昆明地鐵土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)雜巖層技術(shù)問題研究

周 江

昆明地鐵建設(shè)管理有限公司

昆明地鐵土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)雜巖層技術(shù)問題研究

周 江

昆明地鐵建設(shè)管理有限公司

昆明城市三面臨山，靠近山區(qū)部分的地層，廣泛分布著砂巖、灰?guī)r地層。巖層面起伏大，軟硬不均，巖溶裂隙發(fā)育，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越類似地層施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。本文以昆明地鐵6號(hào)線菊花站—東部客運(yùn)站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工實(shí)例，結(jié)合復(fù)雜巖層巖土勘察工作,研究土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜巖層條件下應(yīng)解決的主要問題。

復(fù)雜巖層；盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性；技術(shù)參數(shù)

1 工程概況

昆明地鐵6號(hào)線菊花站—東部客運(yùn)站盾構(gòu)區(qū)間，左線長1206m，右線長1213.2m。復(fù)雜巖層地段在1、2號(hào)盾構(gòu)井之間，其余為普通土層或灰?guī)r地層。隧道埋深23.2～29.4m，隧道頂上15m為粘土層，15～29m 為中風(fēng)化粉砂，中風(fēng)化灰?guī)r、粉砂與灰?guī)r互生，隧道全斷面均為該層。

1.1 復(fù)雜巖層特點(diǎn)

（1）中風(fēng)化粉砂巖、米粒結(jié)構(gòu)、中厚狀構(gòu)造。

巖體較完整，巖芯以短柱狀、屬軟質(zhì)層，僅少量鉆孔揭露，不連續(xù)分布。

（2）灰?guī)r：中等風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，孔隙較發(fā)育，方解脈被填充，巖體較完整，巖芯以短柱狀，屬較硬巖。V級(jí)次堅(jiān)石，分布于隧道洞徑范圍內(nèi)。

1.2 復(fù)雜巖層條件下的盾構(gòu)施工

（1）盾構(gòu)機(jī)從菊花站始發(fā)，至1號(hào)盾構(gòu)井前完成掘進(jìn)工作量的80%，各項(xiàng)施工參數(shù)平穩(wěn)，可控。地面沉降在-15mm以內(nèi)。

（2）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)入復(fù)雜巖層，在此期間，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變異，土倉壓力從2.0br降到0.2br，同時(shí)伴有盾構(gòu)姿態(tài)下降趨勢，施工單位迅速采取了如下措施:加大推力，建立土壓，同時(shí)加膨潤土、泡沫劑等外加劑注入改良土體減小螺旋輸送機(jī)出土轉(zhuǎn)速，降低掘速度等措施，效果不明顯。土倉壓力僅能控制在0.6bar,掘進(jìn)速度為10～15mm/min,推力為1900T。

（3）補(bǔ)充勘察工作。

針對(duì)出現(xiàn)的異常施工情況，昆明軌道公司在綜合各方意見后決定暫緩掘進(jìn)，對(duì)未施工區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)充勘察工作，加密鉆孔間隙。補(bǔ)勘取芯揭示，巖石埋深在23～33m(隧道頂埋深23.2米，隧道底埋深29.4米)為巖溶裂隙較發(fā)育灰?guī)r，中風(fēng)化砂巖與白云巖互生，含有石英脈帶，分布不均，孔隙發(fā)育。

（4）施工技術(shù)措施

根據(jù)補(bǔ)勘結(jié)果，針對(duì)存在問題，在仔細(xì)分析風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上，采取了如下技術(shù)措施。①對(duì)巖層孔隙段注漿加固，提高地基承載力，使盾構(gòu)姿態(tài)平穩(wěn)可控。②盾構(gòu)機(jī)通過加固段時(shí)，減少土倉內(nèi)氣體、液體通過孔隙的流失，使土倉壓力得到增加。③渣土改良，向土倉內(nèi)注入泡沫，降低刀盤、螺旋輸送機(jī)扭矩，降低盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷。

（5）后續(xù)施工

恢復(fù)掘進(jìn)施工后，土倉壓力最高值可建立到0.6bar。掘進(jìn)速度 15～25mm/min。 刀 盤 扭 矩 140～170bar。 總 推 力 1400～1800T。在欠壓模式下緩慢推進(jìn)，該復(fù)雜巖層的盾構(gòu)掘進(jìn)工作于2016年12月8日完成。

2 技術(shù)問題分析

2.1 盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性分析

2.1.1 本工程盾構(gòu)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)及適應(yīng)條件。

