砂卵石地層泥水盾構(gòu)施工技術(shù)難點及控制措施分析
——以蘭州地鐵穿黃隧道工程為例

霍 濱， 徐朝輝， 胡相龍， 郭貴斌

(蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州 730030)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷發(fā)展，城市地面可利用的空間資源變得越來越少，地下空間的開發(fā)利用受到高度重視。城市地下軌道交通具有環(huán)保、安全、快速、高效等優(yōu)點，能極大緩解地面交通壓力，改善城市居民的出行質(zhì)量，因此，城市軌道交通建設(shè)將是我國城市地下空間開發(fā)建設(shè)的重點[1-2]。經(jīng)過多年的探索與發(fā)展，國內(nèi)城市地鐵建設(shè)已取得舉世矚目的成就。未來地鐵建設(shè)將面臨更為復(fù)雜的地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境的挑戰(zhàn)，同時也蘊含著新的發(fā)展機遇。

我國水域面積遼闊，水系廣泛分布于全國各個城市，城市地鐵施工建設(shè)將不可避免地面臨穿江越河的工程條件[3]。隨著國內(nèi)正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的水下隧道工程不斷增多，水下城市軌道交通建設(shè)取得了長足的發(fā)展和進步[4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者在盾構(gòu)下穿江河湖海的安全施工技術(shù)和控制措施等方面已進行了大量的相關(guān)研究。張士龍[5]依托南京緯三路過江通道工程，分析盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時所面臨的工程難點，并提出了相應(yīng)的控制措施，為水下隧道工程的建設(shè)提供了借鑒； 曹晶珍等[6]結(jié)合廣州地鐵穿越珠江某區(qū)間隧道工程的工程特點和地質(zhì)條件，對盾構(gòu)穿越珠江的施工技術(shù)難點進行全面分析，并針對性地提出了安全控制措施，相關(guān)施工經(jīng)驗可為類似盾構(gòu)隧道工程的安全控制提供參考； 施瑾偉等[7]全面系統(tǒng)地研究了穿越長江的盾構(gòu)隧道施工過程中所面臨的各類風(fēng)險，并提出了相應(yīng)的控制措施。

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，目前關(guān)于砂卵石地層水下盾構(gòu)隧道施工技術(shù)方面的研究較少，下穿黃河流域的隧道工程更是寥寥無幾。本文以蘭州地鐵穿黃隧道工程為研究背景，結(jié)合隧道區(qū)間富水砂卵石地層條件，分析盾構(gòu)隧道施工所面臨的施工技術(shù)難題，并結(jié)合工程實際提出針對性的安全技術(shù)措施，總結(jié)出項目的技術(shù)成果和創(chuàng)新點，相關(guān)研究成果可為今后類似工程建設(shè)提供施工經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程背景

蘭州市軌道交通1號線迎門灘—馬灘站區(qū)間設(shè)計為雙線隧道，隧道左右線距離設(shè)計為6.8 m。左線起訖里程為ZK13+149.946～ZK15+56.513，全長共1 906.567 m；右線起訖里程為YK13+149.946～YK15+56.513，全長共1 906.567 m。線路總體呈V字型，線路縱坡坡度設(shè)計為2.8%。

隧道區(qū)間采用泥水平衡盾構(gòu)工法進行施工，泥水盾構(gòu)直徑設(shè)計為6.48 m，盾體長度約9.2 m(不含配套設(shè)備)。管片外徑設(shè)計為6.2 m，管片厚度為 0.35 m，每環(huán)管片長度為1.2 m，縱環(huán)向采用雙面楔形環(huán)管片錯縫拼裝。盾構(gòu)隧道從銀灘黃河大橋上游約38 m處下穿黃河，穿越黃河長度達404 m，隧道頂距離河床底部18～24 m，是國內(nèi)首條下穿黃河的城市地鐵隧道。迎門灘站—馬灘站區(qū)間平面位置如圖1所示。

圖1 迎門灘站—馬灘站區(qū)間平面位置圖

1.2 工程地質(zhì)條件

蘭州市地處黃土高原西北部，隧道區(qū)間場地位于七里河斷陷盆地內(nèi)，地層分布穩(wěn)定，沉積韻律清晰，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。盾構(gòu)隧道區(qū)間的地層條件從上到下主要是： 地表為〈1-1〉雜填土，向下為第四系全新統(tǒng)的〈2-6〉中砂和〈2-10〉卵石，再向下為第四系下更新統(tǒng)〈3-11〉卵石。盾構(gòu)隧道主要穿越〈3-11〉砂卵石地層，該層卵石含量占55%～70%，粒徑為20～50 mm，以中粗砂充填，含少量礫石、粉粒和黏粒； 漂石含量較少，最大粒徑可達450 mm。該層卵石磨圓度較好，分選性較差，局部呈鈣質(zhì)弱膠結(jié)，分布穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)密實，地層滲透系數(shù)最高可達60 m/d，屬強透水地層。

