復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

田超

摘要：隨著地鐵盾構(gòu)施工的發(fā)展，在盾構(gòu)施工過(guò)程中所遇到的地層也是更加豐富多樣，文中結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)中所遇見(jiàn)的中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層掘進(jìn)中所采用的相關(guān)技術(shù)工作做了總結(jié)。在施工過(guò)程中不斷對(duì)相關(guān)參數(shù)和工藝的優(yōu)化，如同步注漿控制、二次注漿控制、氣壓輔助掘進(jìn)、換刀等;提高了工作效率，降低了施工成本，節(jié)約了施工工期，為今后的類似地質(zhì)條件下的地鐵盾構(gòu)工程提供了相應(yīng)的借鑒與參考。

Abstract： With the development of subway shield construction， the strata encountered during the construction of shield tunnels are also more diverse. The relevant technical works used in the mid-weathered and strongly weathered rock formation encountered in shield tunneling are summarized. During the construction process， the parameters and processes are continuously optimized， such as synchronous grouting control， secondary grouting control， air pressure assisted excavation， tool change， and so on. The work efficiency is improved， the construction cost is reduced， and the construction period is saved， which provides corresponding reference to the subway shield engineering under similar geological conditions.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)選型;刀具配置;注漿控制;氣壓輔助;換刀

Key words： shield machine selection;tool configuration;grouting control;air pressure assist;tool change

1? 工程概況

1.1 概況

溧水站～中山東路站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱溧～中區(qū)間）位于溧水區(qū)永陽(yáng)鎮(zhèn)交通路與秦淮大道交叉口南側(cè)附近，自溧水站南端頭始發(fā)，至中山東路站北端頭接收。起止里程：YDK24+950.600～YDK26+481.500，長(zhǎng)1530.900m，共計(jì)1276環(huán)管片隧道頂埋深12.1～26.1m左右。

1.2 施工環(huán)境

1.3 工程地質(zhì)及水文情況

1.3.1 地質(zhì)情況

溧～中盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況非常復(fù)雜主要穿越：強(qiáng)根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果，溧～中區(qū)間穿越的地層主要為J31w-2強(qiáng)風(fēng)化安山巖、J31W-3P破碎狀中風(fēng)化安山巖、J31w-3R軟弱狀中風(fēng)化安山巖、J31w-3中風(fēng)化安山巖。最高強(qiáng)度184MPa，裂隙水大，其中上軟下硬349m，全斷面1000m，破碎帶180m。（表1）

1.3.2 水文情況

①地表水。本區(qū)間在里程YDK25+952.2東側(cè)約40m有一水塘，水塘水面高程20.51m（吳淞高程系），水深1.6m，淤泥厚度0.6m。②地下水。溧水站～中山東路站區(qū)間其特征如下：根據(jù)勘察報(bào)告所述的地層結(jié)構(gòu)和地下水賦存條件，本標(biāo)段地下水類型主要為松散地層中的孔隙水和基巖裂隙水。

2? 盾構(gòu)長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)方案的研究與實(shí)踐

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型

2.1.1 盾構(gòu)機(jī)選型

本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)根據(jù)地層及周邊環(huán)境采用了遼寧三三工業(yè)SS32000復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，設(shè)備總重量約為450t，主軸承直徑3.13m，設(shè)計(jì)壽命15km，最大扭矩6650kNm，脫困扭矩8320kNm;復(fù)合式結(jié)構(gòu)刀盤材質(zhì)Q690+Q345 ，刀盤開(kāi)口率34%，中心開(kāi)口率50%，刀盤總重量70T。盾體長(zhǎng)度9.62m后部拖車64m，總長(zhǎng)度為73.62m。

2.1.2 刀盤選型

2.2 盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭加固

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，中山東路站接收端頭隧道范圍內(nèi)地層主要以自穩(wěn)性較高的中風(fēng)化安山巖為主，施工環(huán)境相對(duì)安全，因此，接收端頭無(wú)需進(jìn)行地基加固。溧～中盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)端頭洞門范圍內(nèi)地層主要以強(qiáng)度等級(jí)較高、自穩(wěn)性較好的強(qiáng)風(fēng)化安山巖及中風(fēng)化安山巖為主，因此，本次溧水站始發(fā)端頭加固采用：袖閥管注漿+GFRP玻璃纖維筋補(bǔ)強(qiáng)的加固方式。

