復(fù)雜地層土壓力平衡盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)控制技術(shù)

摘要 為解決在深圳片區(qū)典型復(fù)合地層掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工易出現(xiàn)的“盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢、地表沉降量較大、盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅、刀盤刀具磨損嚴(yán)重、盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)不易控制”等施工難點(diǎn)，以深圳市軌道交通14號(hào)線寶龍站～錦龍站區(qū)間施工為背景，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)選型、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)和采用輔助措施，使施工現(xiàn)場(chǎng)安全進(jìn)度可控。文章通過(guò)分析總結(jié)土壓平衡盾構(gòu)在該區(qū)間中的施工情況，研究盾構(gòu)在復(fù)雜地層掘進(jìn)施工的要點(diǎn)，希望能為后續(xù)施工以及類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞 復(fù)雜地層；土壓力平衡盾構(gòu)施工；輔助措施

中圖分類號(hào) U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0077-03

0 引言

針對(duì)土壓力平衡盾構(gòu)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高、施工進(jìn)度不可控的難點(diǎn)，前期有很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，基本明確了盾構(gòu)復(fù)雜地層中掘進(jìn)主要影響因素為盾構(gòu)機(jī)選型、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制、渣土改良、刀具管理、輔助注漿等。該文依照現(xiàn)場(chǎng)成功施工經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)出盾構(gòu)在復(fù)雜地層中的掘進(jìn)控制要點(diǎn)。

1 工程概況

深圳地鐵14號(hào)線寶龍～錦龍區(qū)間沿寶龍大道、清風(fēng)大道、沙湖路、坪山大道敷設(shè)至錦龍站，區(qū)間左線長(zhǎng)3 927.943 m，右線長(zhǎng)3 978.872 m，區(qū)間覆土埋深9.27～

79.82 m，區(qū)間主要穿越地層：砂質(zhì)黏性土、礫砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖、微風(fēng)化變質(zhì)粉砂巖，圍巖等級(jí)Ⅱ～Ⅵ級(jí)，區(qū)間采用Φ6950土壓力平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工。

2 盾構(gòu)選型

根據(jù)寶龍～錦龍區(qū)間地質(zhì)情況，該區(qū)間所用盾構(gòu)機(jī)為中鐵裝備設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CREC783、787號(hào)CTE6950E-1400復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)適用于中、微風(fēng)化花崗巖層掘進(jìn)，刀盤開(kāi)口率35%，刀盤轉(zhuǎn)速0～3.4 rpm，最大推力5 060 t，額定扭矩9 321 kN·m，脫困扭矩11 185 kN·m。

2.1 主驅(qū)動(dòng)

主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用整體式主驅(qū)動(dòng)、直徑3 400 m的主軸承，以獲得足夠的承載力及大于10 000 h使用壽命。驅(qū)動(dòng)單元采用7組電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可提供9 321 kN·m的額定扭矩和11 185 kN·m的脫困扭矩，設(shè)備扭矩儲(chǔ)備系數(shù)較高；最大轉(zhuǎn)速3.4 rpm。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)

整機(jī)配置16組油缸，推進(jìn)行程2 100 mm，最大工作壓力35 MPa，最大推進(jìn)速度80 mm/min，最大推力5 060 t。

2.3 刀盤

（1）刀盤結(jié)構(gòu)：刀盤采用6主梁+6副梁結(jié)構(gòu)型式，開(kāi)口率為35%，此種刀盤結(jié)構(gòu)主要適用于巖層。

（2）刀具配置：以滾刀為主，為增強(qiáng)破巖效果，采用小刀間距設(shè)計(jì)。切刀采用大刀寬加強(qiáng)設(shè)計(jì)，大切刀間距設(shè)計(jì)，增強(qiáng)刮削效果，利于渣土流動(dòng)。滾刀刮刀的保護(hù)塊設(shè)計(jì)，可根據(jù)地層安裝17寸或18寸滾刀，也可安裝撕裂刀，在軟土地層中使用。中心雙聯(lián)滾刀6把，單刃滾刀38把，切刀49把，邊刮刀12把，大圓環(huán)保護(hù)刀16把，超挖刀1把。

（3）渣土改良：8個(gè)泡沫口，2個(gè)膨潤(rùn)土口，單管單泵，新型泡沫噴口設(shè)計(jì)，保證各口的通暢。

（4）攪拌棒：采用中心隔板固定設(shè)計(jì)，配有中心固定攪拌棒，固定攪拌棒可以擾動(dòng)隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的渣土，使之不能形成泥餅。

