淺談富水圓礫地層盾構(gòu)選型研究

摘要：以南寧富水圓礫地層的盾構(gòu)選型為例，從刀盤、刀具設(shè)計(jì)對(duì)地層的適應(yīng)性上，從螺旋機(jī)的改造降低噴涌現(xiàn)象上，從盾構(gòu)施工安全性和可靠性上，描述了應(yīng)對(duì)各項(xiàng)不利因素的措施，并給出盾構(gòu)選型建議，然后通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，項(xiàng)目部平穩(wěn)、安全、受控地完成了區(qū)間任務(wù)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；圓礫地層；適應(yīng)性；可靠性

1、前言

現(xiàn)代地鐵隧道盾構(gòu)施工的第一要?jiǎng)?wù)，就是要保證周邊建構(gòu)筑物和其他各種市政設(shè)施的安全，而盾構(gòu)選型和功能配置的合理與否是安全施工的根本。

2、工程概況

南寧地鐵一號(hào)線南湖站～金湖廣場(chǎng)站～會(huì)展中心站盾構(gòu)隧道區(qū)間位于民族大道，東西向布置，為地下線，線路兩側(cè)高樓林立，多有國(guó)家企事業(yè)單位辦公，且民族大道是連接主市區(qū)和瑯東新區(qū)主要干道，交通非常繁忙，地下管線情況復(fù)雜。

隧道襯砌管片外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m，寬度1.5m，管片厚度0.3m，分塊數(shù)：6塊。管片采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+轉(zhuǎn)彎環(huán)的模式擬合線路，轉(zhuǎn)彎環(huán)最大楔形量為38mm，最小曲線半徑350m，最大坡度24.873‰。

3、工程地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報(bào)告及盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)北京和成都的砂卵石地層與南寧圓礫地層進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)圓礫地層有如下特性：灰色、乳白色、褐黃色等，稍密～中密，飽和，以礫石為主，少部分卵石，磨圓度較好，以次圓狀為主，部分滾圓狀或次棱角狀，成分以石英巖、硅質(zhì)巖為主，物理性質(zhì)非常松散，稍有擾動(dòng)就會(huì)失穩(wěn)，而北京和成都的砂卵石地層比較密實(shí)，有一定的自穩(wěn)性，對(duì)盾構(gòu)施工要求不是很高。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，非常容易出現(xiàn)噴涌事件，引起坍塌，故本文只對(duì)盾構(gòu)機(jī)如何應(yīng)對(duì)圓礫地層進(jìn)行重點(diǎn)分析。

4、盾構(gòu)選型原則

根據(jù)工程條件及工程水文地質(zhì)，嚴(yán)格按照適用性和可靠性第一、先進(jìn)性第二、經(jīng)濟(jì)性第三的原則，在科學(xué)統(tǒng)一的基礎(chǔ)上進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型。

（1）所選的盾構(gòu)機(jī)必須以掌子面的穩(wěn)定為核心，滿足工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，安全施工。土質(zhì)的塑性、流動(dòng)行和滲透系數(shù)等因素，是保證掌子面穩(wěn)定基礎(chǔ)，一般認(rèn)為滲透系數(shù)為10-5m/s是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能夠安全作業(yè)的上限值。

（2）盾構(gòu)機(jī)技術(shù)水平先進(jìn)、可靠，要有良好的掘進(jìn)性能，結(jié)合管片襯砌的類型防止坍塌和滲漏，各配套系統(tǒng)具有緊湊的配合關(guān)系，故盾構(gòu)選型是一個(gè)系統(tǒng)性的問題，需要綜合考慮。

（3）盾構(gòu)選型在經(jīng)濟(jì)性上也是不容忽視的。

5、盾構(gòu)配置技術(shù)要求

對(duì)比泥水盾構(gòu)，經(jīng)研究分析，隧道采用土壓平衡掘進(jìn)模式為最優(yōu)選擇。盾構(gòu)性能應(yīng)該滿足以下要求：①對(duì)防止圓礫層噴涌有針對(duì)性的措施；②在遇到不同的地層時(shí)可以更換不同的刀具；③盾構(gòu)必須適應(yīng)于各種砂土、粘性土、圓礫層；④刀盤的驅(qū)動(dòng)和推進(jìn)系統(tǒng)必須具有足夠的扭矩和推力，以保證盾構(gòu)在土壓平衡模式下所需；⑤盾構(gòu)必須具有足夠的土壓平衡調(diào)節(jié)能力，保證開挖面的穩(wěn)定，與周圍的水壓力及土壓力平衡，控制地表隆陷不超過+10/-30mm；⑥土碴改良裝置應(yīng)有泡沫、泥漿、水等注入機(jī)構(gòu)，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，以保證碴土的塑流性和不透水性。

6、盾構(gòu)重點(diǎn)部位技術(shù)分析

6.1刀盤分析

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，刀盤采用復(fù)合式設(shè)計(jì)，開口率40%，中心支撐方式，可防止大粒徑孤石進(jìn)入土艙阻塞螺旋輸送機(jī)。刀盤上設(shè)計(jì)有四個(gè)中心進(jìn)碴口、八個(gè)大尺寸正面進(jìn)碴口以及四個(gè)周邊進(jìn)碴口，可有效降低刀盤中心結(jié)“泥餅”的可能性，進(jìn)碴口采用錐形設(shè)計(jì)，支撐筋板采用Z字形設(shè)計(jì)，有利于碴土順暢地流入土艙，可實(shí)現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)出碴。