盾構(gòu)隧道下穿黃河時主要穿越〈3-11〉砂卵石層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下水極為豐富，且通過的卵石層孔隙潛水與黃河水互通，地下水壓高，在盾構(gòu)掘進過程中出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)、河底地表沉降、涌水涌泥和管片上浮等現(xiàn)象，風(fēng)險極高。下穿黃河段隧道區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖2所示。隧道區(qū)間場地出露的卵石如圖3所示。

圖2 下穿黃河段隧道區(qū)間地質(zhì)縱斷面

圖3 隧道區(qū)間場地出露的卵石

2 隧道施工技術(shù)難點分析

復(fù)雜的砂卵石地層使得地鐵盾構(gòu)施工的難度和風(fēng)險很大，而且還要面臨穿越黃河段的復(fù)雜建設(shè)環(huán)境。盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進時主要面臨刀盤結(jié)構(gòu)磨損嚴重和開口率調(diào)節(jié)不便、刀具磨損嚴重、泥水環(huán)流系統(tǒng)堵塞以及泥漿管路磨損嚴重等工程技術(shù)難題。因此，全面分析和預(yù)測盾構(gòu)隧道施工過程中所面臨的技術(shù)難題，并采取相應(yīng)的控制措施是保證隧道施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.1 刀盤結(jié)構(gòu)磨損及開口率調(diào)節(jié)問題

隧道區(qū)間砂卵石地層具有卵石粒徑大、含量高和強度高等特點，施工前期發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)在該地層中施工時刀盤結(jié)構(gòu)的磨損很嚴重，嚴重影響了盾構(gòu)隧道施工的安全性，因此，需增強刀盤結(jié)構(gòu)的耐磨損性能。同時，當盾構(gòu)掘進至黃河河床底部，尤其是穿越采砂坑時，漂石出現(xiàn)的概率增大。為增強刀盤結(jié)構(gòu)的地層適應(yīng)性，當盾構(gòu)到達檢查井后，需要調(diào)節(jié)刀盤開口率，而傳統(tǒng)刀盤結(jié)構(gòu)通常是利用焊接耐磨鋼板來調(diào)節(jié)開口率，施工作業(yè)不方便，而且在盾構(gòu)內(nèi)進行焊接施工時比較危險。

2.2 盾構(gòu)刀具磨損嚴重

當泥水盾構(gòu)在富水砂卵石地層掘進時，為防止大粒徑卵石堵塞環(huán)流系統(tǒng)，要求盾構(gòu)刀具直接對大粒徑卵石進行切削破碎，刀具會不斷受到卵石的沖擊或碰撞，從而造成刀具磨損嚴重，無法正常工作，嚴重時會引起滾刀軸承部位的破壞以及刀盤面板的損壞。實際施工中刀具偏磨情況如圖4所示。

圖4 滾刀刀具偏磨情況

2.3 環(huán)流系統(tǒng)堵塞問題

砂卵石地層離散性較強，盾構(gòu)掘進時容易破壞地層的原始穩(wěn)定狀態(tài)，盾構(gòu)施工造成的地層損失較大，容易引起開挖面失穩(wěn)。開挖面的頻繁失穩(wěn)會導(dǎo)致大粒徑卵石積聚在泥水艙和落石箱等處，從而易引起盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)堵塞。同時，黃河河床底存在大量的漂石，漂石最大粒徑可達450 mm，漂石的位置分布存在不確定性，地質(zhì)勘察時不易勘測。若碎石系統(tǒng)受磨損不能正常工作，則很難破碎大漂石，未破碎的大粒徑漂石積聚在泥水艙的底部，也會造成環(huán)流系統(tǒng)堵塞。當漂石或卵石堵塞環(huán)流系統(tǒng)后，進行清堵工作較困難且時間較長，會嚴重影響隧道施工的工作效率。

2.4 泥漿管路磨損嚴重

泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進時，環(huán)流系統(tǒng)中的泥漿管路承擔著進漿、排渣的重任，對泥水循環(huán)系統(tǒng)的正常運行非常重要。實際工程中，泥漿管道會不斷受到大粒徑卵石的摩擦和碰撞，使得其磨損嚴重，經(jīng)常會被磨穿導(dǎo)致泥水循環(huán)作業(yè)中斷，嚴重影響泥水盾構(gòu)施工作業(yè)的效率。

3 盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性設(shè)計

3.1 盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計

從盾構(gòu)的地層適應(yīng)性角度出發(fā)，對盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)進行改造，使刀盤結(jié)構(gòu)能有效滿足泥水盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時的要求。

