盾構穿越深埋破碎帶地層施工技術的研究

摘"要：盾構在深埋破碎帶地層中掘進相對普通地層更容易遇到地層收縮、塌方、卡刀盤、卡盾體、涌水等情況。通過以新疆某引水工程盾構穿越深埋破碎帶地層段施工為背景，提出一套針對盾構機在大埋深、破碎帶地層中掘進通過的保障措施，重點闡述了盾構機針對性結構設計、地層加固、止水環施工等技術要點，為后續盾構穿越深埋破碎帶地層施工提供借鑒。

關鍵詞：盾構深埋破碎帶地層"施工技術"注漿加固

中圖分類號：U455.43

Research"on"the"Construction"Technology"of"Shield"Tunneling"Through"the"Strata"of"Deeply-Buried"Fracture"Zones

LI"Junwu

（China"Railway"14th"Bureau"Group"Tunnel"Engineering"Co.，"Ltd.，"Jinan，"Shandong"Province，"250014"China）

Abstract："Compared"with"ordinary"strata，"the"shield"machine"is"more"likely"to"encounter"conditions"such"as"stratum"contraction，"collapse，"sticking"the"cutterhead，"sticking"the"shield"body"and"water"surge"when"tunneling"through"the"strata"of"deeply-buried"fracture"zones."This"paper"takes"the"construction"of"the"shield"machine"tunneling"through"the"stratum"section"of"deep"fracture"zones"in"a"water"diversion"project"in"Xinjiang"as"the"background，"and"puts"forward"a"set"of"safeguard"measuresnbsp;for"the"shield"machine"tunneling"through"the"strata"of"fracture"zones"with"large"embedded"depth，"focusing"on"the"key"technologies"of"the"targeted"structural"design"of"shield"machines，"stratum"reinforcement"and"the"construction"of"water-stopping"rings，"which"provides"references"for"the"subsequent"construction"of"the"shield"machine"tunneling"through"the"strata"of"deeply-buried"fracture"zones.

Key"Words：Shield;"Stratum"of"deep"fracture"zones;"Construction"technology;"Grouting"reinforcement

盾構機具有安全、快捷、開挖面穩定等優點，被廣泛應用于隧道施工中[1-3]。破碎帶是盾構掘進過程中經常遇到的一種地層，通常具有高度不規則性、不均勻性和復雜性，是盾構穿越施工中的重要難點之一。穿越破碎帶時，盾構機面對的挑戰包括地質條件不穩定坍塌收斂、地層破裂、鉆頭易損壞、地層富水等問題[4-5]，這些問題可能會導致涌水、盾構機卡住、停工或損壞，給工程帶來嚴重的影響[6-7]。

為了解決盾構穿越深埋地層破碎帶的難題，工程技術人員們不斷探索和創新，開發了一系列的施工技術和工具，以應對地質條件的多變性和破碎帶的復雜性。

1""工程背景

新疆某水利項目盾構施工段存在寬度為68"m的斷裂帶，隧道埋深深度為122～128"m，埋深較大，根據地質資料顯示，該處碎裂巖和斷層角礫巖為主，斷層帶巖體穩定性差，盾構施工至該處時因地層不穩、巖體破碎極易發生刀盤、盾體卡死，噴涌情況。對斷層破碎帶進行補勘，巖芯主要為褐紅色凝灰質砂巖，巖芯不完整。

2""深埋地層破碎帶盾構施工關鍵技術

2.1"盾構機承壓能力設計

主驅動及鉸接處采用耐高壓的聚氨酯密封結構，盾尾密封采用四道“高性能鋼絲刷+油脂”密封結構，整體承壓能力可達10"bar。具體結構原理說明如下。

2.1.1主驅動密封

主驅動密封采用聚氨酯材料的多唇密封，這種密封結構由4個唇齒并排構成，可承受10"bar以上水土壓力，試驗最大壓力可達12"bar。另外，聚氨酯材料具有極好的耐磨性能，使用壽命長。該密封結構已在多個盾構機施工項目中得到廣泛應用。

2.1.2盾體鉸接密封

鉸接密封布置于前、中盾鉸接段，密封的承壓能力和質量直接關系到施工安全。采用兩道承壓能力強的聚氨酯雙唇密封和油脂注入通道，通過這些通道可對密封進行潤滑，增強密封的使用壽命和可靠性。

2.1.3盾尾密封

盾尾密封采用四道進口尾刷和一道止漿板的組合設計，尾刷腔內設計有一定數量的盾尾油脂注入通道，可利用這些通道注入盾構油脂形成可靠的密封油環，保證盾尾密封的密封性能。

根據使用經驗，采用增強型鋼絲刷后，一道油脂腔可承受3.5～4"bar的壓力，采用4道鋼絲刷形成3個油脂腔后，總的承壓能力可達10.5～12"bar。另外，盾尾刷磨損后是可以在洞內進行更換的。因此該盾尾密封方案能夠承受最大10"bar的設計壓力。