刀盤上設(shè)有4道泡沫管路（刀盤中心2路，刀盤外周2路）和2道膨潤(rùn)土管路。刀盤內(nèi)部設(shè)置4個(gè)主動(dòng)攪拌臂，可以保證刀盤內(nèi)部土體的均勻性。

6.2刀具配備

刀具的選用對(duì)盾構(gòu)的開挖效率起著十分重要的作用，因此采用撕裂刀、切刀和刮刀等混合配置的組合方案，可有效開挖各種淤泥、砂土、粘土，又能適應(yīng)各種素混凝土加固區(qū)的掘進(jìn)，同時(shí)所有可拆式刀具均可從刀盤背部進(jìn)行更換。

①撕裂刀。配置4把中心撕裂刀和31把撕裂刀，可用來破碎素混凝土墻體以及在較為堅(jiān)硬的礫石層中行走；②切刀。刀盤配置36把切刀，布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，其切削原理是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)對(duì)開挖面土體產(chǎn)生軸向（沿隧道前進(jìn)方向）剪切力和徑向（刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向）切削力，可在粒徑小于400mm的砂、卵石、粘土等松散體地層掘進(jìn)；③邊緣刮刀。刀盤配備8把邊緣刮刀，用來對(duì)付各種砂土、粘土等較松散的地層及全風(fēng)化的巖層等其它未固結(jié)的土體，刮刀上裝有碳化鎢刀刃，可降低掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的磨損，校準(zhǔn)盾構(gòu)的開挖直徑；④保護(hù)刀。通過配備噴口保護(hù)刀6把、普通保護(hù)刀8把和外圈保護(hù)刀，使刀具磨損程度減弱，提高了刀具的壽命，保護(hù)了刀盤，降低了換刀頻率；⑤超挖刀。配備1把超挖刀，用于盾構(gòu)曲線施工時(shí)的超挖及盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，由液壓油缸操縱伸縮，其行程為0～20mm。

6.3主驅(qū)動(dòng)

配置的主軸承直徑3061mm，最大使用推力荷載1600t，試驗(yàn)推力荷載4062t，破壞推力荷載6500t。8組變頻驅(qū)動(dòng)，功率945KW，額定扭矩6000kNm，脫困扭矩7200kNm。通過重慶、沈陽、西安全斷面砂卵層地層常用的扭矩進(jìn)行推算，本項(xiàng)目全斷面圓礫層常用扭矩應(yīng)在3500kNm<6000kNm左右。

6.4中盾

中盾和尾盾采用被動(dòng)鉸接連接，沿中盾盾殼圓周上半部180°設(shè)計(jì)10根超前注漿管，可對(duì)地質(zhì)進(jìn)行超前鉆探、注漿加固。

6.5泡沫和聚合物注入系統(tǒng)

配備有泡沫添加系統(tǒng)，可通過刀盤面板上8個(gè)孔道、土倉(cāng)隔板上4個(gè)孔道，及螺旋輸送機(jī)筒壁3個(gè)孔道分別或同時(shí)向開挖面、土倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)內(nèi)部注入泡沫或膨潤(rùn)土，用于改善碴土的塑流性和防止泥餅的產(chǎn)生。為了適應(yīng)設(shè)備能在高水壓富水地層正常工作，設(shè)備配置了聚合物注入系統(tǒng)，通過泵將聚合物注入到土倉(cāng)里面，防止噴涌的發(fā)生。

6.6采用雙螺旋結(jié)構(gòu)模式防噴涌發(fā)生

為了防止掘進(jìn)時(shí)發(fā)生涌水、涌沙現(xiàn)象，將螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)為雙級(jí)結(jié)構(gòu)，在掘進(jìn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)兩級(jí)輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，防止噴涌的發(fā)生。

6.7掘進(jìn)可靠性要求

地面沉降控制方面：一是在土倉(cāng)中安裝了5個(gè)土壓傳感器，它能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出開挖面各方位的水土壓力；二是在4個(gè)注漿管路的末端安裝了漿液壓力傳感器，并將數(shù)據(jù)顯示在控制面板上；三是在掘進(jìn)機(jī)控制軟件中配備了出土超限、掌子面支撐壓力、泥倉(cāng)碴土的表觀密度報(bào)警系統(tǒng)。

隧道掘進(jìn)軸線的精確性方面：一是采用先進(jìn)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和姿態(tài)顯示系統(tǒng)，直觀地顯示出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。二是推進(jìn)油缸分成上、下、左、右4組，各組油缸的壓力和行程能被檢測(cè)和顯示在控制室的操作面板上，并可調(diào)整各組油缸的伸出速度和伸出量。

7、結(jié)束語

特殊地層條件下的盾構(gòu)選型是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需要對(duì)地質(zhì)、水文、外部環(huán)境資料，進(jìn)行認(rèn)真分析，系統(tǒng)研究，合理確定各項(xiàng)參數(shù)和配置。本文以南寧地鐵富水圓礫層為主要不良施工條件，從刀盤配置、刀具選擇、中盾、主驅(qū)動(dòng)、泡沫和聚合物注入系統(tǒng)、螺旋機(jī)、掘進(jìn)安全性和可靠性等方面進(jìn)行了分析研究，最后通過現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證，盾構(gòu)設(shè)備狀況、掘進(jìn)姿態(tài)、地表沉降等方面均受控，為類似施工提供了借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：

汪凱；1984年10月；男；中級(jí)工程師；畢業(yè)學(xué)校：遼寧工程技術(shù)大學(xué) 專業(yè)：測(cè)繪工程。