沿海復合地層泥水盾構(gòu)施工適應性分析

王 焰

(中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510060)

大直徑泥水盾構(gòu)已經(jīng)廣泛應用于水下隧道施工過程中。文獻[1]從虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進施工中掌子面的穩(wěn)定、環(huán)流系統(tǒng)、刀盤刀具損壞等方面，分析了掘進參數(shù)選擇、泥漿質(zhì)量、同步注漿和二次注漿等盾構(gòu)掘進關鍵技術(shù)。文獻[2]在自制的室內(nèi)泥膜氣密性測試系統(tǒng)中，通過改變膨潤土的添加量，開展泥漿成膜試驗及泥膜閉氣試驗，確定了南京緯三路過江通道泥水盾構(gòu)在江底帶壓開艙時泥漿配制參數(shù)。文獻[3]以北京鐵路地下直徑線泥水盾構(gòu)施工為例，從穿越段的地質(zhì)情況、盾構(gòu)設備選型、泥漿指標、盾構(gòu)施工過程控制等方面對刀盤結(jié)泥餅的形成機理進行了分析，并提出了預防和清除措施。文獻[4]分析了泥水平衡盾構(gòu)穿越軟弱地層掘進速度的影響因素，給出了改善出渣和壓力波動的技術(shù)措施，并通過不斷調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、掘進速度、推力、扭矩等參數(shù)順利通過砂礫層。文獻[5]通過采用泥水壓力平衡開挖面水土壓力的方式以及飽和潛水技術(shù)，解決了泥水盾構(gòu)施工條件下帶壓進艙作業(yè)難題。文獻[6]通過對杭州慶春路過江隧道施工中泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)及地面沉降的分析，討論了泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)對地面沉降的影響。

文獻[7]針對軟硬不均地層,從防止開挖面涌水、保持開挖面穩(wěn)定、土倉加壓等方面,研究了開倉換刀時極限支護壓力和氣壓值的確定方法,給出了合理的氣壓值;采用土倉加壓與增強開挖面穩(wěn)定性相結(jié)合的技術(shù),確保了盾構(gòu)開倉換刀狀態(tài)下開挖面的穩(wěn)定,帶壓進倉作業(yè)順利,工程效果好。文獻[8]以南昌市軌道交通1號線秋水廣場站—中山西路站區(qū)間隧道工程為背景,對泥水盾構(gòu)穿越贛江F5斷裂破碎帶施工難點進行分析,從掘進開挖控制、出渣量與泥水質(zhì)量控制、同步注漿和二次注漿4個方面研究高水壓條件下破碎帶開挖面穩(wěn)定施工技術(shù),并通過對施工記錄資料的統(tǒng)計分析,給出泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)、泥水參數(shù)、同步注漿和二次注漿參數(shù)建議值,最后針對穿越破碎帶可能出現(xiàn)的施工風險提出建議措施。文獻[9]在詳細分析斷層破碎帶不同特征對圍巖穩(wěn)定性影響的基礎上,全面綜合斷層特征信息,建立一套完整的隧道穿越斷層破碎帶的施工風險評價體系，從實用、易于操作的角度出發(fā),將各評價指標進行了詳細分級,可為盾構(gòu)在穿越斷層破碎帶中實時評價災害風險提供參考。

國內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)在沿海復合地層中應用較少。廣深港客運專線獅子洋隧道是國內(nèi)首條采用大直徑泥水盾構(gòu)穿越復合地層的水下隧道，具有建設規(guī)模大、技術(shù)標準高、修建難度大、建設周期長、質(zhì)量要求高、技術(shù)風險大等特點。本文結(jié)合該隧道修建中的重難點，開展泥水盾構(gòu)在沿海復合地層的適應性分析，并給出施工建議。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

獅子洋隧道在廣東虎門大橋上游10 km處穿越珠江，隧道全長10.8 km。越江段長 9 340 m，采用泥水盾構(gòu)法施工。隧道兩端穿越淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉細砂土層，越江段穿越弱風化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細砂巖等，局部含有淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土。獅子洋盾構(gòu)隧道施工斷面如圖1所示。

通過室內(nèi)試驗對穿越距離最長的弱風化砂巖段進行力學參數(shù)測試，得到弱風化砂巖的最大單軸抗壓強度為82.8 MPa，滲透系數(shù)為6.4×10-4m/s，石英含量最高達55.2%，黏粉粒(≤75 μm)含量為26.1%～55.3%。

圖1 獅子洋盾構(gòu)隧道施工斷面示意(單位：m)

