嘉興盾構(gòu)二標(biāo)區(qū)間工程軟硬不均地層掘進(jìn)技術(shù)分析

彭海庫(kù)

摘 要： 論文以嘉興盾構(gòu)二標(biāo)區(qū)間工程為依托，研究了軟硬不均地層掘進(jìn)技術(shù)，以期能夠?yàn)轭?lèi)似工程的施工提供些參考性的意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞： 工程軟硬不均地層;掘進(jìn)

一、嘉興盾構(gòu)二標(biāo)D4-D3掘進(jìn)狀況

（一）區(qū)間復(fù)雜地層

D4-D3井地區(qū)地形、地層復(fù)雜，有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土，泥質(zhì)粉砂巖，長(zhǎng)石砂巖，石英砂巖等。D4-D3區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越更多的軟硬不均、硬巖、斷裂破碎帶等復(fù)雜地層，施工進(jìn)度和安全經(jīng)常受到影響。在這些復(fù)雜易變地層中推進(jìn)，將大大增加盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿、姿態(tài)調(diào)整和地表沉降的控制難度，并導(dǎo)致刀具磨損加快等一系列技術(shù)問(wèn)題。

（二）區(qū)間復(fù)雜地層的特點(diǎn)

區(qū)間盾構(gòu)隧道在穿越淤泥、粘土、硬巖和軟硬不均等多種復(fù)雜地層，所穿越的區(qū)域雨量充沛、地下水豐富，施工難度極大。區(qū)間復(fù)雜地層的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。（1） 多樣性，地下土層和巖層種類(lèi)眾多。（2） 差異性，地形高低起伏較大，各類(lèi)巖層風(fēng)化程度和單軸抗壓強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn);從基本無(wú)強(qiáng)度的淤泥質(zhì)土層到高達(dá)100多MPa的長(zhǎng)石砂巖，石英砂巖也均有分布，高強(qiáng)度硬巖質(zhì)地層掘進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)3公里。（3） 不均勻性，隧道所經(jīng)地段地層上軟下硬現(xiàn)象十分普遍，地層變化特別快。（4） 富水性，穿越眾多地下水豐富地區(qū)，斷裂破碎帶地區(qū)，水量大。

二、軟硬不均地層對(duì)盾構(gòu)施工的影響

（1）在軟硬地層開(kāi)挖中，由于上部圍巖的自穩(wěn)定能力差，在開(kāi)挖過(guò)程中極易發(fā)生塌方，開(kāi)挖的螺旋輸送機(jī)數(shù)量增多，導(dǎo)致孔洞形成，根據(jù)時(shí)間效應(yīng)，會(huì)向地表發(fā)展孔洞，造成地表沉陷。（2）當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到斷層等富水地段時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“噴口”現(xiàn)象。地表水、泡沫、砂石從螺桿機(jī)出口處噴涌而出，造成盾尾及隧道內(nèi)積渣，影響施工環(huán)境。對(duì)施工進(jìn)度影響更大。（3）在微風(fēng)的防護(hù)下，風(fēng)化的長(zhǎng)石砂巖、石英砂巖鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層，刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻率增加，行駛速度緩慢，工期延誤，成本增加。（4）在推進(jìn)粉質(zhì)土?xí)r，由于土體含水量高，承載力低，難以控制盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，機(jī)體易“彎”，從設(shè)計(jì)軸線上，造成地面沉降超限。（5）在粘性土地層中，刀盾機(jī)中部區(qū)域容易結(jié)餅，造成刀具局部磨損，減緩前進(jìn)速度。（6）當(dāng)過(guò)河，如果屏蔽體的上端不是遠(yuǎn)離河床，為刀盤(pán)很容易打擾周?chē)耐寥溃@將導(dǎo)致減少銑刀盤(pán)的穿透裂紋底部的河床，這將導(dǎo)致切口上升。因此，在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的重點(diǎn)，是保證盾構(gòu)施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