3? 長(zhǎng)距離硬巖盾構(gòu)快速掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的研究及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 同步注漿參數(shù)控制技術(shù)研究及創(chuàng)新

在掘進(jìn)過(guò)程中由于地下水豐富，原漿液凝固時(shí)間較長(zhǎng)，封水及填充效果不理想，導(dǎo)致噴涌現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，為減少噴涌，提高掘進(jìn)工效，優(yōu)化漿液配比，控制注漿方量。

①及時(shí)調(diào)整漿液的配合比，使?jié){液初凝時(shí)間達(dá)到6-8小時(shí)，起到良好的填充作用及止水效果。②結(jié)合地層的填充系數(shù)以及富水因素，計(jì)算出每環(huán)注漿量約為5-5.5m3，施工中嚴(yán)格控制，保證管片壁后漿液的飽滿度，防止管片上浮。

3.2 二次封環(huán)注漿技術(shù)研究及創(chuàng)新

為加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)盾尾的止水效果，減少盾構(gòu)機(jī)后方來(lái)水補(bǔ)充至土倉(cāng)，造成螺機(jī)噴涌，影響施工掘進(jìn)，主要采取二次注漿封環(huán)技術(shù)。

3.2.1 二次封環(huán)注漿技術(shù)

跟機(jī)在盾尾后二次注漿（雙液漿），形成止水環(huán)箍，加快同步注漿凝結(jié)時(shí)間，達(dá)到封堵盾構(gòu)機(jī)后方水源目的，減少了噴涌、降低管片上浮和成型隧道滲水。

封環(huán)注漿位置及時(shí)間：漿液注入位置在盾尾后第4環(huán)，第5環(huán)進(jìn)行注漿，相鄰兩環(huán)注漿點(diǎn)位錯(cuò)開(kāi)呈梅花形布置。

3.2.2 二次封環(huán)注漿技術(shù)優(yōu)化

前期施工中，采用每10環(huán)封環(huán)注漿的技術(shù)，噴涌次數(shù)有所減少，但效果仍不理想，噴涌制約掘進(jìn)時(shí)間還是較多，后通過(guò)改進(jìn)，將注漿時(shí)間調(diào)整為每5環(huán)進(jìn)行注漿的方法，噴涌次數(shù)明顯減少，為達(dá)到封環(huán)注漿最佳效果，對(duì)注漿時(shí)間再次進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，掘進(jìn)過(guò)程中環(huán)環(huán)進(jìn)行封環(huán)注漿，結(jié)果理想，噴涌現(xiàn)象得到了有效的制止，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)的控制技術(shù)研究及創(chuàng)新

3.3.1 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定的理念

硬巖掘進(jìn)對(duì)刀具損壞較大，以保護(hù)刀具為原則，掘進(jìn)參數(shù)的選擇以貫入度為基準(zhǔn)來(lái)控制調(diào)整掘進(jìn)速度和總推力。

3.3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)不同地層參數(shù)控制

3.3.3 掘進(jìn)參數(shù)的管理

①當(dāng)扭矩波動(dòng)最大值與最小值相差20bar，停機(jī)開(kāi)倉(cāng)檢查刀具。②當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)際值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，停機(jī)開(kāi)倉(cāng)檢查刀具。③每推進(jìn)30環(huán)，停機(jī)開(kāi)倉(cāng)檢查刀具。

3.4 氣壓輔助掘進(jìn)施工技術(shù)研究及創(chuàng)新

3.4.1 氣壓輔助掘進(jìn)施工原理及優(yōu)點(diǎn)

原理：氣壓輔助掘進(jìn)施工是指利用盾構(gòu)機(jī)上的空壓機(jī)向土倉(cāng)內(nèi)注入空氣建立倉(cāng)壓。使氣壓同開(kāi)挖面裂隙內(nèi)水壓平衡，減少了倉(cāng)內(nèi)外來(lái)水的進(jìn)入，防止噴涌，也減少了地下水的流失有利于控制地面沉降或塌陷。

