“軟土刀盤”在上軟下硬地層掘進(jìn)施工技術(shù)研究

蘇繼峰

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原030000）

1 工程概況

徐州地鐵2號線一期工程大龍湖站—文博園站（接收井）從大龍湖站始發(fā)，沿昆侖大道敷設(shè)，下穿彭祖大道后到文博園站（接收井）。區(qū)間隧道左線設(shè)計里程ZK18+280.264～ZK18+841.022、長鏈一處（左K18+483.818=左K18+476.447，長鏈7.371m），左線長度572.889m；右線設(shè)計里程YK18+275.504～YK18+841.022，右線長度565.518m。縱斷面上出大龍湖站后以26‰的縱坡下坡，然后左、右線分別采用3.973‰、4.005‰的縱坡下坡至文博園站（接收井）。

2 工程地質(zhì)

文博園盾構(gòu)井—大龍湖站盾構(gòu)區(qū)間隧道的覆土厚度為9.6～18.2m，區(qū)間隧道穿越的主要土層為5-3-4黏土、3-4-3粉質(zhì)黏土、2-5-3粉土、2-5-4粉土、局部穿越12-4-3中風(fēng)化石灰?guī)r。其中，左線12-4-3中風(fēng)化石灰?guī)r侵入隧道1m，長度10m；右線有12-4-3中風(fēng)化石灰?guī)r侵入隧道最高1m，長度44.5m。

12-4-3層中風(fēng)化石灰?guī)r，巖體較完整，較硬巖，采取率TCR=70%～95%，巖石抗壓強度為60～120MPa，平均為90MPa。

3 施工中相關(guān)問題及解決措施

3.1 施工中面臨問題

本工程選用鐵建重工ZTE6410型土壓平衡盾構(gòu)機，刀盤采用輻條加小面板的設(shè)計，開口率約50%，無滾刀，不具備破巖能力。結(jié)合現(xiàn)場主要面臨幾個問題：

1）軟土刀盤在上軟下硬地層掘進(jìn)時，刀具在硬巖掘進(jìn)加劇刀具磨損導(dǎo)致刀盤強度和剛度降低、主軸承受損或主軸承密封破壞等問題，重新定制刀盤，加工周期長，且費用較高。

2）軟土刀盤盾構(gòu)機上軟下硬復(fù)合地層掘進(jìn)，盾構(gòu)姿態(tài)不易控制，易往地層強度較低的方向偏移。

3）復(fù)合地層中掘進(jìn)時，由于下部硬巖與上部軟巖強度差異大，掘進(jìn)速度緩慢，推進(jìn)時間長，地層擾動大，出土量增多，容易導(dǎo)致上部土體發(fā)生坍塌【1】。

3.2 解決措施

充分考慮利用現(xiàn)有刀盤，從節(jié)約成本和工期考慮，提出了解決措施：對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行改造、對侵入隧道的巖石預(yù)先鉆孔處理、合理控制掘進(jìn)參數(shù)。

3.2.1 刀盤改造

1）盾構(gòu)刀盤改造。對現(xiàn)有刀盤進(jìn)行針對改造，即在原有刀盤上，增加5個邊緣滾刀、8個正面滾刀，即增加13把17寸（56.61cm）滾刀，刀間距100mm，刀高175mm，可先于貝殼刀和切刀接觸地層，對掌子面先行切削入地層。

2）刀盤結(jié)構(gòu)強度分析。（1）刀盤結(jié)構(gòu)材料。對改造后刀盤的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析，刀盤鋼結(jié)構(gòu)采用的材料為Q345C，材料的屈服極限為：σs≥305MPa（鋼板厚度t＞80～100mm）。（2）安全系數(shù)。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，對于按承載能力極限狀態(tài)計算的鋼結(jié)構(gòu)，可變荷載的安全系數(shù)為：γ=0.9×1.4=1.26；鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為：γ0=0.95；其強度設(shè)計值為：[σs]≥254MPa（鋼板厚度t＞80～100mm）。

