廈門復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)機(jī)選型研究

李世佳，趙國(guó)旭，劉典基

(1.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東廣州510001;2廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建廈門361000)

廈門復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)機(jī)選型研究

李世佳1，趙國(guó)旭2，劉典基2

(1.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東廣州510001;2廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建廈門361000)

廈門軌道交通1號(hào)線穿越地層十分復(fù)雜，具有典型的復(fù)合地層特點(diǎn)。結(jié)合沿海等城市復(fù)合地層中盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，針對(duì)廈門典型的地質(zhì)條件，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)、刀具對(duì)地層適應(yīng)性進(jìn)行分析，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)主要渣土改良系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、開(kāi)倉(cāng)作業(yè)系統(tǒng)提出建議和意見(jiàn)，可為廈門軌道交通1號(hào)線相關(guān)標(biāo)段盾構(gòu)施工提供指導(dǎo)和借鑒。

復(fù)合地層 孤石 上軟下硬 盾構(gòu)機(jī)選型

目前，我國(guó)軌道交通在建城市達(dá)30多個(gè)，各地區(qū)地質(zhì)條件各不相同，在長(zhǎng)江三角地區(qū)，盾構(gòu)隧道穿越軟黏土地層，而在珠江三角地區(qū)，如廣州、深圳，盾構(gòu)主要穿越上軟下硬的復(fù)合地層［1］。廈門地質(zhì)條件類似于珠三角沿海城市地質(zhì)條件，盾構(gòu)掘進(jìn)斷面或縱斷面上地層變異性大，大量不良地質(zhì)集于一身，如:淤泥質(zhì)土、基巖突起、花崗巖球狀風(fēng)化體及上軟下硬地層等。如此復(fù)合地層掘進(jìn)中，常遇到工作面遭遇孤石、刀具磨損嚴(yán)重、不良條件下?lián)Q刀、盾構(gòu)機(jī)在巖層中被卡，甚至造成地面塌陷等事故。為進(jìn)一步探討廈門地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性，本文結(jié)合珠三角沿海城市盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，明確提出了廈門地鐵針對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型的意見(jiàn)和建議，為廈門地鐵1號(hào)線盾構(gòu)選型施工提供參考。

1 廈門復(fù)合地層特點(diǎn)

廈門軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間穿越典型復(fù)合地層(見(jiàn)圖1)。沿途穿越基巖突起、上軟下硬地層、花崗巖球狀體等。盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)需綜合考慮不同區(qū)段地質(zhì)條件及各種因素，選擇適宜的盾構(gòu)機(jī)機(jī)型、設(shè)計(jì)布置合理刀盤(pán)、刀具形式，以及配備不同的輔助工法。

1.1 典型的上軟下硬地層

盾構(gòu)機(jī)穿越上軟下硬地層是廈門復(fù)合地層中盾構(gòu)隧道施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)。如廈門將軍祠站—文灶站區(qū)間，上部為地下水較豐富的中粗砂層、粉砂層及淤泥層以及黏土層，下部為硬塑狀砂質(zhì)黏性土和不同風(fēng)化程度的巖層。盾構(gòu)穿越該類地層的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)為盾構(gòu)姿態(tài)控制困難，開(kāi)挖面穩(wěn)定性較差、控制難度大。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，常發(fā)生盾構(gòu)偏離軸線，姿態(tài)難以控制、噴涌、開(kāi)挖面失穩(wěn)、結(jié)泥餅、刀盤(pán)刀具嚴(yán)重磨損，甚至在巖層中發(fā)生因邊緣刀具磨損嚴(yán)重而使得盾構(gòu)被圍巖卡住，導(dǎo)致地面塌陷等風(fēng)險(xiǎn)事件。

圖1 廈門軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)剖面

1.2 花崗巖球狀風(fēng)化體

根據(jù)廈門地質(zhì)初勘結(jié)果，花崗巖球狀風(fēng)化體鉆孔的見(jiàn)孔率為18%，幾率很高，在盾構(gòu)施工過(guò)程中隨機(jī)發(fā)現(xiàn)的可能還會(huì)更多。如廈門軌道交通1號(hào)線集—城區(qū)間存在球狀風(fēng)化體(天然飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度最大值為125 MPa，最小值為61.8 MPa，平均值為93.2 MPa)。其施工風(fēng)險(xiǎn)在于:①瞬間荷載突然加大，造成刀盤(pán)變形和刀具的崩裂;②花崗巖球狀風(fēng)化體隨刀盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)，造成刀具及刀盤(pán)磨損;③頻繁開(kāi)倉(cāng)換刀或處理孤石，造成地面沉降或坍塌。

