盾構(gòu)區(qū)間全斷面硬巖處理方法研究

楊民強

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250041)

1 前言

隨著社會不斷發(fā)展，人們對地下空間的利用需求日益增加。盾構(gòu)法施工以其安全、環(huán)保、高效等優(yōu)勢，在地鐵、鐵路、引水隧道等工程中擔(dān)負著重要使命[1-2]。目前，盾構(gòu)在軟土地層掘進技術(shù)已經(jīng)成熟[3-4]，形成了完整的理論計算體系，并積累了大量工程經(jīng)驗；但在全斷面硬巖地層掘進中經(jīng)驗尚淺，在全斷面硬巖地層掘進中的刀具刀盤磨損、推進緩慢等問題一直是困擾盾構(gòu)施工的難題。

諸多學(xué)者對盾構(gòu)過全斷面硬巖區(qū)間施工技術(shù)進行了研究。楊梅[5]以東莞～惠州城為依托，通過對盾構(gòu)在全斷面硬巖中掘進出現(xiàn)的盾體被卡、刀具磨損、管片上浮、管片錯臺、管片漏水等問題產(chǎn)生原因進行分析，提出了相應(yīng)的解決方案，掘進速度提高至每天2～3環(huán)。章新華[6]結(jié)合深圳市地鐵3號線翠竹站一田貝站區(qū)間過硬巖段施工，針對地面沉降大、刀盤刀具磨損大、推進速度慢等問題，提出了保證盾構(gòu)順利通過硬巖段的處理措施。閆建誠[7]結(jié)合實際工程，介紹了盾構(gòu)過硬巖施工中刀盤刀具選型、掘進模式以及掘進參數(shù)設(shè)計、刀具管理、盾構(gòu)姿態(tài)控制等方面的具體措施，確保盾構(gòu)安全順利推進。針對盾構(gòu)過硬巖刀具磨損快等問題，一些學(xué)者提出了爆破+盾構(gòu)掘進的掘進方法。王忠康等[8]以某國儲地下水封石油洞庫項目為依托，設(shè)計了中深孔全斷面一次光面爆破技術(shù)，提高了巷道成型質(zhì)量，超挖量在15 cm以內(nèi)。陳新等[9]以紅沿河核電站取水隧洞硬巖段施工為依托，詳細介紹了全斷面硬巖段采用地面鉆孔爆破預(yù)處理技術(shù)施工的工藝流程及爆破計算，實踐表明，該技術(shù)具有安全、效率與經(jīng)濟優(yōu)勢。還有一些學(xué)者對礦山法+盾構(gòu)空推進行了研究。孟福揚[10]對盾構(gòu)空推過礦山法隧道施工技術(shù)要點環(huán)階進行了探討研究，明確了盾構(gòu)空推過礦山法的作用以及對其研究的意義和價值。徐延召等[11]以武漢軌道交通某盾構(gòu)區(qū)間為依托，介紹了施工流程及質(zhì)量控制方法，該方法在施工中取得了良好的工程效果。石劉等[12]通過用盾構(gòu)直接掘進、爆破+盾構(gòu)掘進、礦山法+盾構(gòu)空推三種工法的經(jīng)濟性對比分析，總結(jié)出在工期不緊張、硬巖段長度較短、硬巖強度不高時，采用盾構(gòu)施工可以降低造價；在硬巖段長度較長時、工期較緊時，采用礦山法+盾構(gòu)空推方法施工費用較低。

本文以廈門市軌道交通3號線浦～后盾構(gòu)區(qū)間為背景，通過對左右線類似全斷面硬巖段采用不同的處理方法時盾構(gòu)掘進參數(shù)、刀具磨損情況、成型管片及隧道滲漏水進行分析對比，總結(jié)了盾構(gòu)區(qū)間全斷面硬巖處理方法，對相似地層的盾構(gòu)法隧道施工有積極的借鑒作用。