優(yōu)點(diǎn)：氣壓輔助掘進(jìn)倉(cāng)內(nèi)渣土量少，在相同推進(jìn)速度下，使用氣壓輔助工法，盾構(gòu)機(jī)推力及刀盤扭矩相對(duì)較小，從而減小了巖層對(duì)刀具的磨損，降低了開(kāi)倉(cāng)換刀頻率，提高了掘進(jìn)效率，同時(shí)也降低了盾構(gòu)機(jī)故障率，詳見(jiàn)表7。

3.4.2 氣壓輔助掘進(jìn)的工序流程

第一步：將空壓機(jī)產(chǎn)生的氣體利用保壓系統(tǒng)輸入土倉(cāng)內(nèi)。第二步：調(diào)節(jié)保壓系統(tǒng)壓力設(shè)定值使之與地下水壓力平衡。第三步：通過(guò)螺機(jī)出土，并利用土倉(cāng)壁上的觀察孔，觀察渣土位面高度。第四步：渣土位面高度達(dá)到施工需求。第五步：開(kāi)始掘進(jìn)。

3.5 換刀方案技術(shù)研究及創(chuàng)新

3.5.1 壓氣換刀

3.5.2 常壓換刀

由于每次氣壓換刀施工周期較長(zhǎng)，且區(qū)間換刀頻率為65環(huán)/次，如果延用壓氣換刀方案繼續(xù)施工，單純壓氣換刀理論時(shí)間總需140天，無(wú)法滿足節(jié)點(diǎn)工期要求，因此當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到中風(fēng)化安山巖地層中，圍巖穩(wěn)定情況下，優(yōu)化換刀方案，將壓氣換刀方案調(diào)整為常壓換刀方案，加快每次換刀時(shí)間，為盾構(gòu)掘進(jìn)爭(zhēng)取時(shí)間。

3.5.3 常壓換刀的優(yōu)化

隨著封環(huán)注漿止水效果越來(lái)越好，盾構(gòu)后方來(lái)水越來(lái)越少，為進(jìn)一步加快換刀速度，對(duì)常壓換刀進(jìn)行優(yōu)化。將停機(jī)封環(huán)注漿調(diào)整為掘進(jìn)過(guò)程中封環(huán)注漿。

優(yōu)化后常壓換刀主要工藝流程為：邊推進(jìn)，邊封環(huán)注漿→人員進(jìn)倉(cāng)→換刀。

3.5.4 開(kāi)倉(cāng)換刀工藝優(yōu)化功效分析

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)在地下水豐富的中（強(qiáng)）風(fēng)化巖層中的盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，對(duì)于在該地質(zhì)情況下的盾構(gòu)施工所常見(jiàn)的施工問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致的總結(jié)。在該工程環(huán)境中盾構(gòu)施工，易產(chǎn)生刀具磨損、螺機(jī)噴涌、掘進(jìn)工效較低、管片上浮等施工問(wèn)題。但是通過(guò)研究與總結(jié)，不難發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)地質(zhì)情況、同步注漿、二次注漿漿液質(zhì)量、掘進(jìn)施工參數(shù)等的相關(guān)問(wèn)題的研究，把握好施工控制重點(diǎn)和關(guān)鍵施工技術(shù)，就能在施工過(guò)程中提高施工質(zhì)量;減少盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷，提高施工效率，節(jié)約施工工期;降低材料消耗，合理節(jié)約施工成本，創(chuàng)造施工效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊書(shū)江.硬巖地鐵隧道鉆爆法開(kāi)挖結(jié)合盾構(gòu)法襯砌的施工技術(shù)[J].城市軌道交通研究，2006（02）.

[2]王小忠.盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)距離硬巖中掘進(jìn)的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006（04）.

[3]李茂文，劉建國(guó)，韓雪峰，陳壽根.長(zhǎng)距離硬巖地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2009（04）.