基于盾構(gòu)影響的長江礫石層工程地質(zhì)研究

鄭 軍，楊 旭，王 寧，施燁輝，馬 強(qiáng)，張德軍

(1.南京地鐵科技咨詢有限公司，江蘇 南京 210012;2.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007;3.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223005;4.南京地鐵建設(shè)分公司，江蘇南京 210012)

0 引言

南京已建長江公路隧道和擬建的2條地鐵過江隧道皆選用水泥盾構(gòu)工法施工，該盾構(gòu)工法適用于砂礫、砂、粉土、黏土等固結(jié)度低的含水軟弱地層及軟硬相間的地層，且適用于上述地層中上部有河流、湖泊、海洋等高水壓的情況。但在南京長江公路隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重，一度甚至使掘進(jìn)工作停止。究其原因主要是盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)、刀具配置和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選擇與掘進(jìn)所遇礫石層不甚匹配，且刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)失效所致(夏曉中，2010)。目前，國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道在建城市也常遇到大面積砂卵礫石地層(樂貴平等，2001;李海峰，2009)，其工程地質(zhì)特性對施工和設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在切削料難以排出，或因被切削頭帶動而擾動地層，宜造成超挖和土體變形、下沉，刀具合金破損嚴(yán)重導(dǎo)致刀具失效，刀座變形損壞導(dǎo)致刀具缺失，刀盤框架磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，引起刀圈變形，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致刀圈斷裂，致使盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離線路，加大了施工風(fēng)險(xiǎn)和工程費(fèi)用，成為制約盾構(gòu)工法廣泛使用的一個(gè)重要因素(張明富等，2008)。

目前，大多數(shù)學(xué)者主要集中于考慮在礫石地層中對盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)影響研究，取得了一些重要的研究成果。其中樂貴平等(2001)在國內(nèi)首次介紹了盾構(gòu)機(jī)成功穿越全斷面礫石地層的有關(guān)技術(shù)參數(shù)和工程實(shí)測成果，并給出了成功施工的關(guān)鍵在于配置性能適宜的泥漿的結(jié)論;宋克志(2004)指出了無水砂卵石是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，對盾構(gòu)存在較大的不良影響，根據(jù)無水砂卵石地層的特點(diǎn)及盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性保證盾構(gòu)的準(zhǔn)確選型;王國義(2008)和李海峰(2009)結(jié)合成都高富水、高卵礫石含量的地質(zhì)條件研究成都地鐵的盾構(gòu)設(shè)備配置;管會生(2008)指出了大漂石對盾構(gòu)機(jī)選型的影響;張明富(2008)等主要是針對砂卵石地層研究采用最新盾構(gòu)刀具動態(tài)磨損監(jiān)測裝置，提出刀具磨損與掘進(jìn)距離的回歸公式，為工程實(shí)際中減少刀具磨損提供了理論依據(jù)及預(yù)測盾構(gòu)在此地層條件下的最長掘進(jìn)距離;陳鵬(2009)介紹了影響盾構(gòu)刀具磨損的主要因素，并以南京長江隧道掘進(jìn)礫石地層為例進(jìn)行計(jì)算;張穎(2011)總結(jié)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)。

部分學(xué)者進(jìn)行了基于盾構(gòu)掘進(jìn)影響的礫石地層工程地質(zhì)特性研究，如陳正勛等(2007)指出，卵礫石盾構(gòu)隧道施工應(yīng)通過地質(zhì)調(diào)查的方法詳細(xì)研究卵礫石的性質(zhì)作為盾構(gòu)機(jī)切刃盤的設(shè)計(jì)依據(jù)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合臺灣與日本施工案例，提出盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則;馬秉務(wù)等(2009)采用多種手段綜合分析提供更為接近實(shí)際的含大粒徑卵礫石地層描述，為地鐵盾構(gòu)隧道及基坑圍護(hù)樁設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。因此，基于盾構(gòu)掘進(jìn)影響的礫石地層的工程特性研究是長江盾構(gòu)隧道巖土工程勘察的重點(diǎn)研究課題。可見，有必要基于盾構(gòu)掘進(jìn)影響對南京地鐵10號線長江段盾構(gòu)隧道穿越的礫石層進(jìn)行深入探討，系統(tǒng)分析所含卵、礫石的工程地質(zhì)特性對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，并對長江底部礫石層的地質(zhì)成因、礫石層對地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損影響的機(jī)理進(jìn)行分析討論。

