大粒徑卵石地層隧道直接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

李鴻

摘? 要：大粒徑卵石地層隧道盾構(gòu)掘進(jìn)是業(yè)界棘手的施工難題。對(duì)于大多選用的直接式泥水盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)再掘進(jìn)過程中極易產(chǎn)生排漿管堵管、出渣不暢、頻繁開采石箱清渣等施工難題。基于此，本文以大粒徑卵石地層盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，對(duì)直接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，總結(jié)出適應(yīng)該地層的施工技術(shù)，為類似地層隧道盾構(gòu)施工提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：礫石地層? 大粒徑卵石? 直接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)? 盾構(gòu)掘進(jìn)? 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（b）-0048-04

Abstract： Shield tunneling in large-size pebble stratum is a difficult construction problem in the industry. For most of the direct slurry shield machines， the construction problems such as blocking of discharge pipe， blocking of slag discharge pipe， frequent slag removal by stone box and so on， are easy to occur in the process of shield tunneling. Based on this， this paper studies the key construction technology of direct slurry balance shield machine with large particle size pebble stratum as the research object. The cutter head cutter of the shield machine is optimized adaptively， the tunneling parameters are adjusted， and the tunneling equipment is optimized. Finally， the construction technology suitable for stratum is summarized， which provides guidance and reference for shield construction of similar stratum tunnel.

Key Words： Gravel stratum; Large size pebble; Direct slurry balance shield machine; Shield tunneling; Key technology

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工關(guān)鍵技術(shù)的研究及應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)性科學(xué)難題。國(guó)內(nèi)外諸多相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定程度的研究與探討。陳健[1]等以武漢地鐵八號(hào)線越江隧道、南京長(zhǎng)江隧道等盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，探究了泥水平衡盾構(gòu)機(jī)穿越超大直徑復(fù)雜地層隧道的施工重難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)得出盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、掘進(jìn)及接收技術(shù)，膨脹土地層的盾構(gòu)機(jī)改造技術(shù)、刀盤刀具更換技術(shù)及開挖穩(wěn)定性控制技術(shù)等。劉濱[2]等探究了泥水平衡盾構(gòu)機(jī)穿越高富水復(fù)雜地層隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)，提出了盾構(gòu)隧道砂漿回填方案、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制及管片拆除方案等三方面研究。

不難發(fā)現(xiàn)，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵施工技術(shù)研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，一直是施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)，研究的熱點(diǎn)及前沿。對(duì)于大粒徑卵石地層隧道，極少有對(duì)改良后的直接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，本文以此為研究對(duì)象，以期得出關(guān)鍵施工技術(shù)，供相關(guān)研究及工程應(yīng)用參考。

1? 工程概況

以某盾構(gòu)隧道為例進(jìn)行說明。據(jù)隧道地質(zhì)勘查資料顯示，隧道穿越的地層主要為礫石、泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等復(fù)合地層。其中，礫石呈中密～密實(shí)狀，粒徑較大，粒徑大致范圍為2～30mm，厚度為1.90～28.00m;泥巖成巖程度較深，呈半巖半土狀，風(fēng)干開裂，遇水易軟化，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為1.03～7.39MPa，屬A2類膨脹土;泥質(zhì)粉砂巖為粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈半巖半土狀，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為0.92～3.56MPa;鈣質(zhì)泥巖已固結(jié)成巖石狀的半成巖，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為1.40～4.15MPa。

隧址區(qū)地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和基巖裂隙水。

其中上層滯水主要賦存于人工填土層和淺部粉土、砂土層中，分布不均勻、水位不連續(xù)、高低變化很大。第四系松散巖類孔隙水主要分布在邕江低階地亞區(qū)和高階地亞區(qū)。碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于下伏古近系半成巖的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖中，該層地下水具承壓性，富水性弱，屬弱～中透水層，水位埋深1.6～18.5m。基巖裂隙水主要賦存于泥質(zhì)硅質(zhì)巖全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，受大氣降水及地表水體補(bǔ)給，水量隨季節(jié)變化較大。

2? 適應(yīng)性盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)

如上所述，該地層隧道地質(zhì)情況較為復(fù)雜，地層起伏變化較大，泥巖占比高達(dá)70%，刀盤易結(jié)泥餅，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)分析，采用2臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)分別用于隧道左線和右線，泥水倉由氣墊式改造成直接式，提高排渣效率。盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介如表1所示。