本標(biāo)段采用兩臺(tái)海瑞克EPB-Φ6410土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，主要盾構(gòu)參數(shù)：功率1650KW，刀盤采用3個(gè)315KW，液壓泵驅(qū)動(dòng)，扭矩6934KN，推力4200T，刀盤為條幅式，開口率38%，該盾構(gòu)機(jī)適用條件為泥巖、粘土、粉土等軟弱土層或粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等。該設(shè)備在昆明地鐵1號(hào)線的粘土地層完成一段區(qū)間施工。

2.1.2 復(fù)雜巖層條件下的適應(yīng)性分析。

該區(qū)段隧道全斷面主要巖層為中風(fēng)化砂巖，中風(fēng)化灰?guī)r，砂巖灰?guī)r互生，巖層分布不均，且存在裂隙，孔隙發(fā)育，其中：中風(fēng)化灰?guī)r層體較完整，屬較硬巖，V級(jí)次堅(jiān)巖。

（1）按照《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB50307-2012）中盾構(gòu)法勘察要求中，對(duì)勘察試驗(yàn)及目的有明確要求。兩臺(tái)海瑞克EPB-Φ6410土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是否滿足該區(qū)段的巖層，必須根據(jù)巖石勘察的試驗(yàn)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果調(diào)整完善盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)、刀具的重新選擇、刀具配置及耐磨性評(píng)價(jià)。

（2）區(qū)間穿越地層主要分布有中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化灰?guī)r，其中，中風(fēng)化灰?guī)r巖體較完整，屬V級(jí)次堅(jiān)石、較硬巖。EPB-Φ 6410刀盤采用幅條式，只有一個(gè)壓力，刀盤扭矩小，對(duì)中風(fēng)化較完整硬巖存在較大難度。需對(duì)刀盤進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，并便于刀具布置，滿足大扭矩阻力、大推力工況的要求。

（3）單軸抗壓強(qiáng)度是巖石堅(jiān)硬程度的指數(shù)，不同類型、不同型號(hào)的盾構(gòu)設(shè)備對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度有不同的適用范圍，需對(duì)該土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的配置進(jìn)行調(diào)整才能具有更好的適應(yīng)性。

（4）巖石的RQD值，主要反映巖石完整程度，即裂隙連續(xù)巖層的發(fā)育程度，RQD值共分五類，根據(jù)RQD值合理配置刀具、刀盤，是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)高效率掘進(jìn)的基本保證。

（5）巖石的耐磨性對(duì)刀具的磨損起著決定作用，巖石的堅(jiān)硬度和耐磨性越高，刀盤、刀具的磨損就越大。巖石的硬度、巖石中礦物顆粒特別是高硬度礦物顆粒如石英等的大小及含量決定巖石的耐磨指標(biāo)，如果刀盤、刀具不合理對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)速度和效率將有較大影響，也增加使用成本。

盾構(gòu)設(shè)備在復(fù)雜巖層下的適應(yīng)性綜述：地勘報(bào)告如不完整，特別是針對(duì)特殊復(fù)雜巖層區(qū)段的勘察報(bào)告，未按《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB50307-2012）的要求，提供完整的巖石勘察報(bào)告，盾構(gòu)設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造或改良時(shí)缺乏必要的地質(zhì)參數(shù)依據(jù)，會(huì)導(dǎo)致施工過程中由于盾構(gòu)機(jī)選型的不適應(yīng)性造成上述工程實(shí)例中出現(xiàn)的各種問題。

3 結(jié)語

通過昆明地鐵6號(hào)線復(fù)雜巖層盾構(gòu)施工存在問題的研究，得出以下結(jié)論：

（1）中風(fēng)化粉砂巖、灰?guī)r、粉砂巖、灰?guī)r互層地質(zhì)條件下盾構(gòu)選型、掘進(jìn)較普通土層復(fù)雜、必須引起高度重視。

（2）盾構(gòu)區(qū)間隧道存在土層巖層互層時(shí)，盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性評(píng)價(jià)，應(yīng)根據(jù)地勘察報(bào)告提供的資料，復(fù)核盾構(gòu)設(shè)計(jì)、刀盤、刀具的合理性，并進(jìn)行必要的調(diào)整。

（3）勘察單位必須按照規(guī)范要求，提供真實(shí)、準(zhǔn)確、完整的巖石試驗(yàn)指標(biāo)，是巖層地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工安全、順利完成的必備條件。

[1]王懷志.富水砂層土壓平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué),2012.

[2]周潤卿.軟弱土層雙線盾構(gòu)隧道穿越既有房屋施工影響分析[D].北京交通大學(xué),2012.