土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬及全斷面硬巖地層中的應(yīng)用

王 佳

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司， 廈門 361000）

1 工程背景

涉鐵段盾構(gòu)隧道區(qū)間長度263m,線路為半徑800m 曲線，線間距15.0m~15.5m。采用單面坡，線路縱坡自豎井以 6.603‰的上坡到達(dá)風(fēng)井，區(qū)間隧道埋深22.6m~31.3m。

隧道區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)地基土主要為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。散體狀強(qiáng)風(fēng)化花巖：灰白、灰黃色，礦物間聯(lián)結(jié)力散失，強(qiáng)度較高。碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：風(fēng)化裂隙發(fā)育，多呈碎塊狀，工程性能好，質(zhì)軟；中等風(fēng)化花崗巖：灰白，塊狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，強(qiáng)度高，工程性能好。

2 施工地質(zhì)情況分析

隧道右線始發(fā)掘進(jìn)地層，屬于典型的上軟下硬地層：上部為碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化程度大，巖土裂隙發(fā)育，地下水豐富；下部為中風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)度高、整體性好，單軸飽和抗壓強(qiáng)度45～112MPa，對(duì)刀具磨損嚴(yán)重。盾構(gòu)在通過該地段時(shí)很可能由于下部硬巖難以達(dá)到理想的掘進(jìn)速度，引起上部土質(zhì)地層過度擾動(dòng)，造成噴涌、超挖等現(xiàn)象。一旦超挖將容易引起地面的沉降，導(dǎo)致重大安全風(fēng)險(xiǎn)事故。

工程要穿越全斷面硬巖段，硬巖主要為中風(fēng)化花崗巖，其單軸抗壓強(qiáng)度局部達(dá)到115MPa。硬巖段施工，刀具與掌子面摩擦產(chǎn)生的熱量大，溫度高。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，硬巖對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具刀盤、螺旋輸送機(jī)等設(shè)備會(huì)造成很大磨損。因此，在前期對(duì)設(shè)備刀具選型是至關(guān)重要的。

3 掘進(jìn)措施

3.1 設(shè)備依據(jù)地層選型措施

前期工程籌劃時(shí)，考慮上述地層對(duì)掘進(jìn)施工的影響，采用廈工中鐵生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)，滾刀達(dá)到44 把，邊緣刮刀12 把。盾構(gòu)機(jī)的破巖能力強(qiáng)，邊緣刀的增加，使刀具的刃間距更小，每把刀承受的壓力更小，減少刀具的更換次數(shù)。刀盤"一字型"布置的雙刃滾刀，可以將部分不能通過刀盤的巖塊（粒徑大于450mm）進(jìn)行破碎后再排除；能夠更好的完成上軟下硬、全斷面硬巖等復(fù)雜地層的掘進(jìn)任務(wù)。盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)功率大，盾構(gòu)設(shè)計(jì)更加適應(yīng)本項(xiàng)目區(qū)間掘進(jìn)，完全能夠保證了后期硬巖和上軟下硬地層中碴土改良及對(duì)刀盤、刀具的保護(hù)；盾構(gòu)機(jī)螺旋筒體內(nèi)徑為900mm,筒體內(nèi)徑的大小直接關(guān)系到最大出碴粒徑，盾構(gòu)機(jī)能夠更好的適應(yīng)上軟下硬及硬巖中出現(xiàn)的石塊等大直徑顆粒出碴，保證盾構(gòu)出碴流暢性，減小卡螺旋的風(fēng)險(xiǎn)；盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到1120KW，額定扭矩及脫困扭矩能滿足本標(biāo)段上軟下硬及全段面硬巖施工需求。

3.2 掘進(jìn)模式

在掘進(jìn)開挖面上部為碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，碎風(fēng)化裂隙發(fā)育，多呈碎塊狀，質(zhì)軟~較軟；下部為中風(fēng)化花崗巖，塊狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，強(qiáng)度高。這種組合，可能導(dǎo)致掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度較慢，上部“軟”土流失過多的情況，加之巖層裂隙水發(fā)育。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中各項(xiàng)參數(shù)控制不當(dāng)時(shí)，螺旋輸送器會(huì)出現(xiàn)涌水、噴碴等情況，導(dǎo)致掘進(jìn)過程中將要花費(fèi)大量的人力、物力及時(shí)間來清理盾尾碴土。

開挖面上部為碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化地層，具有風(fēng)化裂隙發(fā)育、強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，但掘進(jìn)時(shí)在一定時(shí)間內(nèi)尚有自穩(wěn)性。因受水的影響，需在掘進(jìn)掌子面建立一定的壓力來防止地下水涌入土倉，造成水土流失及螺旋輸送器噴涌的情況發(fā)生。因此掘進(jìn)采用盾構(gòu)機(jī)半敞開模式，即在土倉內(nèi)保留1/2～1/3 的碴土，向土倉內(nèi)注入壓縮空氣或泡沫、膨潤土來維持開挖面上部土壓，并輔助開挖作業(yè)。此地層掘進(jìn)，上部碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化地層只需掌子面進(jìn)行切削便可破壞土層，但下部中風(fēng)化地層硬度較高，對(duì)刀具的磨損較大，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档偷侗P轉(zhuǎn)速，控制貫入度以使刀具受到的瞬時(shí)沖擊小。推力范圍在10000~15000kN；刀盤扭矩不大于2500kN·m，掘進(jìn)速度不超過10mm/min，平均速度為5mm/min 左右。