1.3 穿越全斷面花崗巖地層

復(fù)合盾構(gòu)機(jī)遇到全斷面硬巖時(shí)，其掘進(jìn)速度慢，盾構(gòu)機(jī)震動(dòng)劇烈，容易出現(xiàn):①刀座易松動(dòng)造成刀具偏磨;②刀具磨損快，更換頻繁，邊緣刀具更換稍不及時(shí)，容易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)卡殼;③刀盤(pán)、螺旋機(jī)等部件磨損大;④液壓、驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備和機(jī)具損耗大，施工成本高。盾構(gòu)機(jī)各主要部件，其性能、壽命將面臨巨大考驗(yàn)。

2 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性選型

盾構(gòu)機(jī)是按照地質(zhì)環(huán)境量身定做的，盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性是至關(guān)重要的。根據(jù)廈門地鐵的施工地質(zhì)條件，結(jié)合廣州、深圳、東莞等沿海城市的類似地質(zhì)條件，綜合考慮地面環(huán)境、工程造價(jià)等因素，建議選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

2.1 刀盤(pán)的選型

刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑是隨著隧道設(shè)計(jì)直徑而變化的，由于受掘進(jìn)線路的坡度或轉(zhuǎn)彎半徑等影響，在復(fù)合地層條件下施工時(shí)，考慮到刀盤(pán)和刀具在較為堅(jiān)硬的圍巖中切削會(huì)有一定的磨損，盾構(gòu)機(jī)體直徑從盾首至盾尾依次減少10 mm，以減小盾構(gòu)卡在巖層中的風(fēng)險(xiǎn)。目前，廈門統(tǒng)一選用開(kāi)挖直徑6 450 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(圖2)，筒體采用錐形設(shè)計(jì)。

圖2 廈門盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖尺寸情況

廈門復(fù)合盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)主要采用面板式:

1)廈門存在典型的燕山期花崗巖地層，花崗巖殘積層易發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象，且部分地段存在大量的花崗巖球狀風(fēng)化體。一般建議刀盤(pán)開(kāi)口率在30%～40%，盡量增大開(kāi)口率，并保證后部開(kāi)口率應(yīng)大于刀盤(pán)面板開(kāi)口率，防止中心部位開(kāi)口率過(guò)小而發(fā)生頻繁結(jié)泥餅的現(xiàn)象。廈門軌道交通1號(hào)線呂—城區(qū)間刀盤(pán)的開(kāi)口率為38%，集—城區(qū)間為35%，均符合要求。

2)為加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)在黏性土及全風(fēng)化花崗巖地層中渣土的流動(dòng)性，一般在土倉(cāng)中心附近設(shè)置2個(gè)主動(dòng)攪拌棒，主動(dòng)攪拌棒應(yīng)該伸出刀盤(pán)后端面700 mm (圖3)。在土倉(cāng)最底部離開(kāi)盾殼200～300 mm的高度，設(shè)置一根攪拌棒，盡可能在水平方向向螺旋輸送機(jī)延伸，但不能影響前閘門取土，以防止較大快的巖石在土倉(cāng)底部堆積，長(zhǎng)期滯排。土倉(cāng)隔板上設(shè)置的6根被動(dòng)攪拌棒，其長(zhǎng)度應(yīng)該保證在垂直投影上和主動(dòng)攪拌棒重合。

3)刀盤(pán)中心增加高壓水沖刷裝置以及中心泥餅檢查和處理裝置，在渣土較干時(shí)可采用刀盤(pán)中心高壓水沖刷裝置快速加水，防止泥餅形成。

4)由于花崗巖地層巖石強(qiáng)度較高，花崗巖球狀風(fēng)化體對(duì)刀盤(pán)的撞擊和硬巖對(duì)刀盤(pán)的磨損都很嚴(yán)重，因此刀盤(pán)的耐磨應(yīng)特別設(shè)計(jì)，并增加刀盤(pán)磨損檢測(cè)裝置。2.2刀具選型

