土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越富水基巖掘進(jìn)技術(shù)

李福濤

盾構(gòu)法施工是城市地下鐵路隧道施工的關(guān)鍵施工方法，這種施工方法雖然擁有較多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定的局限，若施工不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生地表沉降，還會(huì)給周?chē)h(huán)境造成一定的負(fù)擔(dān)。針對(duì)盾構(gòu)施工而引發(fā)的地表沉降問(wèn)題已經(jīng)被學(xué)術(shù)界及施工單位所重視，并且取得了一定的研究成果，但是因?yàn)槲覈?guó)地質(zhì)環(huán)境變化大，施工參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整也較為復(fù)雜，所以地表沉降的相關(guān)研究還有巨大的開(kāi)拓余地。

一、工程概況

洪林區(qū)間左線長(zhǎng)為593.11m，右線長(zhǎng)為592.45m，盾構(gòu)施工所選擇的是型號(hào)φ6450復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，數(shù)量為兩臺(tái)，盾構(gòu)機(jī)從翔安西路下穿進(jìn)行施工，沿著東界路進(jìn)行敷設(shè)，與林前站終結(jié)。隧道管片所選擇的管片為楔形管片，管片的具體尺寸為，外徑為6200mm，內(nèi)徑為5500mm，環(huán)寬為1200mm，壁厚為350mm。現(xiàn)階段，掘進(jìn)工作正進(jìn)行到區(qū)間右線215環(huán)，正在盾構(gòu)穿越第4段基巖段，總計(jì)盾構(gòu)穿越基巖82m，與77環(huán)位置完成右線第一次帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀。

二、水文地質(zhì)情況

1.水文情況

（1）淺層水補(bǔ)給方式：本隧道工程距離海洋近，下穿過(guò)宋洋水庫(kù)，淺層地表水的來(lái)源于海水、水庫(kù)水以及降水，其中地下水位的高度約為3m；

（2）深層水補(bǔ)給方式：本隧道工程的深層地下水補(bǔ)給量較大，主要來(lái)源于裂隙潛水補(bǔ)給，屬于富水基巖層。

2.地質(zhì)情況

本隧道工程盾構(gòu)穿越的區(qū)域的地層多為風(fēng)化巖（全、中風(fēng)化巖、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖等）和孤石及孤石群等地質(zhì)。本標(biāo)段隧道的盾構(gòu)區(qū)間，基巖多且強(qiáng)度軟硬差異大，孤石及孤石群分布廣，基巖及孤石長(zhǎng)度占隧道長(zhǎng)度60%。

三、土壓平衡掘進(jìn)

保持土倉(cāng)壓力與作業(yè)面壓力平衡是保證盾構(gòu)掘進(jìn)施工穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵，也是避免出現(xiàn)地表沉降的核心因素。土倉(cāng)壓力與作業(yè)面壓力平衡的保持需要從以下因素控制入手：（1）保證土倉(cāng)內(nèi)地層壓力與水壓力處于平衡狀態(tài)；（2）使螺旋輸送機(jī)正常運(yùn)行，并保證排土量達(dá)到施工要求；（3）重視渣土的處理，保持渣土的流動(dòng)性，結(jié)合施工需求來(lái)改良渣土，注入適當(dāng)?shù)母牧继砑觿?/p>

1.土壓設(shè)定

為了保證土倉(cāng)壓力設(shè)定與控制的科學(xué)性與合理性，需要立足盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間的地質(zhì)條件，分析環(huán)位置處的盾構(gòu)埋深與地下水分布情況，綜合多個(gè)因素進(jìn)行考慮。通常情況下，土倉(cāng)壓力的設(shè)定值可以直接參考地下靜止水土壓力，土倉(cāng)壓力P分情況計(jì)算，即分深埋隧道與淺埋隧道兩種，當(dāng)隧道埋深H＜2D（D為隧道直徑）時(shí)，為淺埋隧道；反之則為深埋隧道。

在土倉(cāng)壓力P分情況計(jì)算中，淺埋隧道和深埋隧道計(jì)算結(jié)果應(yīng)用有所不同，在淺埋隧道中，上覆水土產(chǎn)生的壓力將全部作用于開(kāi)挖面，而深埋隧道的壓力不會(huì)作用于開(kāi)挖面。通常來(lái)說(shuō)，土倉(cāng)壓力的基準(zhǔn)點(diǎn)是刀盤(pán)中心處的水土壓力，計(jì)算公式為：在式（1）中，p為側(cè)向靜止土壓力，單位kN/m；k0為側(cè)向向靜止土的土壓系數(shù)，不同土質(zhì)中k0對(duì)取值有所不同，一般砂性土k0的取值范圍為0.25～0.33，而黏性土的取值范圍為取0.33～0.70，也可以按照半經(jīng)驗(yàn)公式（a為土的有效內(nèi)摩擦角，單位°）；γ為水土的容重，單位m3；h為地表到盾構(gòu)機(jī)中心深度，單位m。

2.土壓控制

保持開(kāi)挖土量與排土量的平衡能夠使得土倉(cāng)壓力更加穩(wěn)定，因而可以從調(diào)整掘進(jìn)速度、設(shè)定與控制排土量入手，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壓的控制。