1.2 工程重難點

1)泥水盾構(gòu)施工穿越的弱風化砂巖，其巖石單軸抗壓強度和石英含量相對較高，且局部處于淤泥質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土中。施工過程中高強度的砂巖對刀具要求較高，如遇到大塊砂巖，盾構(gòu)掘進參數(shù)控制難度增大，掘進出的砂巖嚴重磨損泥水循環(huán)系統(tǒng)管道，尤其對刀盤和刀具的磨損非常嚴重。

2)盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進姿態(tài)控制難度大。

3)全斷面硬巖地層中盾構(gòu)掘進距離長，對設備性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。盾構(gòu)刀盤存在磨損嚴重、變形等風險。施工最深地段處于獅子洋隧道底，在高水壓復雜地層條件下帶壓換刀維修作業(yè)風險極高。采用的泥水盾構(gòu)施工設計水壓達0.67 MPa，對盾構(gòu)性能要求較高。

4)采用泥水平衡盾構(gòu)施工，遇強透水斷層破碎帶時泥膜難以形成，泥水壓力難以平衡掌子面前方水土壓力，容易造成掌子面及頂部的塊石脫落、掉塊直至塌方，掘進施工難度大。

2 盾構(gòu)選型

盾構(gòu)選型是盾構(gòu)法施工的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響盾構(gòu)隧道的施工安全、施工質(zhì)量、施工工藝及成本。按照適用性第一、先進性第二、經(jīng)濟性第三的原則，選擇最佳的施工方法和最適宜的盾構(gòu)。

獅子洋隧道選用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，該盾構(gòu)開挖直徑11.182 m，隧道內(nèi)徑9.8 m，襯砌外徑10.8 m，開口率31%。刀盤上布置278把雙層碳鎢合金切刀、50把單刃滾刀、10把雙刃滾刀。隧道采用4臺泥水平衡盾構(gòu)分別從進出口工作井相向掘進，在左右線隧道中兩兩地中對接，洞內(nèi)解體。

3 泥水盾構(gòu)施工適應性分析

3.1 施工問題

在獅子洋隧道盾構(gòu)掘進過程中，出現(xiàn)以下問題：

1)刀盤刀具系統(tǒng)適應性差，如邊刀的刀間距大，磨損嚴重；滾刀與刮刀高差小，刮刀參與破巖。

2)刀盤設計不合理，施工過程中磨損嚴重。

3)刀盤沖刷系統(tǒng)設計不合理，在泥巖地層中掘進時刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象嚴重。

針對以上問題，在施工過程中對盾構(gòu)刀盤進行了改造優(yōu)化。具體措施為：

1)將邊滾刀改為雙刃滾刀，增加滾刀與巖層接觸范圍，同時改造刀軸以提高滾刀與刮刀的高差。

2)采用HADX400耐磨鋼板修復刀盤周邊及切口環(huán)，增加刀盤外圈梁保護刀長度。

3)從泥漿系統(tǒng)進漿管路引出沖刷系統(tǒng)管路，分別從主軸承隔板、氣墊艙左側(cè)進入開挖艙，沖刷泵采用變頻控制，分別對刀盤中心及周邊進行沖刷，降低刀盤結(jié)泥餅的概率。

3.2 在4種典型工況中的適應性

3.2.1 軟土地層

在軟土地層中施工盾構(gòu)各設備都能正常運行，刀盤、主軸承、驅(qū)動系統(tǒng)、環(huán)流系統(tǒng)等各設備及系統(tǒng)工作正常，施工順利，特別是在下穿小虎瀝的淺覆土地段，采用合理施工參數(shù)后順利通過。

在軟土地層中施工時盾構(gòu)掘進推力為(3～4)×107kN，刀盤轉(zhuǎn)速0.8～1.0 r/min，掘進速度3～4 cm/min，刀盤扭矩2 000～5 000 kN·m，各項參數(shù)遠低于設計值，實現(xiàn)了快速掘進，且刀盤刀具磨損小。泥水環(huán)流順暢，出渣穩(wěn)定，進排漿流量 1 400～1 500 m3/h，進漿相對密度1.1～1.15，排漿相對密度1.25～1.35。破碎機很少使用，切口壓力設定值略大于地層實際壓力，環(huán)流系統(tǒng)工作穩(wěn)定。從現(xiàn)場情況看，掌子面泥膜形成較好，泥水壓力能有效保證掌子面的穩(wěn)定。