目前盾構(gòu)機(jī)刀具按切削原理劃分，一般公認(rèn)有滾刀、刮刀、超挖刀(仿行刀)幾種類型。其中滾刀和刮刀的刀座形式相同，根據(jù)不同的地層條件可進(jìn)行更換。

軟硬不均的地層中，因?yàn)橹苓呁翆铀绍洠毒卟灰灼瞥植看嬖诘母邚?qiáng)度孤石和基巖突起，而且孤石和基巖突起反而會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞刀具，導(dǎo)致滯排。刀具配置時(shí)更應(yīng)該考慮刀具配置的差異性，主要表現(xiàn)在:

1)滾刀啟動(dòng)扭矩。即在刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾刀產(chǎn)生足夠大的摩擦轉(zhuǎn)矩，使?jié)L刀能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。

2)滾刀與刮刀的高度差。刀具高度差大，有利于破巖;如果滾刀與刮刀的高度差h(見(jiàn)圖4)很小的話，當(dāng)滾刀破巖時(shí)，如果貫入深度大于或等于滾刀與刮刀的高度差，刮刀就頂住了巖面，限制了滾刀向巖層進(jìn)一步貫入。

圖3 主動(dòng)攪拌棒設(shè)置

圖4 高度差小導(dǎo)致刮刀限制滾刀破巖

3)滾刀的刀間距。刀間距也是影響破巖能力的關(guān)鍵因素。刀間距過(guò)大，會(huì)在兩滾刀之間出現(xiàn)破巖的盲區(qū)而形成“巖脊”。刀間距過(guò)小，會(huì)將巖體碾成小碎塊，降低破巖功效，所以刀間距過(guò)大或過(guò)小都不利于破巖［2］。

4)考慮盾構(gòu)機(jī)需要通過(guò)輝綠巖、閃長(zhǎng)巖或正長(zhǎng)巖等巖層，滾刀需配備重型鋼刀圈。

盾構(gòu)機(jī)刀具參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 廈門地鐵某區(qū)間與沿海城市類似地層使用盾構(gòu)機(jī)刀具參數(shù)對(duì)比

根據(jù)廈門地鐵的地質(zhì)特點(diǎn)，實(shí)際刀具配置中，應(yīng)主要考慮如下幾點(diǎn):

1)在復(fù)合地層的孤石和基巖突起工況下，輕型滾刀、雙刃滾刀或刀間距過(guò)近等配置都不利于破巖。一般采用43.18 cm重型單刃滾刀，加密刀間距，要求控制在9 mm以內(nèi)，且應(yīng)盡可能增加可超挖的邊緣刀具數(shù)量。硬巖地層段，還需增加刀具的抗沖擊和耐磨性能。

2)為保障邊緣刀具的開(kāi)挖性能，減少盾構(gòu)機(jī)被卡的風(fēng)險(xiǎn)，邊緣滾刀要有足夠的超挖量(＞15 mm)，且應(yīng)盡可能增加可超挖的邊緣刀具數(shù)量。

3)軟硬不均地層段應(yīng)合理設(shè)計(jì)不同刀具高差，形成梯次配置，減少?zèng)_擊崩裂等異常磨損。刀具的高度差宜＞30 mm，滾刀高度大于先行刀，先行刀高度大于刮刀。

4)軟土或軟巖地層段更換先行刀，優(yōu)化刀具組合配置，降低刀盤(pán)扭矩。

5)滾刀的啟動(dòng)扭矩必須考慮不同工作模式和不同巖層強(qiáng)度，有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，增加刀具對(duì)同斷面軟硬地層交互的適應(yīng)性，提高滾刀滾動(dòng)切削效率，減少滾刀偏磨。

6)滾刀要設(shè)計(jì)成具有一定彈性和伸縮性，邊緣滾刀要有足夠的超挖量，且應(yīng)盡可能增加可超挖的邊緣刀具數(shù)量，應(yīng)配置超挖刀，提高糾偏能力。

2.3 盾構(gòu)渣土改良系統(tǒng)選型

針對(duì)廈門上軟下硬地層特點(diǎn)，掘進(jìn)過(guò)程中，往往需要通過(guò)渣土改良來(lái)增加渣土的和易性及流動(dòng)性，針對(duì)添加劑注入設(shè)備應(yīng)考慮:

1)因注入壓力一般為0.3 MPa，泡沫發(fā)生器的壓力應(yīng)達(dá)到0.5 MPa;

2)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和常規(guī)的漿液濃度及注入比，泡沫泵的流量在40～60 L/min均可;

3)根據(jù)泡沫的濃度并參照泡沫劑泵的流量，水泵的流量一般在100～150 L/min;

4)在刀盤(pán)中心部位的輻條內(nèi)側(cè)(即刀盤(pán)厚度范圍內(nèi))增設(shè)一道水、氣的出口，與泡沫系統(tǒng)共用管路與泵，以防止從刀盤(pán)前方中心向土倉(cāng)內(nèi)這個(gè)通道結(jié)泥餅，并保證中心輻條之間開(kāi)口范圍內(nèi)的出土通暢;

5)在面板上、土倉(cāng)內(nèi)、螺旋出土器內(nèi)均需要設(shè)置注入口，面板上應(yīng)以刀盤(pán)為中心，呈輻射狀布置，一般黏性不是特別大的地層，4個(gè)即可。土倉(cāng)內(nèi)的注入孔數(shù)量以1～2個(gè)為宜，需要結(jié)合攪拌棒布置的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。排土器內(nèi)的注入孔以1～2個(gè)為宜，根據(jù)螺旋機(jī)的直徑、長(zhǎng)度和傾斜角進(jìn)行調(diào)整。

2.4 開(kāi)倉(cāng)人閘系統(tǒng)

根據(jù)廈門復(fù)合地層情況，盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)需要檢查或更換刀具，或是在孤石地段需要開(kāi)倉(cāng)處理時(shí)必然需要考慮開(kāi)倉(cāng)作業(yè)。如果開(kāi)倉(cāng)，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)，人閘的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)土倉(cāng)口、人閘位置。目前主要盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)口及人閘門有位于盾構(gòu)機(jī)頂部和中部?jī)煞N。當(dāng)需開(kāi)倉(cāng)作業(yè)時(shí)，土倉(cāng)口位置的不同，必然導(dǎo)致出土量的不同。土倉(cāng)口位置越低，出土量越大，這將不利于掌子面的穩(wěn)定。因此，建議盾構(gòu)土倉(cāng)口位于盾構(gòu)機(jī)頂部。

2)人閘宜選擇并聯(lián)雙倉(cāng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，即主倉(cāng)和副倉(cāng)，宜在主倉(cāng)內(nèi)單獨(dú)設(shè)置吊裝刀具的吊具。閘門宜采用向人閘倉(cāng)內(nèi)開(kāi)啟的形式，若采用向外開(kāi)啟，土倉(cāng)內(nèi)可能因結(jié)泥餅而使倉(cāng)門無(wú)法打開(kāi)。

3)配備完善的壓氣作業(yè)通風(fēng)、通訊和輔助系統(tǒng)。

圖5 人閘并列雙倉(cāng)設(shè)置

2.5 螺旋輸送器

在螺旋狀圓筒上需布置泡沫液管以改善渣土的流動(dòng)。因?yàn)槁菪斔推鲀?nèi)的渣土可能處于壓密狀態(tài)，所以應(yīng)預(yù)留檢修口進(jìn)行清理或取出卡在內(nèi)部的石塊。另外，螺帶前端應(yīng)完全伸入土艙內(nèi)(圖6)，以保證送土效率。為了達(dá)到更好的封水效果，還可以在靠近出土口的地方設(shè)置一段反向螺帶，人為地在螺管中形成土塞。另外，為達(dá)到更好的封水效果，應(yīng)在出渣口設(shè)置兩道閘門。即在螺旋輸送器的前端設(shè)置可關(guān)閉的前閘門，后閘門應(yīng)有蓄能器關(guān)閉的功能(圖7)［3］，以保證在意外斷電的情況下也能夠有效地切斷這一通道。

圖6 軸式螺旋輸送機(jī)

圖7 設(shè)置雙閘門及反葉片的螺旋輸送機(jī)

為保證盾構(gòu)機(jī)正常出渣，需要為螺旋輸送器配備足夠的驅(qū)動(dòng)功率。根據(jù)地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，直徑900 mm的螺旋輸送器，驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)大于200 kW，最大扭矩在200 kN·m左右。