1 地鐵10號線過江大盾構(gòu)隧道工程概況

南京地鐵10號線過江盾構(gòu)隧道主要由綠博園站—江心洲站、江心洲站—中間風(fēng)井和中間風(fēng)井—濱江大道站3段組成，其中江心洲站—中間風(fēng)井區(qū)間(里程為CK11+252—CK14+850)為單洞雙線大盾構(gòu)區(qū)間，隧道外徑為11.2 m，長約3 600 m。

該區(qū)間大盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與概化工程地質(zhì)剖面圖見圖1。大盾構(gòu)隧道在里程CK12+175—CK13+945 間穿越礫石層，層厚約1.10 ～19.95 m。

圖1 過江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與概化工程地質(zhì)剖面關(guān)系示意圖

2 長江南京段礫石層的地質(zhì)成因

長江河谷的第四系為全新世、更新世以來的最新堆積物，以河床相的砂礫石沉積占主導(dǎo)地位。圓礫、砂礫石成分以石英巖、硅質(zhì)巖、脈石英為主，灰?guī)r、燧石次之，分選性和磨圓度良好。

長江中下游河床堆積物的主要特點(diǎn)為上層細(xì)下層粗，礫石層覆蓋于基巖之上，被壓在砂層下面，不能運(yùn)動(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984)。究其原因，主要是因?yàn)榈谒募o(jì)自然界的最大特點(diǎn)是具有輪回性變化的現(xiàn)象，即冰期與間冰期，海退與海侵，地殼抬升與下降，剝蝕與堆積等交替出現(xiàn)。

2.5 ～1.5 萬年前的主玉木冰期海平面下降過程中，長江中下游產(chǎn)生強(qiáng)烈的溯源侵蝕，包括卵礫石的晚更新統(tǒng)沉積物曾被沖刷一空，成為東海水下長江三角洲的固體物質(zhì)來源的一部分，致使長江基巖裸露甚至被下切。

距今1.5萬年后，氣候轉(zhuǎn)暖，河川徑流增 大，海平面又開始回升。據(jù)趙希濤等(1992)研究，距今約6 200年前海平面到達(dá)現(xiàn)在水平，6 200～5 000年前又高于現(xiàn)海平面2～4 m，為全新世最大海侵，長江口在揚(yáng)州、鎮(zhèn)江一帶，此后在現(xiàn)海平面上下波動。

約1萬年海平面上升過程中，長江比降逐漸變緩，泥沙隨之在長江河床中淤積。卵礫石推移質(zhì)在回水末端沉積，隨著海平面的逐漸上升，回水末端也逐漸上移，卵礫石推移質(zhì)淤積起點(diǎn)不斷向上游后退，直至全新世海侵結(jié)束，卵礫石淤積洲頭后退到距河口最遠(yuǎn)點(diǎn)。在這一過程中，卵礫石淤積物始終覆蓋于基巖之上并留下了斷續(xù)后退的軌跡。懸移質(zhì)輸沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于推移質(zhì)，其淤積洲頭遠(yuǎn)在推移質(zhì)下游，從而始終覆蓋在卵礫石沉積物之上，形成長江中下游床沙垂直分布呈上部為砂、下部為卵礫石的規(guī)律(朱鑒遠(yuǎn)，2000)。

3 礫石層的工程地質(zhì)分析

3.1 卵石、礫石的粒徑大小與分布、最大粒徑及含量

鑒于地鐵10號線過江大盾構(gòu)隧道掘進(jìn)范圍內(nèi)卵礫石的粒徑大小對盾構(gòu)刀盤選型與盾構(gòu)掘進(jìn)有直接影響，因此需詳細(xì)查明卵石、礫石的粒徑大小與分布，最大粒徑及含量。