2 工程概況

廈門軌道交通3號線浦邊站～后村站盾構(gòu)區(qū)間從浦邊站始發(fā)，沿石厝路向東北方向敷設(shè)，先以半徑為R＝350 m的曲線向北偏轉(zhuǎn)，再以R＝350 m的曲線向南偏轉(zhuǎn)，下穿規(guī)劃地塊后，沿翔安東路敷設(shè)進入后村站，從后村站盾構(gòu)機解體后吊出。正線區(qū)間起訖里程為右DK26+080.644～右DK26+828.137、左DK26+080.644～左DK26+828.137。區(qū)間隧道右線長度為747.493 m，左線長度為772.536 m，總長度1 520 m，管片外徑6.2 m，盾構(gòu)開挖直徑6.48 m。

浦～后盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、散體狀強風(fēng)化花崗巖、全～強風(fēng)化花崗巖、全斷面中風(fēng)化花崗巖、全斷面微風(fēng)化花崗巖及孤石；區(qū)間穿越全斷面硬巖左線約53.6 m，右線約63.6 m，硬巖巖層強度達90 MPa。圖1為左線地質(zhì)斷面圖，圖2為右線地質(zhì)縱斷面圖。

圖1 左線地質(zhì)縱斷面圖

圖2 右線地質(zhì)縱斷面圖

3 左右線施工情況對比

3.1 左右線處理情況

左右線存在相似全斷面硬巖段(強度達90 MPa)地層。左線采取施工前進行地面預(yù)爆破處理，處理方式為常規(guī)的“深孔爆破法”，右線采取盾構(gòu)直接推進的方法施工(見表1)。

表1 左右線處理情況

左線區(qū)間全斷面硬巖段經(jīng)過爆破處理，右線區(qū)間全斷面硬巖區(qū)域未進行爆破處理，左右線區(qū)間在地層上相似性較大，同時此段處于右轉(zhuǎn)小半徑曲線段(350 m)范圍內(nèi)，對盾構(gòu)掘進施工參數(shù)設(shè)置、成型管片的質(zhì)量控制要求極高。本文通過對左右線實際施工情況進行對比研究，得到了相關(guān)結(jié)論。

3.2 左右線施工情況對比

3.2.1 掘進施工效率對比

通過左右線掘進施工速度對比(見表2)，可以看出對全斷面硬巖地層進行爆破處理對盾構(gòu)掘進施工效率提升較為明顯。

表2 左右線掘進時長統(tǒng)計

3.2.2 掘進參數(shù)對比

盾構(gòu)掘進受到的阻力為被動壓力，爆破預(yù)處理后，地質(zhì)松散，掘進時正面推進阻力減小，推力相應(yīng)減小；適當增加貫入度，在增加推力的同時，可以提高推進速度。爆破預(yù)處理后，巖石塊度存在差異，扭矩波動增大；同時，由于掌子面不穩(wěn)定，易發(fā)生坍塌，土倉內(nèi)渣土量增加，掘進中反扭矩增加，刀盤扭矩增加。因此，左線(爆破)與右線(未爆破)相比在相同的刀盤轉(zhuǎn)速下，推力有所減小，扭矩波動增大，推進速度提升較大(見表3)。

表3 左右線掘進參數(shù)統(tǒng)計

3.2.3 進倉情況對比

左線經(jīng)過爆破處理后，地質(zhì)松散，掌子面破碎裂隙多，土倉進水量大且處理難度大。經(jīng)過多次常壓試驗，土倉中頻繁出現(xiàn)石塊掉落聲音，刀盤前方掌子面破碎不穩(wěn)定，無法正常進行常壓進倉，若考慮帶壓進倉，也有進倉效率低、時間長、風(fēng)險高的問題，本項目左線區(qū)間在預(yù)設(shè)開倉點地面注漿加固處理后順利常壓進倉。右線全斷面區(qū)域未爆破處理，掌子面完整，地層穩(wěn)定，土倉進水主要為后部來水，常壓進倉的風(fēng)險小。圖3為左線開倉掌子面，圖4為右線開倉掌子面。