從施工進度看，盾構(gòu)掘進速度較快，泥水平衡盾構(gòu)適合軟土地層施工。進口段軟土地層盾構(gòu)施工進度見表1。

表1 進口段軟土地層盾構(gòu)施工進度

1)從軟土地層進入基巖地層，盾構(gòu)需穿越一段上軟下硬地層。進出口段盾構(gòu)穿越的上軟下硬地層主要為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)細砂巖，為典型的上軟下硬地層，且粉質(zhì)黏土黏度較高。未見斷裂，下部泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)細砂巖為強透水地層。洞頂埋深18.32～18.72 m，對掘進極為不利。出口段軟硬不均地層地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 出口段軟硬不均地層地質(zhì)剖面

2)盾構(gòu)在軟硬不均地層中施工時沿掘進方向受力不均，姿態(tài)很難控制。盾構(gòu)掘進推力(4.0～5.5)×107kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.5 r/min，掘進速度2～4 mm/min，刀盤扭矩 7 000～10 000 kN·m。施工時刀盤、主軸承、驅(qū)動系統(tǒng)、環(huán)流系統(tǒng)等各設備及系統(tǒng)滿負荷工作，掘進時間長，對設備及系統(tǒng)損傷大。

3)刀具切削、破巖困難?；鶐r抗壓強度較高，須采用滾刀切割破巖，而粉質(zhì)黏土無法給滾刀提供足夠的摩擦扭矩，造成刀具偏磨。軟硬不均地層掘進速度很慢，大部分巖石已被磨成粉末時仍有少數(shù)剝落巖石沒有切碎，沒有切碎的巖石容易堵塞進漿管路及破碎機。進排漿流量 1 300～1 500 m3/h，進漿相對密度1.10～1.15，排漿相對密度1.25～1.30，破碎機常開不能停止。渣石粒徑不均，大塊巖石極易堵塞破碎機、安全門、格柵，導致出漿管路負壓，環(huán)流中斷。頻繁負壓會給管路帶來極大傷害，減少使用壽命。破碎機需要始終工作，對破碎機破巖能力提出考驗。長時間高壓破巖使得破碎機液壓系統(tǒng)和電機系統(tǒng)承受過大負載，電氣及控制元件容易損壞。

在軟硬不均地層中施工時，盾構(gòu)各系統(tǒng)處在滿負荷工作狀態(tài)，運行參數(shù)接近設計值，掘進速度緩慢。進口段軟硬不均地層中施工進度見表2。

表2 進口段軟硬不均地層中施工進度

在軟硬不均地層掘進時可實現(xiàn)常壓下滾刀和齒刀的互換、滾刀和刮刀的互換，以提高換刀效率及降低換刀風險。能夠建立穩(wěn)定的泥水平衡，盾構(gòu)對軟硬不均地層基本適應。

3.2.3 全斷面硬巖地層

隧道經(jīng)過上軟下硬地層后，進入全斷面硬巖地層。隧道洞身主要通過弱風化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細砂巖，局部裂隙發(fā)育，存在破碎帶和風化槽。

在全斷面硬巖地層中掘進時刀盤、主軸承、驅(qū)動系統(tǒng)、環(huán)流系統(tǒng)等各設備和系統(tǒng)可以正常工作，但需要經(jīng)常維護保養(yǎng)，隨著掘進距離變長，維護保養(yǎng)時間不斷加長，部分配件需要多次更換。

“‘把經(jīng)濟特區(qū)辦得更快些更好些?！囆∑酵具@個題詞是1984年題給廈門的?！绷暯娇粗鴪D片，思緒回到了30多年前，“我是1985年去廈門工作的，倍感時間緊迫??！其他經(jīng)濟特區(qū)都跑起來了，廈門要趕緊追上去。”

在全斷面硬巖地層中盾構(gòu)掘進推力(4.5～6.0)×107kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.8～2.0 r/min，掘進速度1.2～1.6 cm/min，刀盤扭矩 2 000～5 000 kN·m，全斷面硬巖地層中掘進刀盤推力明顯大于軟硬不均地層中，扭矩明顯小于軟硬不均地層中，造成刀具磨損比較嚴重，換刀頻率一般每20～50環(huán)開倉更換1次。全斷面硬巖地層刀具磨損見圖3。

圖3 全斷面硬巖地層刀具磨損

在全斷面硬巖地層掘進時切口壓力設定值略小于地層實際壓力，環(huán)流基本順暢，出渣穩(wěn)定。進排漿流量 1 500～1 700 m3/h，進漿相對密度1.15～1.20，排漿相對密度1.25～1.30，破碎機需要經(jīng)常使用。