盾構(gòu)機(jī)刀盤開口在整個(gè)盤面均勻分布，能夠?qū)崿F(xiàn)碴土徑向方向的順利流動(dòng)，使碴土在刀盤中心區(qū)域不易形成因流動(dòng)不暢而引起的堵塞和堆積，保證刀盤掘進(jìn)過程中碴土順利進(jìn)入泥水倉，有效提高出渣效率。刀盤結(jié)構(gòu)見圖1，刀具配置見表2。

3? 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)段掘進(jìn)參數(shù)控制及設(shè)備優(yōu)化改造

3.1 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)始發(fā)段穿越礫石層，自穩(wěn)定較差，地下水位較高，為確保掌子面穩(wěn)定及提高排漿管攜帶大粒徑礫石能力，根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)情況、倉內(nèi)液位的波動(dòng)情況、地面沉降監(jiān)測(cè)等確定掘進(jìn)參數(shù)，如表3所示。

3.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)

結(jié)合拼裝管片姿態(tài)與人工復(fù)合姿態(tài)對(duì)比，礫石地層成型管片平均上浮量為20～30mm，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)垂直姿態(tài)控制在-20～30mm，每環(huán)糾偏量控制在6mm以內(nèi)。

3.3 同步注漿及二次注漿

同步注漿采用注漿量及注漿壓力雙重控制，每環(huán)注漿量控制在5.5～6m3，注漿壓力控制在0.3～0.35Mpa，確保壁后空隙填充密實(shí)，同步注漿配合比如表4所示。

二次注漿通過盾尾平臺(tái)自備KBY-50雙液注漿泵在管片拖出盾尾后4～6環(huán)進(jìn)行，采用水泥水玻璃雙液漿作為注漿材料，漿液配比為1：1，二次注漿壓力為0.3～0.4Mpa，單孔注漿量為1～1.5m3。通過同步注漿和二次注漿，有效解決了泥水盾構(gòu)機(jī)穿越礫石地層管片易上浮、地面沉降難控制的難題。

3.4 設(shè)備優(yōu)化改造

通過進(jìn)排漿管流量計(jì)算重新匹配P2泵功率，將原排漿管直徑200mm調(diào)整為250mm，提高可最大攜帶礫石直徑。

第一次改造采石箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加橫向鋼筋格網(wǎng)，間距150mm，利用鋼筋網(wǎng)將采石箱分為二層，使排漿管路內(nèi)大于150mm礫石頭留在采石箱內(nèi)，小于鋼筋格網(wǎng)的礫石可正常循環(huán)至分離設(shè)備分離，大塊礫石通過開采石箱進(jìn)行人工清理，由于橫向鋼筋格網(wǎng)強(qiáng)度較低，實(shí)際施工過程中易變形。采石箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及第一次改造見圖2。

第二次改造采石箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將橫向鋼筋格網(wǎng)改為橫向鋼板格網(wǎng)，間距150mm，滿足實(shí)際施工強(qiáng)度及剛度要求，但由于鋼板格網(wǎng)上部存渣數(shù)量有限，每掘進(jìn)一環(huán)需開采石箱3～5次，掘進(jìn)效率較低。第三次改造采石箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將橫向鋼板格網(wǎng)改為豎向鋼筋格網(wǎng)，間距150mm，通過實(shí)際施工驗(yàn)證，強(qiáng)度滿足要求。同時(shí)增大采石箱容積，提高采石箱存渣量，將原將采石箱倉門螺栓連接改造為簡(jiǎn)易連接，確?？焖匍_關(guān)倉門進(jìn)行人工清理大塊礫石，減少因開采石箱影響盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間。

經(jīng)過三次改造采石箱，使每環(huán)掘進(jìn)開采石箱次數(shù)降低至1次，人工開采石箱清理渣土開關(guān)倉門時(shí)間節(jié)約0.5h，大大提高了掘進(jìn)效率。

4? 結(jié)語

本文所得大粒徑卵石地層隧道直接式盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)，在工程中的成功應(yīng)用，大大減少了排漿管堵管及開采石箱清理礫石次數(shù)，提高了掘進(jìn)效率，降低了施工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其研究成果對(duì)今后地鐵或類似工程的建設(shè)提供了重要參考，同時(shí)對(duì)提高我國(guó)隧道和地下工程領(lǐng)域的總體技術(shù)水平也有著十分重要的意義。

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