微風(fēng)化砂巖及砂礫巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)探討

王家祥

摘要：珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站～沙園站]區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越俗稱“磨刀石”地層的微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層，該地層具有抗壓強(qiáng)度高、巖石質(zhì)量高及石英含量高的特點(diǎn)。通過對該地層進(jìn)行一系列的分析及盾構(gòu)刀盤加固改造、刀具配置及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)計(jì)，取得了良好的階段性效果，引發(fā)對相同地層的技術(shù)探討。

關(guān)鍵詞：微風(fēng)化砂巖；砂礫巖；盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制；開倉換刀；刀具配置

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.22.094

0引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，地面交通系統(tǒng)已經(jīng)越發(fā)的繁忙，地下軌道交通作為城市的重要資源已經(jīng)得到了廣泛重視，地下軌道交通的施工技術(shù)也日新月異，其中盾構(gòu)法施工具有地層適應(yīng)范圍廣、施工效率高、安全質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，已在我國地下軌道交通施工工程中得到了普遍的使用?，F(xiàn)以珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站～沙園站]區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越微風(fēng)化砂巖、砂礫巖為例，闡述盾構(gòu)機(jī)在微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中的掘進(jìn)技術(shù)，以供探討和參考。

1工程概況

1.1設(shè)計(jì)概況

珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站～沙園站]區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間雙線總長2954.577m，隧道埋深15～28m，平面最大轉(zhuǎn)彎半徑300m，最大坡度27‰。盾構(gòu)機(jī)從沙涌站始發(fā)，下穿芳村大道、沙涌河、沙涌水閘、珠江主航道后，下穿光大花園密集建筑物，最后到達(dá)沙園站吊出井，完成區(qū)間隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)任務(wù)。

1.2地質(zhì)概況

隧道穿越地層主要為<7>層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、<8>中風(fēng)化砂巖及<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫地層，右線地質(zhì)縱剖面圖如圖1。

圖1中綠色區(qū)域?yàn)?lt;9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層，該地層長度占整個(gè)隧道長度的40%左右。地質(zhì)補(bǔ)勘探明<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖的平均天然單軸抗壓強(qiáng)度85MPa左右，部分地段圍巖最大天然單軸抗壓強(qiáng)度為132MPa，石英含量高達(dá)65%。微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層裂隙不發(fā)育，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD100%。巖芯及掌子面情況如圖2、圖3。

2施工難點(diǎn)分析

2.1地質(zhì)圍巖強(qiáng)度高，掘進(jìn)效率低

對于硬巖地層，盾構(gòu)掘進(jìn)速度主要由滾刀的破巖能力決定。由于刀具自身材質(zhì)問題，滾刀對60MPa以下的巖石具有很強(qiáng)的破巖能力，盾構(gòu)掘進(jìn)效率較高；對超過75MPa的硬巖破巖能力大大下降，盾構(gòu)掘進(jìn)效率極其低下。區(qū)間隧道<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層平均抗壓強(qiáng)度高達(dá)85MPa，無風(fēng)化裂隙，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=100%，盾構(gòu)貫入度2～3.5mm/min，掘進(jìn)速度3～5mm/min。

2.2地層石英含量高，刀具磨損嚴(yán)重

區(qū)間<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖石英含量高達(dá)65%，石英具有堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，對刀盤、刀具的磨損較大。盾構(gòu)推進(jìn)過程中，需要經(jīng)常開倉檢查刀具磨損情況，尤其的周邊刀的磨損情況，以避免開挖半徑減少造成的盾構(gòu)機(jī)卡死事故。

2.3圍巖穩(wěn)定性好，管片上浮嚴(yán)重

在軟臥地層中圍巖自穩(wěn)性差，應(yīng)力釋放快，塑性形變大，管片脫出盾尾后，拱頂圍巖發(fā)生形變，減少管片與地層之間的建筑空隙，有利于及時(shí)約束管片上浮趨勢。<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中，由于基巖穩(wěn)定性好，環(huán)形建筑空隙在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，脫出盾尾的管片長時(shí)間處于無約束狀態(tài)，隨著漿液的填充及地下水浮力的增加，使管片產(chǎn)生較大的上浮現(xiàn)象，造成成型隧道線性偏差較大。

3盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制措施

根據(jù)珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站～沙園站]區(qū)間隧道的工程地質(zhì)特點(diǎn)及水文地質(zhì)情況，經(jīng)廣州“盾研所”專家論證，采用德國海瑞克φ6280土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行本區(qū)間的施工。

海瑞克φ6280土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)最大推力34210KN，刀盤旋轉(zhuǎn)最大扭矩5300KNm。盾構(gòu)機(jī)刀盤采用復(fù)合式硬巖刀盤，可配置32把單刃或雙刃滾刀、4把雙刃中心刀、28把中心刮刀及28把周邊刮刀，最大開口率28%，最大破巖能力135MPa。

3.1刀盤加固改造

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖具有抗壓強(qiáng)度高、巖石石英含量高等特點(diǎn)，所以在刀盤迎土面焊接耐磨紋的同時(shí)，加焊耐磨鋼板以增加刀盤的耐磨能力；在刀盤大臂連接處焊接連接鋼板增加刀盤整體抗扭能力。詳細(xì)如圖4、圖5。