為增強盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)的耐磨性能，實際工程中采用Q345C高強度鋼板焊接而成的復(fù)合式面板刀盤結(jié)構(gòu)，在刀盤面板上焊有高強度耐磨板，并對面板邊緣部位表面進行相應(yīng)的硬化處理。

當盾構(gòu)掘進至黃河河床底部，尤其是穿越采砂坑時，漂石出現(xiàn)的概率增大，固定不變的開口率對地層的適應(yīng)性有限，而傳統(tǒng)刀盤結(jié)構(gòu)通過焊接耐磨鋼板改變開口率時會存在一定的施工風(fēng)險且會影響盾構(gòu)施工的效率。針對這種情況，提出了相應(yīng)的改進措施：刀盤上設(shè)置4道圈梁，圈梁上開有螺栓孔，圈梁與面板、輻條以及相鄰的橫梁之間形成槽口，槽口外側(cè)安裝蓋板，蓋板通過高強螺栓與圈梁靈活連接，實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)刀盤開口率的目的。改進后的刀盤開口率調(diào)節(jié)裝置如圖5所示。

圖5 刀盤開口率調(diào)節(jié)裝置

3.2 盾構(gòu)刀具磨損控制措施

1)針對砂卵石地層的特點，從盾構(gòu)長距離掘進適應(yīng)性角度出發(fā)，與前期施工相比，對刀具的布置形式和數(shù)量進行了合理調(diào)整。具體調(diào)整方案為： 將邊緣單刃滾刀改為雙刃滾刀，雙刃滾刀的耐磨性能更高，受力更均勻； 將導(dǎo)流刀變更為撕裂刀，各個輻條外周增加2把撕裂刀； 外周增加環(huán)形筋板，刀盤開口處增加格柵。改進后刀具布置情況如圖6所示。

2)滾刀刀軸和刀圈外表面堆焊有耐磨單元(如圖7所示)，耐磨單元由耐磨凸起和耐磨層構(gòu)成。在刀軸的外表面焊接固定有耐磨凸起，耐磨凸起在刀轂外表面呈不規(guī)則排列，采用打擊硬化耐磨合金材料； 在刀圈的外表面熔敷有耐磨層，耐磨層采用高鉻鑄鐵材料以達到減少刀圈磨損的目的。

3)針對盾構(gòu)掘進時滾刀的刀轂部位受到嚴重磨損的現(xiàn)象，在刀箱上刀體兩側(cè)采用氧乙炔火焰堆焊工藝焊接耐磨塊(如圖8所示)，耐磨塊采用耐磨合金材料。在盾構(gòu)掘進過程中，由于堆焊耐磨塊的存在，刀盤轉(zhuǎn)動時碎石會先摩擦堆焊耐磨塊而不是直接與刀轂接觸，從而達到保護刀轂的目的。耐磨塊以中軸線為中心對稱設(shè)置在刀轂的兩側(cè)，根據(jù)實際情況可適當增加耐磨塊的數(shù)量，能有效增大碎石與耐磨塊的接觸面積，減少刀轂與碎石的摩擦。

圖6 改進后刀具的布置情況

圖7 滾刀刀軸與刀圈保護裝置

圖8 滾刀刀轂保護裝置

4)當盾構(gòu)在砂卵石地層中施工時，周邊刮刀的磨損非常嚴重，根據(jù)實際工程情況設(shè)計出了結(jié)構(gòu)簡單、耐磨性能強、抗沖擊能力強的盾構(gòu)周邊刮刀保護裝置，應(yīng)用效果良好。在刀體的外表面設(shè)置有耐磨單元，耐磨單元包括附著層、耐磨層和油漆層。在盾構(gòu)掘進過程中，當采用刮刀清理外圍開挖渣土?xí)r，渣土直接與耐磨單元接觸，減小了周邊刮刀受到的沖擊磨損，增加了刀體的耐磨性能和抗沖擊性能，延長了周邊刮刀的使用壽命。

3.3 環(huán)流系統(tǒng)堵塞的適應(yīng)性設(shè)計

隧道區(qū)間砂卵石的粒徑較大，特別是地層中的大漂石，若碎石機系統(tǒng)的功能受到影響，則砂卵石地層中的大粒徑卵石很難及時得到破碎。當未破碎卵石從進渣口進入泥水艙，會積聚在泥水艙底部，則可能造成環(huán)流系統(tǒng)的堵塞。本文主要從碎石機系統(tǒng)改進和大漂石、卵石處理2個方面提出環(huán)流系統(tǒng)堵塞控制措施。