2.2"盾構防卡機設計

深埋破碎地層在加固后仍可能具有一定的變形量，需要在盾構結構設計上有一定的保障。

（1）刀盤配置超挖刀，具備一定范圍的超挖量能夠進行開挖斷面擴挖。在局部地層易收斂地段可適當加大刀盤擴挖量，隧洞外周預留出一定的圍巖徑向變形量。刀盤圓周外側布置多把可拆式貝殼刀，當地層收斂變形后，除外周滾刀切削外，貝殼刀可切削最外側滾刀與盾體之間的泥巖，起到二次切削的作用，減小推進阻力，如圖1所示。

（2）加強主驅動配置，采用6個250"kW變頻電機驅動，保證主驅動能夠擁有較大脫困能力，額定扭矩4"010"kN·m，脫困扭矩5"520"kN·m，扭矩系數達到33.1。

（3）適當加大盾體前后錐度設計，防止被“裹挾”。常規地鐵盾構機前后盾體外徑相差10"mm，在本項目上可將錐度差值設計成15"mm。

目前，眾多的施工實踐表明，盾構機由于盾體長度短、具備一定的超挖能力。而且經過注漿加固的地層的收斂存在一定的時空效應，在盾構機掘進通過的短時期內，地層的收斂發展程度有限，避免長時間停機可減少“卡機”概率。

2.3"盾構防噴涌設計

2.3.1螺旋輸送機設計

在連接橋處頂部設計1套保壓泵裝置，輔助系統供油提供動力，將由保壓泵進料口與螺旋機預留的保壓泵渣接口通過泥漿管進行連接；將保壓泵出渣口連接管路延伸至隧道連續皮帶機處，即通過保壓泵直接將渣土泵送至隧道連續皮帶機上輸送出去。保壓泵參數如表1所示。

2.3.2減小皮帶輸送角度，提高皮帶機帶速

在螺旋機下出渣口配置雙閘門的條件下，設計小傾角皮帶機，皮帶輸送機傾斜端角度大約5.5°。皮帶機采用變頻電機驅動，最高轉速可提高到3.2"m/s，提高帶速來加強皮帶機的攜渣能力。

2.3.3通過預留口向土艙/螺旋機內注入添加劑

可通過向盾體及螺旋機上的預留口注入添加劑，如聚合物、膨潤土等渣土改良或者止水方式進行防噴涌處理。

2.4"袖閥管注漿加固

在盾構達到破碎帶前采用注漿加固的目的為：避免大埋深松散地層在掘進后的快速收斂，進而避免因盾構機周圍土體產生巨大握裹力而導致的卡機現象；增加碎裂地層整體性，減少孤石效應，有利于刀盤對土體的切削。袖閥管注漿施工流程圖如圖2所示。

2.4.1鉆孔

先由SP220挖機對場地進行平整，測量放線定出注漿孔孔位，選用KR909-1鉆機，按標出的孔位進行鉆孔；在鉆孔過程中采用套管定位和泥漿循環護壁成孔，成孔后立即清理。在鉆孔中做詳細記錄，并對地質情況進行描述以利于下一步注漿作業施工。

2.4.2安裝袖閥管、澆注套殼料及固管止漿

在不注漿部位下A型沒孔的袖閥管注漿管，在注漿部位下B型有孔的Φ65×5PVC袖閥管注漿管，B管要覆蓋橡膠套。在頂部加上悶蓋，然后進行封孔作業。

2.4.3開環灌漿

注漿液采P0.42.5普通硅酸鹽水泥，注漿時按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調整水灰比。開環壓力為0.5"MPa。正常注漿壓力為0.5～1"MPa。注漿終壓力控制在1.5～2"MPa以內。滿足2"MPa穩壓狀態下，進漿量小于1"L/min，繼續灌注30"min結束灌注。

2.4.4注漿加固參數

袖閥管采用Φ65×5"PVC袖閥管和雙向皮碗式止漿塞；采用Φ25鍍鋅鋼管做芯管分段進行注漿；注漿材料采用普通硅酸鹽水泥，水灰比W∶C=0.8∶1～1∶1；注漿加固參數可根據現場實際情況進行調整；注漿終壓1.5～2.0"MPa。具體灌漿施工技術參數如表2所示。

2.5"盾構止水環施工措施

在大埋深破碎帶地層，富水、高壓情況比較常見，為了減少高壓水對施工的影響，除了進行常規的二次注漿外，另通過在后配套區域進行二次雙液注漿制作管片壁后止水環，在破碎帶地層止水環將每隔5環施工一段，每段5環，止水環施工采用增高注漿壓力、降低水灰比措施，充填掘進造成的施工空腔、補強地面地層加固部位，將水與主機處隔絕，緩解主機內水壓力，保障盾構機高速通過破碎帶地層。

3""結語

本文以新疆某水利項目隧道盾構隧道施工為例，提出了一套針對盾構機在大埋深、破碎帶地層中掘進通過的保障措施。該套措施在盾構機通過深埋破碎地層的收斂、深埋地層高壓、破碎地層富水方面進行了針對性設計，并結合袖閥管注漿方式對掘進段的破碎地層提前進行固結，配合止水環阻擋后方來水，為盾構機順利通過深埋、破碎地層提供了可靠保障。

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