3.2刀具配置及更換

3.2.1刀具配置

根據(jù)<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行刀具配置，配置的刀具應(yīng)滿足耐磨性好、破巖能力強(qiáng)的要求，同時(shí)應(yīng)考慮刀盤中心位置刀具的偏磨問題。詳細(xì)如下：

（1）周邊刀39#、40#采用龐萬力重型單刃刀具，刀刃外徑17in；其他周邊刀采用耐磨型熱熔合金單刃滾刀，刀刃外徑17in。

（2）中心刀1#～8#采用龐萬力重型雙刃刀具，刀刃外徑19in。

（3）面刀9#～12#配置采用耐磨型熱熔合金雙刃滾刀，刀刃外徑19in；其他面刀采用球齒單刃滾刀。

3.2.2刀具更換

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中推進(jìn)3～5環(huán)進(jìn)行一次開倉檢查，根據(jù)刀具磨損控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行刀具更換。<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層周邊刀磨損值應(yīng)控制在10mm以內(nèi)，面刀磨損值控制在20mm以內(nèi)。

3.3推進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）掘進(jìn)模式。

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)，應(yīng)充分利用的圍巖的自穩(wěn)性，采用敞開式掘進(jìn)模式。刀具碾壓、切削下的碴土進(jìn)入土艙后，及時(shí)被螺旋機(jī)排出，土艙內(nèi)僅保留少許碴土。

（2）推進(jìn)參數(shù)。

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)以快速推進(jìn)、保護(hù)刀盤刀具、降低刀具異常磨損為原則，極力避免刀具偏磨、刀圈斷裂等問題發(fā)生。故盾構(gòu)總推力以刀盤扭矩及刀圈最大耐壓能力來確定。巖石完整性好，刀盤轉(zhuǎn)速以高速旋轉(zhuǎn)為主，以增加盾構(gòu)的掘進(jìn)速度。詳細(xì)如表1。

（3）碴土改良。

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層經(jīng)刀具碾壓后形成石粉及粒徑15mm～25mm的碎石塊，碴土改良以降溫、潤滑、保護(hù)刀具為主要原則。加入泡沫劑以潤滑刀具，根據(jù)地下水情況加水以降低土艙溫度。碴土改良參數(shù)如表2。

3.4同步注漿及二次注漿

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)同步注漿應(yīng)充分考慮管片上浮問題，注漿量滿足管片不會(huì)下沉即可，同步注漿量控制在3m3左右，剩余建筑空隙以二次注漿填充。為避免管片壁后的地下水或者同步注漿的砂漿竄入土艙，可在同步注漿時(shí)加注一定量的水玻璃，加快同步注漿將夜的凝固。地下水豐富情況下，可直接采用跟蹤二次注漿的形式進(jìn)行封環(huán)，確保管片姿態(tài)穩(wěn)定、管片壁后密實(shí)無水。

3.5掘進(jìn)姿態(tài)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制管片成型姿態(tài)，<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)水平姿態(tài)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行控制，垂直姿態(tài)必須根據(jù)管片上浮量來確定，管片姿態(tài)復(fù)測至關(guān)重要。<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)通?？刂圃?70mm～-60mm之間，以抵消管片上浮造成的線差。

4盾構(gòu)掘進(jìn)效果

<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)推進(jìn)速度很低，逐步增加盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩，盾構(gòu)掘進(jìn)速度均無明顯上升。當(dāng)總推力超過14000KN、刀盤工作壓力超過140bar時(shí)，會(huì)大規(guī)模出現(xiàn)刀具偏磨、刀圈斷裂現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗(yàn)，<9>微風(fēng)化砂巖、砂礫巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)總推力控制在12000KN～13000KN、刀盤轉(zhuǎn)速1.8～2.0rpm、刀盤工作壓力110～120bar（刀盤扭矩2200KNm～2500KNm），可以有效的避免刀具異常損耗，掘進(jìn)速度可以達(dá)到5～15mm/min。盾構(gòu)施工參數(shù)截圖如圖10、11、12、13。

成型隧道管片線性水平姿態(tài)偏差在±30mm之間，垂直姿態(tài)偏差±45mm之間，到達(dá)線性設(shè)定目標(biāo)。

5結(jié)束語

盾構(gòu)在俗稱“磨刀石”的微風(fēng)化砂巖、砂礫巖中掘進(jìn)需要克服多種困難，尤其是刀具磨損嚴(yán)重、掘進(jìn)效率低下問題。通過對珠江三角洲城際快速軌道交通廣州至佛山段[沙涌站～沙園站]區(qū)間盾構(gòu)穿越微風(fēng)化砂巖、砂礫巖的介紹和分析，對刀具配置、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、注漿等施工進(jìn)行了分析和設(shè)定，降低了刀具偏磨、刀圈斷裂等的異常損耗，加快了盾構(gòu)在微風(fēng)化砂巖、砂礫巖中的掘進(jìn)效率。

參考文獻(xiàn)

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