地鐵復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)施工適應(yīng)性問(wèn)題探討

齊曉成

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京100018）

1 工程概況

橫琴隧道1號(hào)井—灣仔北區(qū)間位于珠海市區(qū)南灣大道，線路左側(cè)臨海，多為工業(yè)廠房。盾構(gòu)隧道起訖里程左線DK2＋748.926—DK3+986.200，全長(zhǎng)1.237km，右線YDK2＋764.071～YDK3＋994.380，全長(zhǎng)1.230km，雙洞單線，采用盾構(gòu)法施工。

盾構(gòu)機(jī)從1號(hào)井開(kāi)始施工，持續(xù)進(jìn)行到灣仔北站小里程吊出。襯砌結(jié)構(gòu)為C50鋼筋混凝土預(yù)制管片，內(nèi)徑7 700mm、外徑8 500mm。每環(huán)管片由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊連接塊和1塊封頂塊共7片管片組成。

2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)選擇的型號(hào)是鐵建重工DZ192機(jī)型和海瑞克S-592，區(qū)間右線海瑞克S-592盾構(gòu)機(jī)先始發(fā)，以右線地層為基準(zhǔn)得到掘進(jìn)參數(shù)，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)

3 盾構(gòu)機(jī)選型

3.1 選型原則及依據(jù)

盾構(gòu)選型應(yīng)充分遵循安全性、經(jīng)濟(jì)性等多項(xiàng)原則，確定合適的機(jī)型設(shè)備，由此降低輔助施工作業(yè)量，并提升開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。

3.2 盾構(gòu)類(lèi)型確定

3.2.1 根據(jù)工程適用性確定

不同的盾構(gòu)機(jī)性質(zhì)存在差異，所適應(yīng)的地質(zhì)范圍也有所差別，將其運(yùn)用于其他地形時(shí)則存在一定的局限性，綜合考慮到本工程的實(shí)際情況，選定為泥水平衡盾構(gòu)及土壓平衡盾構(gòu)兩大類(lèi)。

3.2.2 根據(jù)地層滲水系數(shù)確定

對(duì)地層透水系數(shù)進(jìn)行分析，當(dāng)其大于1×10-4m/s時(shí)，則以泥水盾構(gòu)的方式為宜；如果實(shí)際地層系數(shù)小于1×10-7m/s，此時(shí)則選用土壓平衡盾構(gòu)的方式更具可行性。如果該系數(shù)值介于1×10-7～1×10-4m/s范圍時(shí)，則上述2種設(shè)備都具有可行性。

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)工序流程

盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)工序流程如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)工序流程

3.4 掘進(jìn)控制程序

做好盾構(gòu)隧道施工掘進(jìn)工作至關(guān)重要，其是推動(dòng)后續(xù)施工持續(xù)進(jìn)行的基本條件，對(duì)此需要注重：①刀具充分切削、破碎地層；②經(jīng)切削操作后所得到的土層應(yīng)在第一時(shí)間將其運(yùn)走?；谏鲜龇治龅弥?，掘進(jìn)參數(shù)的選擇尤為關(guān)鍵，需充分考慮到不同地層條件下的刀具、轉(zhuǎn)速等參數(shù)情況。

3.5 掘進(jìn)模式與擬定掘進(jìn)參數(shù)

3.5.1 土壓平衡模式技術(shù)措施

1）關(guān)于軟土的處理，以切削入及刮刀這兩大工具為宜，由于巖層性質(zhì)較為特殊，則以滾刀為宜，施工中要求刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速處于較低水平，并以大扭矩進(jìn)行推進(jìn)作業(yè)。

2）相較于靜水壓力與地層土壓力總和而言，所得到的土倉(cāng)壓力值P應(yīng)比其略大，即P=KP0，K=1.0～1.3，砂性地層K取上限值，而對(duì)于黏性地層而言K值則以下限值為宜，在后續(xù)的掘進(jìn)施工中持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

3）以掘進(jìn)速度為基準(zhǔn)，綜合參考排土量情況，最終確定合適的土倉(cāng)壓力，需達(dá)到切削土量與排土量相均衡的狀態(tài)，這是確保土倉(cāng)壓力平衡的基本條件。

3.5.2 盾構(gòu)機(jī)選型

1）海瑞克盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用通常情況下，在掘進(jìn)施工時(shí)應(yīng)做好各項(xiàng)參數(shù)的控制工作：①氣墊倉(cāng)泥渣液位高度；②氣體保壓（Samson）壓力值；③土倉(cāng)（開(kāi)挖倉(cāng)）泥渣壓力值；④刀盤(pán)扭矩（驅(qū)動(dòng)壓力）的控制；⑤盾構(gòu)總推力的控制；⑥掘進(jìn)方向的控制；⑦進(jìn)排漿壓力、流量及泥漿泵電流的控制；⑧注漿量及注脂量的控制。

2）鐵建重工盾構(gòu)機(jī)DZ192應(yīng)用鐵建重工盾構(gòu)機(jī)選型尤為關(guān)鍵，會(huì)對(duì)復(fù)合地層隧道施工質(zhì)量帶來(lái)直接影響。如選型不當(dāng)會(huì)破壞地下管道設(shè)施，影響通信及水電氣供應(yīng)等；有時(shí)還會(huì)帶來(lái)掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的作用下圍巖及地層持續(xù)變形，且地表沉降更為明顯，工程施工被迫停止；在部分特殊情況下，還會(huì)造成開(kāi)挖面坍塌等嚴(yán)重工程事故。

