地鐵盾構(gòu)機穿越復(fù)雜地質(zhì)施工技術(shù)

王貫洲

（中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

1 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進程逐步推進，地鐵成為多數(shù)大中型城市緩解交通壓力的重要途徑。縱觀地鐵工程施工全流程，盾構(gòu)施工為重點內(nèi)容，但礙于地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜的緣故，常出現(xiàn)盾構(gòu)施工質(zhì)量欠佳、安全隱患增多等情況，工程的綜合效益不高。本文將圍繞盾構(gòu)機穿越復(fù)雜地質(zhì)的施工技術(shù)展開探討。

2 工程概況

深圳地鐵8號線一期工程（蓮塘至鹽田）線路全長12.341 km，包含6站6區(qū)間。受地質(zhì)、地勢及車站埋深的影響，深外站至鹽田站區(qū)間施工難度偏大，縱斷面為單向坡，最大縱坡2.9%，隧道埋深11～22 m。區(qū)間地質(zhì)具有上軟下硬的特點，分布較大范圍的微風化層和卵石層，不利于盾構(gòu)機的順利推進。

3 軟硬不均地層中的盾構(gòu)掘進

區(qū)間通過的地質(zhì)條件特殊，上部全風化、強風化，下部弱風化、微風化，在該環(huán)境下組織隧道掘進作業(yè)時，硬土體和軟土體的抗壓強度存在顯著差異，盾構(gòu)機的偏位現(xiàn)象加劇，難以維持既定的盾構(gòu)姿態(tài)，極易產(chǎn)生隧道軸線偏移。掘進施工期間，刀盤的轉(zhuǎn)速因地質(zhì)特性而調(diào)整，在軟弱地層環(huán)境中則存在較明顯的擾動現(xiàn)象，嚴重時會因為土壓失衡而誘發(fā)掌子面塌方事故。在盾構(gòu)姿態(tài)大幅度偏離設(shè)計要求的情況下糾偏工作量增加，在糾偏過程中易對周邊環(huán)境造成干擾，軟弱土層更易受到影響，伴有失穩(wěn)、坍塌等現(xiàn)象。因此，應(yīng)主動適應(yīng)各類地層，合理調(diào)整掘進參數(shù)、出土量、注漿量以及注漿壓力，使其與現(xiàn)場施工環(huán)境形成相均衡的關(guān)系[1]。采取如下措施：

1）適當放慢掘進速度，確保在堅硬巖層掘進施工中刀盤也能夠正常運行，充分破碎巖層。考慮到堅硬巖層環(huán)境中刀盤易受損的特點，合理降低推力，刀盤轉(zhuǎn)速減小至1.0 r/min左右，貫入量約5 mm/r。此外，盾構(gòu)掘進施工期間加強檢查，保證刀具、刀盤等裝置均無損傷，否則需及時更換。

2）配套盾構(gòu)鉸接千斤頂，在許可范圍內(nèi)調(diào)整刀盤傾角，使其能夠有效切割硬巖，在順利切割的同時保證軸線的合理性。

3）加強對推進千斤頂油壓的檢測與控制，遇硬巖區(qū)域時可以適當加大油壓，軟巖施工環(huán)境則降低油壓。

4）遵循土壓平衡的原則，保證出土量的合理性，避免出土量超出許可范圍的情況。

5）在刀盤上配套超挖刀，此舉目的在于在掘進方向產(chǎn)生偏差后可以利用超挖刀快速超挖，達到糾偏的效果，使盾構(gòu)機在施工全程的行進方向與設(shè)計軸線保持一致。

6）換刀作業(yè)場所不宜安排在土倉上部地層條件較差的區(qū)段，若因特殊情況必須在該類環(huán)境中換刀時，應(yīng)做詳細的調(diào)查，明確刀具的磨損情況以及地質(zhì)條件，確定合適的換刀位置，再對該部分的地層采取加固措施，待其滿足強度要求后正式換刀，期間工作人員應(yīng)密切觀察，若發(fā)現(xiàn)異常立即處理。

7）停機時應(yīng)封閉土倉，維持壓力的均衡性，否則易在長時間停機之下影響掌子面的穩(wěn)定性。

8）提前制訂規(guī)劃，對地層采取加固措施，并根據(jù)作業(yè)需求預(yù)留換刀位置，以便后續(xù)工作順利開展。

4 盾構(gòu)穿越中、微風化巖層

盾構(gòu)區(qū)間存在較多的中、微風化花崗巖，盾構(gòu)掘進難度較大，在遇到高硬度的巖體后易加劇刀具的磨損程度，導(dǎo)致其難以在指定時間順利完成巖體的切割作業(yè)。隨掘進時間的延長，刀具的磨損愈發(fā)明顯，切割產(chǎn)生的巖體碎片缺乏規(guī)整性，存在大小不一的情況，不利于螺旋輸送機的正常排渣，導(dǎo)致掘進施工進程受阻。對此制定如下措施：

1）優(yōu)化盾構(gòu)施工模式，以敞開式或半敞開式為宜，在該條件下高效掘進。

2）隨著盾構(gòu)施工的推進，到達硬巖地段時及時換刀。專業(yè)人員進入土倉，按要求拆卸換刀，根據(jù)硬巖的地質(zhì)特性，均采取滾刀破巖的方法。拆卸換刀作業(yè)情況如圖1所示。