（5）土倉(cāng)中心沖刷功能，在土倉(cāng)中心設(shè)置有中心高壓水沖刷裝置，通過(guò)設(shè)置合理的高壓水噴頭，能夠有效防止土倉(cāng)中心泥餅產(chǎn)生。在主控室界面有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式。主驅(qū)動(dòng)中心固定隔板設(shè)有通管、管塞和閘閥，平時(shí)可以采用該裝置在倉(cāng)外檢查是否有中心泥餅。

2.4 螺旋輸送機(jī)

（1）螺旋機(jī)采用雙閘門結(jié)構(gòu)，利用“迷宮密封”原理，交替開(kāi)啟有效減緩噴涌。筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有三個(gè)觀察窗。螺機(jī)具有900 mm的伸縮行程，滿足特殊情況下關(guān)閉前艙門及輔助脫困要求，出渣能力420 m3/h，滿足該區(qū)間的出渣要求。

（2）為增強(qiáng)螺旋機(jī)在砂層中的使用壽命，在螺旋軸前段葉片外圓部分上焊接耐磨塊；螺旋機(jī)軸迎渣面和前段筒節(jié)內(nèi)圓部分均焊接耐磨復(fù)合鋼板，增強(qiáng)螺旋機(jī)整體耐磨能力，從而提高螺旋輸送機(jī)使用壽命和可靠性。

2.5 渣土改良系統(tǒng)

（1）配置8路單管單泵單噴口泡沫注入系統(tǒng)。每路泡沫均配置有單獨(dú)的泡沫泵、泡沫發(fā)生器和流量計(jì)，可獨(dú)立工作，同時(shí)保證了每路泡沫壓力的恒定，使泡沫液不受土倉(cāng)壓力和管道阻力影響，具有起泡率高，不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)。

（2）刀盤處的泡沫噴口采用新式單向閥設(shè)計(jì)，防止堵塞發(fā)生。一旦真的發(fā)生堵塞情況，該噴口總成可以完全從刀盤背面抽出，便于維修或更換。

（3）設(shè)備所配置的膨潤(rùn)土系統(tǒng)采用3臺(tái)大功率軟管泵（2×18.5+7.5）kW用于渣土改良，即土倉(cāng)內(nèi)部，刀盤前面，螺旋輸送機(jī)內(nèi)部的膨潤(rùn)土供給，同時(shí)一臺(tái)軟管泵可向盾殼外注入膨潤(rùn)土，以降低盾體與開(kāi)挖后隧道的摩擦系數(shù)，降低盾構(gòu)推力。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

3.1 盾構(gòu)軟土地層掘進(jìn)控制

盾構(gòu)在軟土地層掘進(jìn)如參數(shù)控制不當(dāng)、渣土改良不到位導(dǎo)致出土不當(dāng)，容易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象[1]，現(xiàn)場(chǎng)主要采取如下措施盡量防止刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象發(fā)生：

（1）現(xiàn)場(chǎng)采用劑泡沫或膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良工作，保證掘進(jìn)出土的流豎性，防止刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象，注入?yún)?shù)如下：

①膨潤(rùn)土泥漿：膨潤(rùn)土∶水" 1∶10（質(zhì)量比）漿液比重1.07，粘度30～40 s，注入率15%左右（與渣土體積比）。②泡沫劑：發(fā)泡倍率12倍，原液注入量30～50 L，注入率為3%～5%（與渣土體積比）保證掘進(jìn)出土的流豎性，盡量防止刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象。

（2）對(duì)同步注漿漿液配合比進(jìn)行調(diào)整，同步注漿必須根據(jù)注漿量及注漿壓力雙重控制，如需進(jìn)行二次注漿時(shí)嚴(yán)格控制注漿壓力，防止?jié){液進(jìn)入土倉(cāng)造成刀盤被漿液敷住，造成刀盤結(jié)泥餅。

（3）根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)情況，繪制寶龍～錦龍區(qū)間軟土地層（取50～150環(huán)、1 400環(huán)～1 455環(huán)）盾構(gòu)主要掘進(jìn)參數(shù)曲線圖（如圖1所示），根據(jù)曲線圖得出土壓平衡盾構(gòu)在軟土地層中的主要掘進(jìn)參數(shù)：盾構(gòu)推力12 000～

20 000 kN，扭矩1 200～2 000 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.5 rpm，掘進(jìn)速度20～40 mm/min，出土量70～75 m3/環(huán)。