已有探井法、既有基坑調(diào)查法、全套管取樣法等(陳正勛等，2007;馬秉務(wù)等，2009)在長江勘察時(shí)都無法得到有效應(yīng)用，因此仍采用水上鉆探法選取一定數(shù)量的勘探孔取樣統(tǒng)計(jì)礫石層中卵石、礫石的粒徑大小與分布。

本次過江大盾構(gòu)所穿越含卵礫石砂層的里程范圍內(nèi)勘探孔數(shù)量為115個(gè)，具體地層的顆粒粒徑分析及相關(guān)結(jié)果見表1、表2。

根據(jù)表1及各勘探孔取樣統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，同時(shí)依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)應(yīng)定名為礫石層。其中，所含卵石的粒徑20～100 mm，個(gè)別大于100 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%左右;所含礫石的粒徑2～20 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%左右。

根據(jù)表2可知，礫石層的不均勻系數(shù)大于5，曲率系數(shù)在1～3間，滿足級配良好的條件。

根據(jù)周邊既有工程資料進(jìn)行類比，該礫石層中所含卵石的粒徑基本在20～100 mm之間，少量大于100 mm。

表1 礫石層的顆粒分析統(tǒng)計(jì)

表2 礫石層的顆粒分析統(tǒng)計(jì)

3.2 礫石層中卵石、礫石的強(qiáng)度指標(biāo)

江心洲站—中間風(fēng)井區(qū)間礫石層是過江大盾構(gòu)穿越的主要地層。本次對礫石層中所含卵、礫石進(jìn)行了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對不同尺寸的試驗(yàn)值進(jìn)行修正，求出最終巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50)，并根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—1994)，按以下公式計(jì)算巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度:

式(1)中，Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);Is(50)為點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)

點(diǎn)荷載試驗(yàn)計(jì)算所得飽和單軸抗壓強(qiáng)度見表3。

表3 礫石層中卵、礫石的點(diǎn)荷載推算單軸抗壓強(qiáng)度

所推算的單軸抗壓強(qiáng)度為54～252 MPa，僅個(gè)別小于115 MPa，平均值為148 MPa。

卵石、礫石的礦物成分主要以石英、長石為主，因石英含量較高，因此卵、礫石的單軸抗壓強(qiáng)度也較高。根據(jù)已有文獻(xiàn)(陳鵬，2009)，影響盾構(gòu)掘進(jìn)的主要問題是礫石層中卵石、礫石中石英含量高，強(qiáng)度高，易撞擊導(dǎo)致刀具硬質(zhì)合金崩裂，造成刮刀初次磨損。同時(shí)，渣土中的石英又易造成刀具的二次磨損。

3.3 礫石層的密實(shí)度與磨圓度

盾構(gòu)刀具錐入掌子面后，刀盤旋轉(zhuǎn)的難易程度通常受礫石層的密實(shí)度影響。

根據(jù)表2可知，礫石層屬于級配良好的地層，結(jié)合表4中的標(biāo)貫值和動探值，可知級配良好的地層標(biāo)貫值和動探值均較高，該礫石層屬于密實(shí)礫石層。

密實(shí)的礫石層，盾構(gòu)刀具錐入后，刀盤旋轉(zhuǎn)難度增 大，盾構(gòu)刀盤扭矩增 大，刀具易受磨損。

表4 礫石層的標(biāo)貫與動探試驗(yàn)指標(biāo)

4 長江礫石層對盾構(gòu)選型與掘進(jìn)的影響分析

江心洲站—中間風(fēng)井過江大盾構(gòu)隧道所穿越的長江段礫石層中卵石、礫石等顆粒間無膠結(jié)，分類屬軟弱地層。但礫石層中由于石英含量高，卵石、礫石的單軸抗壓強(qiáng)度高，屬柔中帶剛、軟中帶硬的地層。卵石的粒徑多在20～100 mm之間，少量大于100 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右，礫石的粒徑多在20～2 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%左右，同時(shí)夾雜砂，顆粒級配良好，承載強(qiáng)度高，密實(shí)度高，且位于長江底部，富水量大。