在全斷面硬巖地層中掘進時掘進速度較慢，但能正常施工。進口段全斷面硬巖地層中施工進度見表3。在全斷面硬巖地層中施工時盾構(gòu)各系統(tǒng)可以正常工作，掘進參數(shù)在設計范圍之內(nèi)，設備故障可控，掘進速度穩(wěn)定，能夠建立正常的泥水平衡。

表3 進口段全斷面硬巖地層中施工進度

3.2.4 斷層破碎帶

獅子洋隧道穿越地段大部分為巖石，局部裂隙發(fā)育，掌子面或洞頂巖石呈塊狀。地下水豐富。盾構(gòu)在斷層破碎帶中掘進時難以形成泥水平衡，泥水在塊狀巖石中難以形成泥膜，掌子面塊狀巖石在刀盤刀具作用下容易脫落、掉塊甚至塌方。

在斷層破碎帶中施工時盾構(gòu)掘進推力(5～8)×107kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.5 r/min，掘進速度2～5 mm/min，刀盤扭矩 4 000～10 000 kN·m。刀盤、主軸承、驅(qū)動系統(tǒng)、環(huán)流系統(tǒng)等均在滿負荷工作，在斷層破碎帶施工刀具磨損非常快，周邊滾刀和中心滾刀極易偏磨，換刀頻繁，通常每5～15環(huán)就需更換刀具。刀盤切口及外圈磨損尤其嚴重，每經(jīng)過一段斷層破碎帶，刀盤就要進行1次補焊維修。刀具及刀盤損壞情況見圖4。

圖4 刀具及刀盤損壞情況

此外，環(huán)流帶渣不暢，出渣量時大時小，泥漿管路磨損嚴重，極易出現(xiàn)堵泵、堵管、出漿管負壓現(xiàn)象。進排漿流量 1 500～1 700 m3/h，進漿相對密度1.10～1.15，排漿相對密度1.15～1.20，破碎機常開不能停止，切口壓力不斷波動，環(huán)流系統(tǒng)工作極不正常。

出渣巖塊大小不均。大巖塊極易堵塞破碎機、安全門、格柵，導致出漿管路負壓，環(huán)流中斷。頻繁負壓給管路帶來極大傷害，減少使用壽命。巖塊堵塞泥漿泵會使其排漿能力減弱，出現(xiàn)大的振動，影響環(huán)流帶渣能力，同時對泵自身產(chǎn)生嚴重損傷。

破碎機始終需要工作，對破碎機破巖能力提出極大挑戰(zhàn)。由于巖塊大小不一、軟硬各異，破碎機液壓油缸滿負荷工作才能提供破碎巖石所需要的力，多次出現(xiàn)卡死和漲缸現(xiàn)象，每次都需要開倉進入氣墊倉底部維修，占用大量施工時間。液壓部分，特別是作為動力源的驅(qū)動電機，由于長時間滿負荷工作，電機線圈經(jīng)常燒壞，需要頻繁更換電機。

盾構(gòu)在斷層破碎帶掘進時掘進速度較慢，且需要較多時間更換刀具。進口段斷層破碎帶施工進度見表4。

表4 進口段斷層破碎帶施工進度

盾構(gòu)在斷層破碎帶中掘進時泥水平衡機理發(fā)生變化，基巖破碎，泥膜難以形成，掌子面巖體易脫落掉塊，盾構(gòu)各系統(tǒng)處在極限工作狀態(tài)，運行參數(shù)接近或已超過設計值，設備故障頻發(fā)，掘進速度緩慢。通過采取各種施工措施、投入更多配件維護，可以勉強繼續(xù)施工，但很難建立穩(wěn)定的泥水平衡，施工存在一定的不適應性。獅子洋隧道進出口段在該地層中均出現(xiàn)地表塌陷情況，對地表安全和盾構(gòu)掘進產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)論

1)復合地層大直徑泥水盾構(gòu)水下施工過程中，需要控制好邊刀的刀間距，適當提高滾刀與刮刀的高差，根據(jù)不同地質(zhì)情況做好相應的設計，可減少刀具磨損，提高掘進效率。

2)泥水盾構(gòu)開挖軟硬不均地層，刀具偏磨和管路磨損比較嚴重，常壓下采用刀具滾齒互換技術(shù)，可提高換刀效率，降低換刀風險。

3)盾構(gòu)在軟硬不均、斷層破碎帶等地層施工時，需要加強刀盤驅(qū)動系統(tǒng)和推進系統(tǒng)的最大承受荷載，根據(jù)地層變化不斷優(yōu)化掘進參數(shù)，維持掌子面的泥水壓力，保證復雜地質(zhì)條件及惡劣工況下盾構(gòu)的掘進。