3.2 盾構(gòu)上軟下硬地層掘進(jìn)控制

3.2.1 地面預(yù)注漿加固

盾構(gòu)在上軟下硬地層掘進(jìn)前，為保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全及施工進(jìn)度，可地面鉆孔對(duì)上軟下硬地層提前進(jìn)行預(yù)加固注漿，預(yù)注漿工作最好在盾構(gòu)到達(dá)前一個(gè)月前完成。

注漿孔位布置：寶龍～錦龍區(qū)間預(yù)加固范圍為盾構(gòu)掘進(jìn)范圍，注漿孔間距1.5 m，梅花形布置，加固深度為隧道頂以上3 m至隧道頂下1 m范圍。

注漿材料：采用水玻璃+水泥砂漿，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用35°Bé（波美度）的水玻璃，漿液配合比為水泥∶水（質(zhì)量比）=0.75∶1～1∶1，水玻璃∶水（質(zhì)量比）=1∶3；水泥漿液∶水玻璃液（體積比）=1∶1；雙液漿注漿壓力控制在0.8～1 MPa。

3.2.2 嚴(yán)格控制出土量

由于下部地層較硬，盾構(gòu)掘進(jìn)速度受硬巖制約而變慢，容易多出土，必須以盾構(gòu)機(jī)進(jìn)尺來(lái)嚴(yán)格控制出土量，掘進(jìn)過(guò)程中安排專人及時(shí)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)每環(huán)出渣方量，如出現(xiàn)出渣超方現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行上報(bào)，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地面孔洞探測(cè)，并立即進(jìn)行地面打孔注漿及隧道內(nèi)二次補(bǔ)充注漿[2]。

3.2.3 地面監(jiān)測(cè)巡視

每天進(jìn)行兩次地表沉降監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)沉降異常時(shí)立即停機(jī)進(jìn)行處理。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)安排專人24 h對(duì)地表進(jìn)行巡視檢查，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)影響區(qū)域的地下管線提前進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，認(rèn)真做好風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)。

3.2.4 渣土改良

渣土改良通過(guò)往掌子面土體中注入泡沫來(lái)達(dá)成，當(dāng)土體較干、掘進(jìn)速度較快時(shí)，可采用加泡沫，同時(shí)加水的方式進(jìn)行改良。泡沫劑注入?yún)?shù)如下：

①泡沫混合溶液的組成：現(xiàn)場(chǎng)選擇分散劑泡沫，泡沫添加劑3%，水97%。②發(fā)泡率：掘進(jìn)速度較快（gt;20 mm/min）時(shí)，發(fā)泡率為8～12倍；掘進(jìn)速度較慢時(shí)（lt;20 mm/min），為了避免土倉(cāng)壓力變化過(guò)快，同時(shí)保證渣土改良的效果，采用發(fā)泡率為5～10倍。③當(dāng)螺旋機(jī)出土呈大團(tuán)狀時(shí)可通過(guò)向土倉(cāng)內(nèi)適當(dāng)補(bǔ)水加快倉(cāng)內(nèi)改良效率，將存積于倉(cāng)內(nèi)的成團(tuán)渣土及時(shí)排除，增加整個(gè)土倉(cāng)的流動(dòng)性。

3.2.5 防噴涌措施。

①如加水量過(guò)大易引起螺旋輸送機(jī)閘口發(fā)生噴涌，造成出土量不可控及耗費(fèi)大量清渣時(shí)間，降低推進(jìn)效率；在推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)把握每100 mm進(jìn)尺的注水量是否與速度匹配，并及時(shí)判斷渣土變稀的趨勢(shì)，及時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)，減小注水速率。②若地層含水增大出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，立即關(guān)閉螺旋輸送機(jī)的后門，適當(dāng)向前掘進(jìn)，使土倉(cāng)內(nèi)建立平衡，通過(guò)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將土倉(cāng)內(nèi)的土體攪拌均勻。③向土倉(cāng)中加入高分子聚合物，改善土倉(cāng)內(nèi)土質(zhì)的和易性，使土體中的顆粒和泥漿成為一個(gè)整體，連續(xù)從螺旋輸送機(jī)排渣，避免噴涌。如因噴涌造成出土超方時(shí)，立即進(jìn)行隧道內(nèi)深孔注漿及地面鉆孔注漿。

3.2.6 其他掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)情況，繪制寶龍～錦龍區(qū)間上軟下硬地層（取200環(huán)～300環(huán)）盾構(gòu)主要掘進(jìn)參數(shù)曲線圖（如圖2所示），根據(jù)曲線圖得出土壓平衡盾構(gòu)在上軟下硬地層中主要掘進(jìn)參數(shù)為：盾構(gòu)推力15 000～24 000 kN，扭矩1 500～2 500 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.1～1.4 rpm，掘進(jìn)速度10～20 mm/min，出土量70～80 m3/環(huán)。