3）加載條件。盾構(gòu)推力：T=4 500kN，刀盤扭矩：M=4 798kN·m。

4）分析結(jié)果。刀盤上推力施加于滾刀和面板，合力為4 500kN，同時，在刀盤大圓環(huán)外圈施加扭矩，扭矩大小為4 798kN·m。在刀盤與主驅(qū)動連接法蘭面施加固定約束。根據(jù)刀盤Mises等效應(yīng)力云圖，分析可得出刀盤最大應(yīng)力225MPa，位于環(huán)形筋板與幅臂側(cè)板焊接處。刀盤材料的許用應(yīng)力[δs]≥254MPa＞225MPa。綜上分析，刀盤結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求【2】。

3.2.2 鉆孔處理

由于侵入隧道的巖石位于盾構(gòu)出洞段，考慮螺旋輸送機理論通過的卵石粒徑300mm×580mm，采用日本進(jìn)口RPD-75SL-H2分體小型鉆機對侵入隧道巖石進(jìn)行鉆孔處理，鉆孔間距為300mm×300mm，總共28個孔。

3.2.3 掘進(jìn)參數(shù)合理控制

上軟下硬地層既有軟巖地層的不穩(wěn)定性，又具有硬巖的強度，選擇正確的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)至關(guān)重要。

1）刀盤轉(zhuǎn)速的選擇：在上軟下硬地層中掘進(jìn)，軟巖部分只需對掌子面進(jìn)行切削即可破壞土層，局部巖石硬度較高，切削硬巖時，滾刀受力較大，刀盤的損傷大。盾構(gòu)掘進(jìn)時，降低刀盤轉(zhuǎn)速，控制在1.0r/min。

2）土倉壓力的選擇：在上軟下硬的地質(zhì)，掘進(jìn)時應(yīng)保持較高的土倉壓力與掌子面的壓力平衡，比正常土倉壓力提高10～20kPa（0.1～0.2bar）。

3）推力的選擇：由于局部存在的硬巖對刀具的磨損很嚴(yán)重，刀盤扭矩是刀具在受到?jīng)_擊力后的直接體現(xiàn)，降低刀盤扭矩實際就是減少刀具所受的沖擊力。在軟硬不均的上軟下硬地層中，掘進(jìn)速度控制在20mm/min以內(nèi)，推力在9 000～12 000kN（900t～1 200t）之間。

4 應(yīng)用實例

文大區(qū)間上軟下硬段區(qū)間盾構(gòu)區(qū)間隧道覆土16.43～17.36m，推力控制在10 000～12 000kN，掘進(jìn)速度達(dá)到10～20mm/min，土倉壓力與理論計算值基本吻合，且能有效地控制地表沉降。注漿壓力控制在0.2～0.3MPa，注漿量控制在4～5m3。盾構(gòu)掘進(jìn)至440～470環(huán)時成型隧道滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

1）由于勘查報告孔間距較大，不能準(zhǔn)確反映地層實際情況，須利用提前地層進(jìn)行補勘，只有對地質(zhì)有準(zhǔn)確的了解，才能制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2）對軟土刀盤進(jìn)行針對性的改造，在刀盤加以滾刀，刀間距100mm，中心刀具采用四級高差配置。這種配置可有效提高中心區(qū)域的渣土流動性，也可以適應(yīng)于局部基巖凸起段。

3）針對侵入隧道的基巖凸起段，提前進(jìn)行針對性鉆孔處理，大大降低刀局部刀具受力超載，減少刀盤刀具的磨損。

4）合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，在上軟下硬地層中掘進(jìn)，由于刀具和軟硬不均巖面做周期性碰撞，刀盤的震動很大，必須降低推力，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制出渣量，加大同步注漿量，及時進(jìn)行二次補漿，以求得在現(xiàn)有刀具條件下的最佳掘進(jìn)效果。

5）掘進(jìn)時，加強渣土改良，在泡沫劑作用下，刀盤作用在掌子面上的有效扭矩得以增加，同時可以減少刀具連續(xù)工作狀態(tài)下的磨損量。

6）盾構(gòu)施工過程時，加強地面監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

徐州地鐵2號線文博園盾構(gòu)井—大龍湖站盾構(gòu)區(qū)間的施工實例證明，只要工程實施前期做好詳細(xì)的地質(zhì)補勘，準(zhǔn)確掌握工程地質(zhì)條件，通過對刀盤改造和基巖凸起段的提前處理，采取合理的掘進(jìn)參數(shù)，短距離上軟下硬地層采用軟土刀盤施工是完全可行的。