2.6 盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)選型

1)根據(jù)同步注漿管與盾殼的相對(duì)關(guān)系，主要分為凸出式和內(nèi)嵌式兩種［4］。內(nèi)嵌式注漿管則在一定程度上增大了盾構(gòu)外徑和盾尾間隙。相對(duì)而言，增加了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，但有利于管片拼裝，且由于不易磨損，其地層適應(yīng)性更為廣泛。廈門地鐵采用內(nèi)嵌式注漿管設(shè)計(jì)，以降低注漿管路磨損，并降低總推力，做到單管單泵。同時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)盾尾設(shè)置清洗口，便于機(jī)械設(shè)備清洗;要求貯漿罐容量不小于理論注漿量的180%，即≥7 m3。

2)盾構(gòu)機(jī)上應(yīng)配置方便搬運(yùn)的二次注漿系統(tǒng)，能對(duì)拖出盾尾的隧道管片、聯(lián)絡(luò)通道及洞門等重點(diǎn)部位進(jìn)行注漿，解決施工常見(jiàn)的噴涌問(wèn)題。盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)需考慮二次注漿中B液罐和雙液注漿泵配備及放置位置。為了保障注漿效果，建議選用螺桿泵中雙液注漿泵進(jìn)行二次注漿，且雙液注漿設(shè)備能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整A，B液配比。

3)超前注漿系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)上配備的可向盾構(gòu)機(jī)前方超前注漿的設(shè)備，主要用于保護(hù)前方建筑物、開(kāi)倉(cāng)檢查前的加固、超前探測(cè)等。由于廈門地鐵花崗巖球狀風(fēng)化體地層需頻繁開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，為保證開(kāi)倉(cāng)安全，應(yīng)配備超前注漿系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)選型是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要綜合考慮地層條件及盾構(gòu)系統(tǒng)設(shè)備的功能來(lái)進(jìn)行合理配置，還存在一定的矛盾性和局限性。目前國(guó)內(nèi)在硬巖地段使用盾構(gòu)機(jī)滾刀正面間距最小能做到90 mm左右，但限制了刀盤(pán)開(kāi)口率，影響出渣。同時(shí)，在軟巖地區(qū)，其施工功效明顯，但是這種刀間距在微風(fēng)化的花崗巖地層就不一定完全適合了。廈門地層中存在大面積的基巖突起、孤石地段，如孤石粒徑較小，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)合理選型可直接掘進(jìn)通過(guò)，但往往容易遇到滯排困難。經(jīng)過(guò)爆破的花崗巖地層穩(wěn)定性較差，加之在上軟下硬地層中出現(xiàn)滯排，不但會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制，造成地面沉降，而且可能發(fā)生塌方事故。

因此，廈門盾構(gòu)機(jī)穿越基巖突起、孤石及上軟下硬等地層的有效解決方式，不僅需要合理的盾構(gòu)機(jī)選型，還需要更為有效的輔助工法。另外，已經(jīng)在國(guó)外及珠三角沿海城市開(kāi)始使用的雙模盾構(gòu)機(jī)，具備優(yōu)良的排渣優(yōu)勢(shì)，能有效地應(yīng)對(duì)廈門復(fù)合地層。所謂雙模盾構(gòu)機(jī)是指同時(shí)具備泥水平衡和土壓平衡兩種模式的盾構(gòu)機(jī)。雙模盾構(gòu)既能發(fā)揮泥水盾構(gòu)的平衡優(yōu)勢(shì)，又能充分發(fā)揮土壓盾構(gòu)排渣優(yōu)勢(shì)。

［1］李俊偉，李麗琴，呂培印.復(fù)合地層條件下盾構(gòu)選型的風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(7):1241-1244.

［2］竺維彬，鞠世建.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［3］鐘長(zhǎng)平，孔少波，楊木桂.廣州地鐵二/八號(hào)線拆解段盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］王暉，譚文，黃威然.廣州地鐵三號(hào)線北延段盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究［M］.北京:人民交通出版社，2012.

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(責(zé)任審編趙其文)

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.19

1003-1995(2015)12-0070-04

2015-07-07;

2015-09-07

李世佳(1984—)，男，工程師。