盾構區間全斷面硬巖處理方法研究

楊民強

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250041)

1 前言

隨著社會不斷發展，人們對地下空間的利用需求日益增加。盾構法施工以其安全、環保、高效等優勢，在地鐵、鐵路、引水隧道等工程中擔負著重要使命[1-2]。目前，盾構在軟土地層掘進技術已經成熟[3-4]，形成了完整的理論計算體系，并積累了大量工程經驗；但在全斷面硬巖地層掘進中經驗尚淺，在全斷面硬巖地層掘進中的刀具刀盤磨損、推進緩慢等問題一直是困擾盾構施工的難題。

諸多學者對盾構過全斷面硬巖區間施工技術進行了研究。楊梅[5]以東莞～惠州城為依托，通過對盾構在全斷面硬巖中掘進出現的盾體被卡、刀具磨損、管片上浮、管片錯臺、管片漏水等問題產生原因進行分析，提出了相應的解決方案，掘進速度提高至每天2～3環。章新華[6]結合深圳市地鐵3號線翠竹站一田貝站區間過硬巖段施工，針對地面沉降大、刀盤刀具磨損大、推進速度慢等問題，提出了保證盾構順利通過硬巖段的處理措施。閆建誠[7]結合實際工程，介紹了盾構過硬巖施工中刀盤刀具選型、掘進模式以及掘進參數設計、刀具管理、盾構姿態控制等方面的具體措施，確保盾構安全順利推進。針對盾構過硬巖刀具磨損快等問題，一些學者提出了爆破+盾構掘進的掘進方法。王忠康等[8]以某國儲地下水封石油洞庫項目為依托，設計了中深孔全斷面一次光面爆破技術，提高了巷道成型質量，超挖量在15 cm以內。陳新等[9]以紅沿河核電站取水隧洞硬巖段施工為依托，詳細介紹了全斷面硬巖段采用地面鉆孔爆破預處理技術施工的工藝流程及爆破計算，實踐表明，該技術具有安全、效率與經濟優勢。還有一些學者對礦山法+盾構空推進行了研究。孟福揚[10]對盾構空推過礦山法隧道施工技術要點環階進行了探討研究，明確了盾構空推過礦山法的作用以及對其研究的意義和價值。徐延召等[11]以武漢軌道交通某盾構區間為依托，介紹了施工流程及質量控制方法，該方法在施工中取得了良好的工程效果。石劉等[12]通過用盾構直接掘進、爆破+盾構掘進、礦山法+盾構空推三種工法的經濟性對比分析，總結出在工期不緊張、硬巖段長度較短、硬巖強度不高時，采用盾構施工可以降低造價；在硬巖段長度較長時、工期較緊時，采用礦山法+盾構空推方法施工費用較低。

本文以廈門市軌道交通3號線浦～后盾構區間為背景，通過對左右線類似全斷面硬巖段采用不同的處理方法時盾構掘進參數、刀具磨損情況、成型管片及隧道滲漏水進行分析對比，總結了盾構區間全斷面硬巖處理方法，對相似地層的盾構法隧道施工有積極的借鑒作用。

2 工程概況

廈門軌道交通3號線浦邊站～后村站盾構區間從浦邊站始發，沿石厝路向東北方向敷設，先以半徑為R＝350 m的曲線向北偏轉，再以R＝350 m的曲線向南偏轉，下穿規劃地塊后，沿翔安東路敷設進入后村站，從后村站盾構機解體后吊出。正線區間起訖里程為右DK26+080.644～右DK26+828.137、左DK26+080.644～左DK26+828.137。區間隧道右線長度為747.493 m，左線長度為772.536 m，總長度1 520 m，管片外徑6.2 m，盾構開挖直徑6.48 m。

浦～后盾構區間穿越地層主要為粉質黏土、散體狀強風化花崗巖、全～強風化花崗巖、全斷面中風化花崗巖、全斷面微風化花崗巖及孤石；區間穿越全斷面硬巖左線約53.6 m，右線約63.6 m，硬巖巖層強度達90 MPa。圖1為左線地質斷面圖，圖2為右線地質縱斷面圖。

圖1 左線地質縱斷面圖

圖2 右線地質縱斷面圖

3 左右線施工情況對比

3.1 左右線處理情況

左右線存在相似全斷面硬巖段(強度達90 MPa)地層。左線采取施工前進行地面預爆破處理，處理方式為常規的“深孔爆破法”，右線采取盾構直接推進的方法施工(見表1)。

表1 左右線處理情況

左線區間全斷面硬巖段經過爆破處理，右線區間全斷面硬巖區域未進行爆破處理，左右線區間在地層上相似性較大，同時此段處于右轉小半徑曲線段(350 m)范圍內，對盾構掘進施工參數設置、成型管片的質量控制要求極高。本文通過對左右線實際施工情況進行對比研究，得到了相關結論。