而盾構(gòu)機(jī)在全斷面硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)掌子面的自穩(wěn)性好，可采用敞開模式進(jìn)行掘進(jìn)。掘進(jìn)時(shí)控制泡沫的注入量及比例，冷卻并潤滑刀具，降低土倉溫度。貫入度控制在20mm 內(nèi)；刀盤轉(zhuǎn)速控制在1r/min，扭矩在2000kN·m 內(nèi)，掘進(jìn)推力視扭矩情況盡量控制在15000kN 以內(nèi)。

3.3 注漿控制

因中風(fēng)化花崗巖地層裂隙發(fā)育，掘進(jìn)地層水主要為裂隙水，受其它類型地下水的補(bǔ)給；其徑流受節(jié)理裂隙形態(tài)控制,無統(tǒng)一的水面。因此需要注重注漿方式。經(jīng)試驗(yàn)段確定，同步注漿方量不小于6m3，正常段注6~6.4m3，下穿建構(gòu)筑物為6.4m3~6.8m3；頂部注漿壓力0.23～0.24MPa，推進(jìn)時(shí)結(jié)合掘進(jìn)速度控制注漿流量，采用壓力和流量雙重控制，使?jié){液均勻注入壁后。每推進(jìn)3 至5 環(huán)進(jìn)行一次環(huán)封，在盾尾形成隔水環(huán)，避免水流匯向刀盤。采用頂部注漿孔觀察，作為漿液注飽滿的一項(xiàng)校核方法。

3.4 基巖鉆孔

因要穿越的中、微風(fēng)化硬巖段，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)與其摩擦熱量大，對(duì)刀具及螺旋輸送機(jī)磨損大，因距離本工程全斷面硬巖段距離杭深鐵路較近，不考慮爆破。為此采取措施在地面進(jìn)行基巖鉆孔預(yù)處理，采用潛孔鉆對(duì)掘進(jìn)地層進(jìn)行鉆孔，孔間距30cm，孔深至隧底約31m，梅花形布設(shè)。以期一定程度上減小對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中所產(chǎn)生的影響。

3.5 常壓開倉檢刀、換刀

穿越全斷面硬巖地層刀具易磨損、掘進(jìn)速度慢等問題。通過采取刀具檢查、更換等措施可在一定程度上解決問題。

刀具更換：要選擇穩(wěn)定的地層和地點(diǎn)進(jìn)行，我方選擇施工前規(guī)劃好的全斷面硬巖地段進(jìn)行，根據(jù)刀具及巖層硬度選擇每掘進(jìn)1 環(huán)檢查刀具，及時(shí)檢查和更換邊緣滾刀。新安裝刀具要在掘進(jìn)20cm~50cm 再次復(fù)緊。設(shè)備進(jìn)入硬巖前和出硬巖前都要檢查甚至更換刀具。以使盾構(gòu)機(jī)能夠在全斷面硬巖中安全順利的掘進(jìn)。

3.6 監(jiān)控量測(cè)

因隧道埋深26~31m，地層復(fù)雜。上軟下硬地層上還存在黏性土層，若上軟下硬地層掘進(jìn)施工中出現(xiàn)超挖，多出碴情況，沉降反應(yīng)至地面具有滯后性。因此，不可完全依賴地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)。但若監(jiān)測(cè)不能及時(shí)反應(yīng)實(shí)際情況，將存在安全隱患，因此本工程除正常的地面布監(jiān)控點(diǎn)外，還增設(shè)深孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)與深孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，校核。同時(shí)關(guān)注土壓變化，出碴異常等情況與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。與此同時(shí)隧道內(nèi)采用地質(zhì)雷達(dá)掃描，對(duì)管片背后存在空隙進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)空隙處及時(shí)注漿充填。

4 結(jié)語

針對(duì)本工程硬巖段盾構(gòu)施工，施工進(jìn)度緩慢，開倉頻繁。施工中通過掘進(jìn)模式的調(diào)整，設(shè)備的提前選型，基巖的預(yù)鉆孔處理，常壓換刀點(diǎn)的選擇，同步及二次注漿對(duì)于地層的合理補(bǔ)充，使盾構(gòu)機(jī)順利的穿越上軟下硬地層和近50m 的全斷面中風(fēng)化硬巖。可見以上技術(shù)措施，在上軟下硬及全斷面硬巖地層中較為有效，具有一定的參考及指導(dǎo)價(jià)值。同時(shí)，通過采用這一系列措施，在一定程度上拓寬了盾構(gòu)施工在地質(zhì)上的應(yīng)用領(lǐng)域。