三、軟硬不均地層掘進(jìn)出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)對(duì)掌子面頂部過(guò)度擾動(dòng)，會(huì)造成隧道頂部土層松弛，出渣量較難控制易產(chǎn)生地表沉降甚至塌陷。（2）軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，由于掌子面強(qiáng)度差異大，刀具在經(jīng)過(guò)軟硬交界帶時(shí)，刀具異常磨損或非正常損壞（磕刀）。（3）軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較難保持（特別在線路下坡時(shí)）。（4）軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，螺旋后倉(cāng)門(mén)容易被小石塊卡滯，使之無(wú)法及時(shí)有效關(guān)閉，造成涌渣現(xiàn)象。（5）軟硬不均地層軟硬交界處含水量較多，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)渣土改良時(shí)容易偏稀，易產(chǎn)生噴涌。（6）軟硬不均地層刀具磨損較快，開(kāi)倉(cāng)較頻繁，風(fēng)險(xiǎn)較大。

四、軟硬不均地段的掘進(jìn)施工措施

（一）地質(zhì)調(diào)查

任何地下土木工程的施工方案都是建立在對(duì)地質(zhì)的詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上的，詳細(xì)的地質(zhì)資料為選擇掘進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)，減少施工的盲目性。所以盾構(gòu)法施工前應(yīng)查明以下復(fù)雜地層：含漂石或者是卵石地層，開(kāi)挖面的軟、硬地層范圍;一般情況下，設(shè)計(jì)單位初步地質(zhì)勘探是的地質(zhì)鉆孔間距一般較遠(yuǎn)，不能指導(dǎo)盾構(gòu)施工地層的準(zhǔn)確判斷性。為保證盾構(gòu)掘進(jìn)選擇合適的參數(shù)，我們?cè)谑┕で皯?yīng)進(jìn)行詳細(xì)的補(bǔ)充地質(zhì)勘探，查明隧道范圍內(nèi)的地質(zhì)情況：1）軟硬不均地段的硬巖分布位置和占盾構(gòu)開(kāi)挖掌子面的面積，軟 土的類(lèi)別和相應(yīng)參數(shù);2）硬巖侵入隧道的高度和走勢(shì);3）硬巖的裂隙發(fā)育情況、強(qiáng)度和整體性;4）軟硬不均地段的上方覆蓋土的類(lèi)別。

（二）基巖突起段進(jìn)行爆破處理

鑒于基巖突起段掘進(jìn)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)極高，可以對(duì)已探明的有條件的基巖突起段進(jìn)行部分深孔預(yù)裂爆破處理，破碎完成后，對(duì)處理段進(jìn)行壓密注漿。

（三）通過(guò)基巖突起段設(shè)備準(zhǔn)備

（1）對(duì)刀盤(pán)上所有刀具尤其是對(duì)單刃滾刀和中心滾刀進(jìn)行檢查更換，周邊滾刀盡量采取加厚刀圈;如果條件允許在掘進(jìn)基巖一到兩環(huán)后對(duì)滾刀安裝螺栓進(jìn)行復(fù)緊。（2）對(duì)泡沫系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)疏通，尤其要確保刀盤(pán)中心位置泡沫發(fā)泡效果。（3）對(duì)螺旋機(jī)前后倉(cāng)門(mén)進(jìn)行磨損檢測(cè)，修復(fù)磨損超限部位。（4）檢查保養(yǎng)水冷卻系統(tǒng)。（5）調(diào)試盾構(gòu)機(jī)人倉(cāng)及保壓系統(tǒng)，確保其各密封、儀表及控制元件完好、有效、可靠，時(shí)刻做好帶壓進(jìn)倉(cāng)準(zhǔn)備。（6）調(diào)試檢修膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)。（7）檢修隧道風(fēng)管，保證良好的隧道通風(fēng)效果。