鐵建重工盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

1）確定合適的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)面板型，能提升刀具的受力合理性，要求其開(kāi)口率以35%為宜，具有較強(qiáng)的強(qiáng)度與剛性。可在黏性土地層中進(jìn)行持續(xù)性掘進(jìn)施工，也可良好地應(yīng)用于弱風(fēng)化層中，即便是地層的強(qiáng)度較大也依然具有較大推力。

2）無(wú)論是刀盤(pán)設(shè)計(jì)還是刀具的配置都具有高度合理性，刀具經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后性能依然未發(fā)生改變。選用12臺(tái)功率均為250kW的變頻電動(dòng)機(jī)，彼此共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，帶來(lái)較大的扭矩與轉(zhuǎn)速，適用于多種地層環(huán)境中。推進(jìn)油缸的糾偏性能良好，在面對(duì)復(fù)合地層時(shí)也能做好軸線控制工作，可實(shí)現(xiàn)超前鉆探加固，這對(duì)在復(fù)雜地層區(qū)域而言尤為適用。

3）螺旋輸送機(jī)采用有軸式，能伸縮，后部尾部處排土，且螺旋輸送機(jī)前端葉片及前筒體堆有高于普通硬質(zhì)合金硬度的最新型耐磨材料，抗磨性能優(yōu)越。適配有泡沫與添加劑注入系統(tǒng)，在此影響下可改善開(kāi)挖面的土體條件。能以自動(dòng)化的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)膨潤(rùn)土與添加劑的控制，單個(gè)刀盤(pán)的注入口數(shù)量為7個(gè)，因此充分保障了開(kāi)挖面土體的性能。

3.6 盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制與調(diào)整

3.6.1 盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制

1）隨著盾構(gòu)推進(jìn)施工的持續(xù)進(jìn)行，要求后視基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)向前移動(dòng)，基于人工測(cè)量的方式可達(dá)到精準(zhǔn)定位的效果，確保推進(jìn)方向的可靠性。應(yīng)安排專(zhuān)員進(jìn)行測(cè)量，頻率以每周2次為宜，在自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的作用下完成對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與校正，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行分析與調(diào)整，確保盾構(gòu)掘進(jìn)方向的正確。

2）以線路條件為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上制定出分段軸線擬合控制計(jì)劃，綜合考慮所在區(qū)域的隧道地層情況，在推進(jìn)油缸的作用下達(dá)到控制掘進(jìn)方向的效果。

3.6.2 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整與糾偏

1）姿態(tài)調(diào)整基于上述方法展開(kāi)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的持續(xù)性調(diào)整，將其偏差控制在合理范圍內(nèi)。

2）滾動(dòng)糾偏若出現(xiàn)滾動(dòng)超限問(wèn)題，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)會(huì)自行發(fā)出警報(bào)，基于盾構(gòu)刀盤(pán)反轉(zhuǎn)的方式達(dá)到糾正偏差的效果。在本工程中，允許出現(xiàn)的滾動(dòng)偏差最大值為1.5°，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)盾構(gòu)機(jī)發(fā)出警報(bào)，此時(shí)相關(guān)人員應(yīng)切換刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向，從而達(dá)到反轉(zhuǎn)糾偏的效果。

3）豎直方向糾偏影響盾構(gòu)機(jī)方向的因素較多，其中以千斤頂?shù)膯蝹?cè)推力最為關(guān)鍵，如果盾構(gòu)機(jī)做出下俯動(dòng)作，此時(shí)可以通過(guò)加大千斤頂推力的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)糾偏。

4）水平方向糾偏類(lèi)似于豎直方向糾偏原理，當(dāng)出現(xiàn)左偏時(shí)則需要適當(dāng)加大左側(cè)的千斤頂推力；反之，如果出現(xiàn)了右偏，則需要適當(dāng)加大右側(cè)的千斤頂推力。

3.6.3 方向控制及糾偏注意事項(xiàng)

1）當(dāng)對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行換向時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)拈g隔時(shí)間；在對(duì)推進(jìn)油缸進(jìn)行調(diào)整時(shí)速度應(yīng)適中，切換速度要控制在合理范圍內(nèi)，否則將帶來(lái)管片受力突變問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)致使管片損壞。

2）以掌子面的實(shí)際情況為基準(zhǔn)，由此確定合適的掘進(jìn)參數(shù)，在此過(guò)程中需要設(shè)置警戒值，一旦觸碰到該值時(shí)需啟動(dòng)糾偏程序。

3）在進(jìn)行蛇行修正時(shí)，以長(zhǎng)距離緩慢修正的原則較為可行，如果此環(huán)節(jié)的操作速度過(guò)快，所帶來(lái)的修正效果反而適得其反。在直線推進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)確定盾構(gòu)機(jī)的所在點(diǎn)，需要選取設(shè)計(jì)線上較遠(yuǎn)處的一點(diǎn)，所得到的直線便是后續(xù)線形管理的基本參考。

4 結(jié)語(yǔ)

立足于某地鐵盾構(gòu)施工標(biāo)段的實(shí)際施工背景，研究在復(fù)合地層中使用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)備選型及適應(yīng)性改造的方法。經(jīng)工程實(shí)踐表明，這種盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性能良好，可為類(lèi)似工程的施工提供參考。