排土量的設(shè)定與控制在土壓盾構(gòu)施工中十分重要，因此在實(shí)際的盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排水量的控制和保證土壓平衡。盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)時(shí)理論排土量Qp，具體計(jì)算公式為：

在式（2）中，n0為松散系數(shù)；r為刀盤(pán)半徑，單位cm；l為管片寬度，單位cm。

當(dāng)施工人員明確盾構(gòu)掘進(jìn)速度與土壓值后，即可輸入相關(guān)參數(shù)，盾構(gòu)機(jī)就可以自動(dòng)計(jì)算設(shè)置理論轉(zhuǎn)速N，計(jì)算公式為：

在式（3）中，QS與掘進(jìn)速度決定的理論出渣量Q0相同，單位m3，而掘進(jìn)速度決定的理論出渣量Q0的公式為。其中A為刀盤(pán)切削斷面面積（單位m2），n0為松散系數(shù)，V為盾構(gòu)推進(jìn)速度，單位m/s；Vs為設(shè)定的每轉(zhuǎn)一周的理論排土量，單位m3。

3.渣土改良

進(jìn)行渣土改良也是保持土壓平衡的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)之一，渣土改良能夠使得土倉(cāng)壓力與開(kāi)挖面水土壓力相協(xié)調(diào)。渣土改良的原理是先注入改良添加劑，常見(jiàn)的添加劑有泡沫、膨潤(rùn)土等，接著利用旋轉(zhuǎn)攪拌裝置來(lái)對(duì)刀盤(pán)面、土倉(cāng)等內(nèi)部的渣土和添加劑進(jìn)行攪拌，使其充分混合，從而得到性能良好的渣土。在進(jìn)行盾構(gòu)穿越富水基巖掘進(jìn)施工過(guò)程中，進(jìn)行渣土改良效果顯著，具體包括以下效果：

（1）使得渣土土壓更加平衡，開(kāi)挖面的穩(wěn)定性更高，地表沉降出現(xiàn)的概率大大降低；

（2）降低渣土的透水性，地下水的流失速度變慢；

（3）使得渣土具備較好的流塑性，為排土作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)；

（4）使得刀盤(pán)更加順暢進(jìn)行作業(yè)，避免渣土過(guò)多的粘結(jié)在刀盤(pán)上；

（5）保證螺旋輸送機(jī)的穩(wěn)定性，避免在排土過(guò)程中發(fā)生噴涌；

（6）保護(hù)設(shè)備的扭矩，控制刀具與螺旋輸送機(jī)的磨損情況，保證盾構(gòu)穿越施工的效率。

四、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施

依托洪林區(qū)間的地質(zhì)勘察報(bào)告，總結(jié)1號(hào)線穿越基巖及孤石的經(jīng)驗(yàn)，并吸收借鑒其他類似工程施工的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，完善改進(jìn)本區(qū)間施工措施。

1.開(kāi)展地面預(yù)爆破處理

在正式開(kāi)始盾構(gòu)穿越施工前，要做好對(duì)基巖及孤石的處理，開(kāi)展地面預(yù)爆破處理，在結(jié)束一次爆破后要做好爆破效果的檢驗(yàn)，有需要可安排二次加密補(bǔ)爆。由于本區(qū)間基巖多且強(qiáng)度軟硬差異大，孤石及孤石群分布廣，因此預(yù)爆破方案為爆破孔加密和加深優(yōu)化。

2.編制科學(xué)的刀具配置方案

鑒于本區(qū)間的基巖多，孤石分布廣這一情況，就需要重視刀具配置方案的編制，優(yōu)化升級(jí)刀箱，科學(xué)調(diào)整刀圈直徑。根據(jù)試驗(yàn)，最后選18寸滾刀刀圈，這一尺寸的刀圈有效磨損量最大可以達(dá)到35mm，與之前的17寸滾刀刀圈相比，穿越長(zhǎng)度增加了30m，能夠保證施工效率，減少因?yàn)槟p而頻繁換刀。

3.掘進(jìn)過(guò)程控制

主控推進(jìn)參數(shù)：主控推進(jìn)參數(shù)主要包括主控總推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速以及刀盤(pán)扭矩等，這些參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)實(shí)際的施工情況來(lái)進(jìn)行調(diào)整，如果出現(xiàn)異常，要對(duì)出渣情況、溫度等因素進(jìn)行全面詳細(xì)的檢查，找準(zhǔn)原因，并及時(shí)解決，按照計(jì)劃來(lái)開(kāi)倉(cāng)。不同巖層制定不同推進(jìn)參數(shù)具體如表1所示。

渣土改良：渣土改良的重點(diǎn)在于注入適當(dāng)?shù)母牧继砑觿驗(yàn)楸緟^(qū)間的巖層較多，在注入泡沫和水進(jìn)行渣土改良時(shí)就要以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來(lái)進(jìn)行渣土改良，避免砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖板結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

表1 不同巖層制定不同推進(jìn)參數(shù)

五、結(jié)語(yǔ)

在富水基巖掘進(jìn)施工中應(yīng)用盾構(gòu)土壓平衡技術(shù)，能夠保證盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性，減少地表沉降出現(xiàn)的概率，保證整體施工安全順利進(jìn)行。在土壓平衡掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，要保證土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定性，保證土壓設(shè)定與控制的科學(xué)性，重視渣土改良，加強(qiáng)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制，從而為后續(xù)施工奠定良好基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降的控制。