3.2 左右線施工情況對比

3.2.1 掘進施工效率對比

通過左右線掘進施工速度對比(見表2)，可以看出對全斷面硬巖地層進行爆破處理對盾構掘進施工效率提升較為明顯。

表2 左右線掘進時長統計

3.2.2 掘進參數對比

盾構掘進受到的阻力為被動壓力，爆破預處理后，地質松散，掘進時正面推進阻力減小，推力相應減小；適當增加貫入度，在增加推力的同時，可以提高推進速度。爆破預處理后，巖石塊度存在差異，扭矩波動增大；同時，由于掌子面不穩定，易發生坍塌，土倉內渣土量增加，掘進中反扭矩增加，刀盤扭矩增加。因此，左線(爆破)與右線(未爆破)相比在相同的刀盤轉速下，推力有所減小，扭矩波動增大，推進速度提升較大(見表3)。

表3 左右線掘進參數統計

3.2.3 進倉情況對比

左線經過爆破處理后，地質松散，掌子面破碎裂隙多，土倉進水量大且處理難度大。經過多次常壓試驗，土倉中頻繁出現石塊掉落聲音，刀盤前方掌子面破碎不穩定，無法正常進行常壓進倉，若考慮帶壓進倉，也有進倉效率低、時間長、風險高的問題，本項目左線區間在預設開倉點地面注漿加固處理后順利常壓進倉。右線全斷面區域未爆破處理，掌子面完整，地層穩定，土倉進水主要為后部來水，常壓進倉的風險小。圖3為左線開倉掌子面，圖4為右線開倉掌子面。

圖3 左線開倉掌子面情況

圖4 右線開倉掌子面情況

通過左右線進倉情況(見表4)看，盾構機在爆破預處理的地層掘進施工中刀具磨損量有很大降低，但是左線出現刮刀崩齒。滾刀磨損量減小是因為爆破預處理后，盾構掘進過程中推力減小，從而使得相同位置的滾刀磨損減小。出現刮刀崩齒的原因是爆破預處理后，掘進過程中大量的塊狀巖石堆積到刀盤底部，邊緣刮刀一直高速運轉，在無規律的多次磨損下，致使刮刀出現崩齒情況。

表4 左右線進倉情況統計

3.2.4 施工情況對比

右線全斷面硬巖區域由于未進行爆破處理，巖石強度高，完整性好，同時處于右轉小半徑(350 m)曲線段，在此種地層中掘進，為保證盾構機掘進軸線能夠順利擬合隧道設計軸線，左右側推進油缸的行程差和油壓差會較大。而左右側推進油缸的行程差較大會導致盾構機盾尾與盾尾內的管片夾角過大，造成盾尾間隙較小，增大盾尾的磨損，甚至管片會卡住盾尾，造成盾尾及盾尾刷損壞，更嚴重是盾尾與中盾連接螺栓斷裂脫離；左右側推進油缸壓力差大，成型管片的質量控制難度大，極易出現破損、錯臺、滲漏水的情況。

左線全斷面硬巖區域經過爆破處理后，地層巖面破碎，地質松散，姿態控制難度降低，盾構機掘進所需較右線(未爆破)有所減小，對管片的擠壓力減小，成型管片質量有很大提高。但經過爆破處理后，地層裂隙增多，裂隙水量豐富，推進過程中螺旋機噴涌情況與右線相比明顯增大(見表5)。

表5 左右線施工情況

由于全斷面硬巖區域未進行爆破處理，盾構機掘進后形成完整穩固的通道，對同步注漿方量及同步注漿的壓力控制要求高，注漿壓力大注漿量多，漿液在完整的巖層通道中無法滲透，易出現漿液流通至土倉的情況；注漿壓力小注漿量少，則會造成管片脫出盾尾后無法穩固，出現管片“上浮”的情況。經過爆破后的地層相對松散，穩固性差，同步注漿的漿液可以沿裂隙進行滲透，對同步注漿壓力控制方面要求相對較低，但也需對同步注漿量和漿液配比進行調整，以適合硬巖區域掘進。

3.2.5 方法討論

通過對左右線區間實際施工中的幾個方面進行對比研究，總結出全斷面硬巖段區間盾構施工時采用爆破預處理和非爆破處理的優缺點(見表6)。

表6 爆破處理與未爆破處理優缺點

綜上所述，全斷面硬巖區域可不進行爆破或部分爆破處理，預設開倉點不進行爆破處理，作為一個穩定完整區域進行常壓進倉檢查更換刀具；若全斷面硬巖區域采取爆破處理，則提前進行地面注漿加固等措施加固地層以保證順利常壓進倉。

4 結束語

本文以廈門市軌道交通3號線浦～后盾構區間為背景，通過對左右線相似硬巖段采用不同處理方法時盾構掘進參數、刀具磨損情況、成型管片及隧道滲漏水情況進行分析對比，總結了盾構區間全斷面硬巖處理方法。具體結論如下:

全斷面硬巖區域可不進行爆破或部分爆破處理，預設開倉點不進行爆破處理作為一個穩定完整區域進行常壓進倉檢查更換刀具，若全斷面硬巖區域采取爆破處理，則提前進行地面注漿加固等措施加固地層以保證順利常壓進倉。