))