圖3 左線開倉掌子面情況

圖4 右線開倉掌子面情況

通過左右線進倉情況(見表4)看，盾構(gòu)機在爆破預(yù)處理的地層掘進施工中刀具磨損量有很大降低，但是左線出現(xiàn)刮刀崩齒。滾刀磨損量減小是因為爆破預(yù)處理后，盾構(gòu)掘進過程中推力減小，從而使得相同位置的滾刀磨損減小。出現(xiàn)刮刀崩齒的原因是爆破預(yù)處理后，掘進過程中大量的塊狀巖石堆積到刀盤底部，邊緣刮刀一直高速運轉(zhuǎn)，在無規(guī)律的多次磨損下，致使刮刀出現(xiàn)崩齒情況。

表4 左右線進倉情況統(tǒng)計

3.2.4 施工情況對比

右線全斷面硬巖區(qū)域由于未進行爆破處理，巖石強度高，完整性好，同時處于右轉(zhuǎn)小半徑(350 m)曲線段，在此種地層中掘進，為保證盾構(gòu)機掘進軸線能夠順利擬合隧道設(shè)計軸線，左右側(cè)推進油缸的行程差和油壓差會較大。而左右側(cè)推進油缸的行程差較大會導(dǎo)致盾構(gòu)機盾尾與盾尾內(nèi)的管片夾角過大，造成盾尾間隙較小，增大盾尾的磨損，甚至管片會卡住盾尾，造成盾尾及盾尾刷損壞，更嚴重是盾尾與中盾連接螺栓斷裂脫離；左右側(cè)推進油缸壓力差大，成型管片的質(zhì)量控制難度大，極易出現(xiàn)破損、錯臺、滲漏水的情況。

左線全斷面硬巖區(qū)域經(jīng)過爆破處理后，地層巖面破碎，地質(zhì)松散，姿態(tài)控制難度降低，盾構(gòu)機掘進所需較右線(未爆破)有所減小，對管片的擠壓力減小，成型管片質(zhì)量有很大提高。但經(jīng)過爆破處理后，地層裂隙增多，裂隙水量豐富，推進過程中螺旋機噴涌情況與右線相比明顯增大(見表5)。

表5 左右線施工情況

由于全斷面硬巖區(qū)域未進行爆破處理，盾構(gòu)機掘進后形成完整穩(wěn)固的通道，對同步注漿方量及同步注漿的壓力控制要求高，注漿壓力大注漿量多，漿液在完整的巖層通道中無法滲透，易出現(xiàn)漿液流通至土倉的情況；注漿壓力小注漿量少，則會造成管片脫出盾尾后無法穩(wěn)固，出現(xiàn)管片“上浮”的情況。經(jīng)過爆破后的地層相對松散，穩(wěn)固性差，同步注漿的漿液可以沿裂隙進行滲透，對同步注漿壓力控制方面要求相對較低，但也需對同步注漿量和漿液配比進行調(diào)整，以適合硬巖區(qū)域掘進。

3.2.5 方法討論

通過對左右線區(qū)間實際施工中的幾個方面進行對比研究，總結(jié)出全斷面硬巖段區(qū)間盾構(gòu)施工時采用爆破預(yù)處理和非爆破處理的優(yōu)缺點(見表6)。

表6 爆破處理與未爆破處理優(yōu)缺點

綜上所述，全斷面硬巖區(qū)域可不進行爆破或部分爆破處理，預(yù)設(shè)開倉點不進行爆破處理，作為一個穩(wěn)定完整區(qū)域進行常壓進倉檢查更換刀具；若全斷面硬巖區(qū)域采取爆破處理，則提前進行地面注漿加固等措施加固地層以保證順利常壓進倉。

4 結(jié)束語

本文以廈門市軌道交通3號線浦～后盾構(gòu)區(qū)間為背景，通過對左右線相似硬巖段采用不同處理方法時盾構(gòu)掘進參數(shù)、刀具磨損情況、成型管片及隧道滲漏水情況進行分析對比，總結(jié)了盾構(gòu)區(qū)間全斷面硬巖處理方法。具體結(jié)論如下:

全斷面硬巖區(qū)域可不進行爆破或部分爆破處理，預(yù)設(shè)開倉點不進行爆破處理作為一個穩(wěn)定完整區(qū)域進行常壓進倉檢查更換刀具，若全斷面硬巖區(qū)域采取爆破處理，則提前進行地面注漿加固等措施加固地層以保證順利常壓進倉。