3.3 盾構(gòu)全斷面硬巖掘進(jìn)控制

區(qū)間硬巖地層單線長(zhǎng)約2 210 m（微風(fēng)化1 278 m，中等風(fēng)化932 m）。為保證盾構(gòu)在硬巖地層掘進(jìn)施工進(jìn)度，在施工過(guò)程中采取了如下措施：

3.3.1 嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)

掘進(jìn)時(shí)采用敞開(kāi)式的掘進(jìn)模式，參數(shù)設(shè)定遵循“高轉(zhuǎn)速、低扭矩，大推力”的原則[3]。“高轉(zhuǎn)速，低扭矩”是為了避免在較高的扭矩下，刀具被崩斷，產(chǎn)生非正常損壞。“大推力”是相對(duì)于軟土地層而言，在硬巖掘進(jìn)中，為了保持一定的貫入度，盾構(gòu)機(jī)推力需適當(dāng)增加。根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)情況，繪制寶龍～錦龍區(qū)間微風(fēng)化花崗巖地層（取400環(huán)～550環(huán)）盾構(gòu)主要掘進(jìn)參數(shù)曲線圖（如圖3所示），根據(jù)曲線圖得出土壓平衡盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)參數(shù)為：盾構(gòu)推力15 000～25 000 kN，扭矩1 500～

2 300 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1.7～2.2 rpm，掘進(jìn)速度8～

15 mm/min，出土量70～80 m3/環(huán)。

3.3.2 刀具管理

（1）盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)采用“敞開(kāi)式”掘進(jìn)模式，掘進(jìn)過(guò)程中加快螺旋槳轉(zhuǎn)速，減少土倉(cāng)內(nèi)積土，以減小對(duì)刀具的影響。

（2）渣土改良時(shí)，通過(guò)向掌子面注入泡沫劑進(jìn)行渣土改良，降低刀盤溫度潤(rùn)滑刀具，以降低刀具與渣土的摩擦力，起到保護(hù)刀具的作用。

（3）刀具檢查與更換時(shí)，一般情況下每5環(huán)進(jìn)行一次刀具檢查，巖層強(qiáng)度大于60 MPa時(shí)，每掘進(jìn)2環(huán)對(duì)刀具進(jìn)行檢查。刀具檢查一般在管片拼裝時(shí)進(jìn)行，不影響正常掘進(jìn)時(shí)間。正面滾刀磨損達(dá)到20 mm，邊緣滾刀磨損10 mm（曲線段控制在5 mm）時(shí)需進(jìn)行更換，可將更換的邊緣滾刀用于正面以提高刀具利用率。新更換的刀具在掘進(jìn)完成一換后對(duì)刀具螺栓重新進(jìn)行復(fù)緊。

3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

（1）嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，水平姿態(tài)控制在正負(fù)30 mm之內(nèi)，考慮到管片上浮影響垂直姿態(tài)控制在?30～0 mm，當(dāng)超過(guò)控制值時(shí)及時(shí)進(jìn)行糾偏，每一環(huán)掘進(jìn)糾偏量控制在3 mm之內(nèi)。

（2）由于盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)推力相對(duì)較大，刀盤轉(zhuǎn)速快，需加大導(dǎo)向系統(tǒng)復(fù)測(cè)頻率，防止因振動(dòng)大造成姿態(tài)超限。

（3）加強(qiáng)刀具檢查及更換，特別是邊緣滾刀，邊緣滾刀磨損10 mm（曲線段控制在5 mm）時(shí)需進(jìn)行更換，以保證開(kāi)挖面滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取措施，針對(duì)沿海丘陵臺(tái)地地形復(fù)雜多變，做好詳細(xì)地勘工作，為優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)及預(yù)防措施提供數(shù)據(jù)支持。正式開(kāi)工前，根據(jù)區(qū)間地質(zhì)情況對(duì)盾構(gòu)機(jī)配置進(jìn)行詳細(xì)研究并做好地層預(yù)加固處理。施工中，嚴(yán)格控制出土量加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，確保施工安全。該項(xiàng)目于2021年4月30日全線貫通，滿足了業(yè)主節(jié)點(diǎn)工期需求，施工過(guò)程安全可控。該文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié)，得出了盾構(gòu)在復(fù)雜地層中掘進(jìn)的施工要點(diǎn)，希望能對(duì)后續(xù)施工以及類似工程有所借鑒。

參考文獻(xiàn)

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