（四）渣土改良

軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)一般需要將渣土改良流塑狀偏稀，保證土倉(cāng)內(nèi)渣土長(zhǎng)時(shí)間摩擦不產(chǎn)生粘接，有利于防泥餅問(wèn)題，碴土改良采用優(yōu)質(zhì)泡沫+膨潤(rùn)土泥漿（粘度小于27S），這樣可以在掌子面軟弱地層起泥膜作用。泡沫原液比例1%，氣流量600L/min，注入率30%，膨脹率12%。膨潤(rùn)土流量3m3/h。

五、軟硬不均地層掘進(jìn)管理技術(shù)

（一）刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速

在上軟下硬地層中掘進(jìn)，軟巖部分只需對(duì)掌子面進(jìn)行切削即可達(dá)破壞土層，而下部巖石強(qiáng)度較高，處于這個(gè)地方的刀盤(pán)上的滾刀受力較大，硬巖對(duì)刀具及刀盤(pán)的磨損較大。所以要適當(dāng)?shù)亟档偷侗P(pán)的轉(zhuǎn)速，使刀具受到的瞬時(shí)沖擊小于安全荷載。刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速一般控制在于1.0～1.5r/min。根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件，在刀具的選型及布置上在著重增強(qiáng)其對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性。在掘進(jìn)中加大對(duì)刀具的檢查力度，制定詳細(xì)的刀具換刀方案

（二）盾構(gòu)姿態(tài)的控制

在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制較難，容易使盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線產(chǎn)生偏離，所以，在掘進(jìn)過(guò)程要加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制，隨時(shí)利用導(dǎo)向系統(tǒng)觀測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)路線與設(shè)計(jì)線路之間的差異。同時(shí)，也要加強(qiáng)人工的復(fù)核工作，對(duì)已完成的隧道要進(jìn)行中線及高程的復(fù)測(cè)工作，及時(shí)反饋誤差信息，以便及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并采取糾偏措施進(jìn)行糾偏，避免施工誤差超限。

（三）掘進(jìn)模式的控制

在上軟下硬地層中，如果采用半敞開(kāi)式掘進(jìn)，要向土倉(cāng)內(nèi)注放壓縮空氣和泡沫等人工材料進(jìn)行輔助開(kāi)挖。這樣做既可防止上部掌子面的坍塌，又利于檢查清理刀盤(pán)和更換刀具，保證掘進(jìn)順利進(jìn)行。當(dāng)上部土體自穩(wěn)能力較差時(shí)，也可以采用全土壓平衡模式下掘進(jìn)。在掘進(jìn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)多出土，應(yīng)提高盾構(gòu)開(kāi)挖倉(cāng)的壓力，保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，過(guò)后應(yīng)該在該區(qū)域管片背后注入雙液漿來(lái)加固地層，避免地表塌陷，加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)。

綜上所述，軟硬不均地層掘進(jìn)要注意以下幾點(diǎn)：（1）前期通過(guò)地質(zhì)鉆機(jī)等勘探方法盡可能的對(duì)地質(zhì)情況有個(gè)比較詳實(shí)的了解。（2）對(duì)已探明的軟硬不均地層（孤石）如果有條件盡可能采用深孔預(yù)爆破、沖樁、挖孔樁等方式提前進(jìn)行處理，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)。（3）軟硬不均地層（孤石）掘進(jìn)過(guò)程要時(shí)刻以保護(hù)刀具為軸線進(jìn)行刀盤(pán)扭矩控制、渣土改良等，同時(shí)密切關(guān)注并分析其他掘進(jìn)參數(shù)，有異常應(yīng)立即停止推進(jìn)，采取常壓甚至帶壓等相應(yīng)措施核實(shí)刀具是否有異常，確保刀具完好、有效。（4）盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層施工的掘進(jìn)成敗關(guān)鍵在操作人員，要加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)司機(jī)的技術(shù)培訓(xùn)和交底，提高對(duì)復(fù)雜地層的認(rèn)識(shí)和應(yīng)變能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳橋，陳饋，楊書(shū)江，孫振川，李鳳遠(yuǎn)，周建軍.蘇埃通道工程軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)模擬試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù)，2018，47（18）：61-66.