圖1 拆卸換刀

3）適時加注泡沫劑，在該材料的作用下緩解刀具磨損，減小刀盤扭矩，以便順利掘進。此外，在應(yīng)用適量的泡沫劑后能夠提高倉內(nèi)土體的和易性，以免出現(xiàn)出土螺旋槳過度磨損的情況。對于刀具磨損量過大的情況，應(yīng)及時更換具有耐磨性的刀具[2]。

5 盾構(gòu)施工遇孤石的應(yīng)用措施

5.1 孤石破碎作業(yè)原理

施工裝置以滾刀為宜，其具有較強的破碎能力，在運行期間以通過線為起點，逐步形成拉伸力，在外力作用下將孤石破碎。小直徑孤石的破碎難度較小，可以快速處理到位；對于大直徑的孤石，在滾刀運行期間最初可見其表面存在剝落的現(xiàn)象，通過切割連帶以及滾刀的持續(xù)運轉(zhuǎn)形成強有力的沖擊力，可見刀尖處形成裂痕，后續(xù)持續(xù)由外向內(nèi)，直至達到完全破碎的效果。

5.2 盾構(gòu)對孤石的處理

孤石地層掘進施工中，盾構(gòu)掘進效果主要受2方面的影響：一是刀具磨損，由于刀具的完整性不足，難以按既定的姿態(tài)掘進，解決此問題的關(guān)鍵在于提高刀具的耐磨性。例如，在換刀過程中更換耐磨性能較佳的刀具；二是孤石的排出，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)特性、盾構(gòu)類型等多方面因素合理調(diào)整排出方法，對于孤石直徑不超過200 mm的地層，僅采取常規(guī)的排出方法即可，分析最大孤石的直徑，以此為依據(jù)確定合適的刀盤開口率和開口寬度，并為之適配合適規(guī)格的螺旋輸送機。巖石碎片較小時可以穿過刀盤進入機器，若依然存在較大直徑的碎片，則進一步由盤形滾刀處理。對于埋在土層中的石頭，在盤形滾刀的作用下均可有效處理孤石。

5.3 盾構(gòu)選型問題

孤石地段的盾構(gòu)施工應(yīng)根據(jù)實際情況靈活優(yōu)化方法，以孤石的粒徑和分布特點為主要參考依據(jù)，針對性分析盾構(gòu)選型問題，遵循“破大放小”的原則快速處理孤石，再高效收集及將其清理干凈。盾構(gòu)刀盤采用的是面板式結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示，其配套開口槽，以焊接的方式在開口處設(shè)置粒徑限制器，在該裝置的作用下阻隔300～400 mm以上粒徑的孤石，以免其直接進入刀盤，而對于在該值以內(nèi)的渣塊則可以進入其中，快速將渣土排出。刀盤的配套裝置較為豐富，如滾刀、刮刀、切刀及撕裂刀，部分超粒徑的孤石被擋在刀盤外，該部分由滾刀處理，經(jīng)過滾壓操作后破碎、排出。滾刀和撕裂刀各自所對應(yīng)的刀座形式具有一致性，若施工區(qū)域的地質(zhì)條件發(fā)生變化，可以根據(jù)需求及時更換刀具，提高了施工的靈活性。

圖2 盾構(gòu)刀盤

土壓平衡盾構(gòu)機運行期間的排土作業(yè)主要由螺旋輸送機負責，但在盾構(gòu)機尺寸的制約作用下，螺旋機的直徑難以滿足作業(yè)需求。若選用帶式螺旋輸送機，盡管其能夠持續(xù)排出粒徑較大的孤石，但依然會存在漂石難以被完全排出的情況（主要指的是粒徑超過600 mm的部分），因此，需要合理利用刀盤的滾刀，進一步處理大粒徑的漂石，使其粒徑減小至300～400 mm，再將該部分經(jīng)由刀盤的開口輸入至帶式螺旋輸送機內(nèi)，利用該裝置排出。若采取加泥式土壓平衡盾構(gòu)，從運行特性的角度來看其具有出土效率較高的特點，有助于縮短施工時間。在先進盾構(gòu)技術(shù)的驅(qū)動作用下，現(xiàn)階段土壓平衡盾構(gòu)的螺旋輸送機結(jié)構(gòu)形式逐步趨于豐富，常見有雙螺旋、軸式，其應(yīng)用優(yōu)勢在于可提供更大的內(nèi)徑，以便大孤石從中快速通過。考慮到渣土流動效率的要求，較為適宜的是通過螺旋輸送機的預(yù)留孔注入適量外加材料，例如，泡沫、聚合物等，以免出現(xiàn)渣土流動受阻的情況。

5.4 孤石預(yù)處理方法

根據(jù)孤石破碎情況的預(yù)測，對不能夠通過盾構(gòu)機破除的孤石可預(yù)先采取如下措施：（1）對孤石周邊風化土層進行地面或洞內(nèi)預(yù)加固，以提供盾構(gòu)機破巖和人工破巖的條件；（2）洞內(nèi)靜態(tài)爆破或火藥爆破孤石；（3）地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石；壓氣作業(yè)條件下人工破除孤石，破除時可采用巖石分裂機等設(shè)備。

6 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工難度顯著偏大，同時施工期間易遇到諸多不可預(yù)見的因素，因此合理選擇施工方法至關(guān)重要，需要在安全的環(huán)境中高效盾構(gòu)。本文以復(fù)雜地質(zhì)條件為立足點，對盾構(gòu)機施工技術(shù)展開分析，希望所述內(nèi)容可為類似工程提供參考，以推動復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵建設(shè)工作的開展。