為確保盾構(gòu)刀盤在礫石層中平穩(wěn)推進(jìn)，應(yīng)盡量遵循排小碎大的掘進(jìn)原則，即考慮含量較多的卵石、礫石直接排出，而含量較少的大直徑卵石可采用滾刀破碎后排出。考慮到少量卵石的最大粒徑大于100 mm，但基本小于200 mm，因此盾構(gòu)刀盤滾刀的刃間距應(yīng)根據(jù)少量最大直徑的卵石尺寸確定，使得小直徑卵石、礫石極少被滾刀切到就可進(jìn)入土艙排出，而輸不出去的大卵石一定會被滾刀切碎在刀盤之外，再進(jìn)入土艙內(nèi)排出。這樣，既減少了滾刀的用量，降低成本，也大大降低了滾刀做無用功。

考慮到礫石層富水易失穩(wěn)，因此在盾構(gòu)機(jī)上需設(shè)有防止高水壓下的噴涌設(shè)備。同時(shí)礫石層中掌子面支撐若單純采用輻條式，開艙較為危險(xiǎn)，而采用大面板則影響了開口率，使得面板和掌子面上卵、礫石之間的接觸面積過大，易加大磨損，增 大刀盤的摩擦阻力，從而增 加刀盤扭矩。因此，綜合采用輻條與面板支撐，合理確定開口尺寸和開口率，在刀盤開口處加設(shè)網(wǎng)格，以限制大直徑卵石未經(jīng)滾刀切碎就進(jìn)入土艙內(nèi)。

由于礫石層中石英含量較高，對盾構(gòu)設(shè)備的磨損非常大。為保證刀盤磨損較小，應(yīng)在刀盤面板上加設(shè)其他耐磨材料的面板和網(wǎng)格，到刀盤刀刃處加設(shè)耐磨材料的部件，同時(shí)還應(yīng)采取各種輔助措施來降低磨耗，如改良渣土、增 加流動性、加注泡沫劑或泥漿等，以增 加刀盤潤滑，降低磨耗等。

在礫石層盾構(gòu)推進(jìn)過程中，應(yīng)注意控制好盾構(gòu)刀盤的的推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和錐入度，并彼此協(xié)調(diào)，以防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)和大錐入度導(dǎo)致的初次磨損。防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)主要是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速必然使刀盤上的刀具產(chǎn)生更大的線速度，線速度增 大，刀頭上耐磨但脆性大的合金刀頭容易崩裂，導(dǎo)致刀具的初次磨損增 大，另一方面，刀具總的運(yùn)轉(zhuǎn)歷程增 大，也會增 大刀具的二次磨損。防止大錐入度是由于錐入度增 大，刀具受力增 大，刀盤扭矩變大，也易導(dǎo)致刀頭的初次磨損。

5 結(jié)論

(1)過江大盾構(gòu)段長江礫石層的工程地質(zhì)特性為:卵石的粒徑多在20～100 mm之間，少量大于100 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右，礫石的粒徑多在2～20 mm之間，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%左右，同時(shí)夾雜砂，顆粒級配良好，承載強(qiáng)度高，密實(shí)度高，且位于長江底部，富水量大。

(2)盾構(gòu)刀盤應(yīng)注意設(shè)置合理的開口尺寸和開口率，刀盤上注意加設(shè)網(wǎng)格。同時(shí)由于礫石層中石英含量較高，對盾構(gòu)設(shè)備的磨損非常大。為保證刀盤磨損較小，應(yīng)在刀盤面板上加設(shè)采用耐磨材料的面板和網(wǎng)格，在刀刃處加設(shè)耐磨材料的部件，同時(shí)還應(yīng)采取各種輔助措施來降低磨耗，如改良渣土、增 加流動性、加注泡沫劑或泥漿等，以增 加刀盤潤滑，降低磨耗等。

(3)盾構(gòu)施工階段中，應(yīng)注意控制好盾構(gòu)刀盤的的推進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和錐入度，并彼此協(xié)調(diào)，以防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)和大錐入度導(dǎo)致的初次磨損和二次磨損。

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