3.3.1 碎石機系統(tǒng)改進

當碎石機液壓系統(tǒng)工作時，碎石機油缸活塞桿會暴露在砂卵石地層中，此時碎石會摩擦撞擊液壓油缸的活塞桿，使得活塞桿磨損嚴重，進而影響碎石機系統(tǒng)的正常工作，因此，有必要對碎石機液壓系統(tǒng)進行改進。

實際施工時在活塞桿底座上加工有旋轉(zhuǎn)軸孔，通過旋轉(zhuǎn)軸孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸將活塞桿底座固定安裝在需要推動的機構(gòu)上。在油缸活塞桿底座焊接耐磨套筒，耐磨套筒設(shè)計長度大于活塞桿最大伸長量，保護套筒與油缸接觸的部位存在間隙，在該間隙內(nèi)設(shè)置密封刷，使保護套筒形成密封空間，達到保護碎石機系統(tǒng)活塞桿的目的。碎石機系統(tǒng)示意圖如圖9所示。碎石機系統(tǒng)活塞桿保護示意圖如圖10所示。

圖9 碎石機系統(tǒng)示意圖

圖10 碎石機系統(tǒng)活塞桿保護示意圖

Fig. 10 Sketch of piston rod protection device for rock breaking system

3.3.2 大漂石、卵石處理

泥水盾構(gòu)在砂卵石地層掘進過程中，發(fā)現(xiàn)有大量的碎石淤積在泥水艙的底部，嚴重影響環(huán)流系統(tǒng)的運行。針對這種情況，實際工程中采用外置式碎石機攪拌裝置，成功解決了泥水艙內(nèi)碎石大量積聚影響施工掘進效率的難題。在碎石機鄂板下部焊接固定攪拌器，攪拌器隨著破碎機構(gòu)的運動往復(fù)擺動，對泥水艙底部的土體和碎石進行攪拌，有效防止土體和碎石在泥水艙內(nèi)大量沉積堵塞環(huán)流系統(tǒng)。

在盾構(gòu)刀具改造的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對大粒徑漂石的有效破碎，并調(diào)節(jié)刀盤面板開口尺寸和開口率限制進入泥水艙內(nèi)的漂石尺寸； 同時，增大盾構(gòu)推力對少數(shù)位于刀盤側(cè)面的漂石做頂離處理。

3.4 泥漿管路磨損控制措施

泥水盾構(gòu)在砂卵石地層掘進時泥漿管路易出現(xiàn)局部磨損破壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致整條泥漿管路無法正常使用。針對這種情況，實際工程中將傳統(tǒng)的整體泥漿管路分割為3段，相鄰軟管之間通過法蘭盤連接，法蘭盤連接處設(shè)置防水墊圈，可有效解決輸泥漿管路局部破損時需將整條管路都進行更換的問題。泥漿管路改進裝置如圖11所示。

圖11 泥漿管路改進裝置示意圖

通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，獲得泥漿管路磨損規(guī)律。為提高泥漿管路的耐磨性能，提出了適用于砂卵石地層環(huán)流系統(tǒng)管路耐磨損措施和設(shè)計。送排漿管路設(shè)計采用特殊加厚無縫鋼管(如圖12所示)，在排漿管路的內(nèi)側(cè)堆焊耐磨層，從物理機能上可有效增強泥漿管路的耐磨性。

圖12 特殊加厚無縫鋼管

4 結(jié)論與討論

蘭州地鐵1號線是國內(nèi)首條下穿黃河的城市地鐵隧道工程，工程地質(zhì)條件和建設(shè)環(huán)境在國內(nèi)實屬罕見，研究總結(jié)實際工程在施工過程中所應(yīng)用的技術(shù)成果具有較強的現(xiàn)實意義。研究表明：

1)對刀盤結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)性改進，解決了砂卵石地層刀盤結(jié)構(gòu)磨損嚴重和刀盤開口率調(diào)節(jié)等問題，減少了開挖面土體失穩(wěn)現(xiàn)象，提高了盾構(gòu)施工的安全性。

2)提出了盾構(gòu)刀具耐磨損控制措施，增強了盾構(gòu)刀具的耐磨性能，使刀具的使用壽命大大延長，且有效提高了盾構(gòu)掘進效率，對于砂卵石地層盾構(gòu)刀具的耐磨損設(shè)計具有較強的參考價值。

3)從碎石機系統(tǒng)改進和大漂石處理2個方面提出環(huán)流系統(tǒng)堵塞控制措施，有效解決了砂卵石地層泥水盾構(gòu)碎石系統(tǒng)磨損和環(huán)流系統(tǒng)堵塞的問題。

4)從施工安全角度考慮，建議施工時加強對開挖面前方大漂石的監(jiān)測，確定其位置與分布形式，提前做好預(yù)防控制措施，防患于未然。

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