土壓平衡盾構(gòu)機在硬巖夾芯地層中的掘進技術(shù)研究

朱樂峰

摘 要：隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，我國重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了顯著的成效。隨著我國基礎(chǔ)道路建設(shè)技術(shù)的不斷提升，利用盾構(gòu)機在復(fù)雜地形進行隧道開挖在一定程度上已經(jīng)普及，各種施工技術(shù)也在不斷升級和改善中，在進場階段以及后續(xù)的施工過程中，一個良好有序的施工場地是非常重要的。本文就土壓平衡盾構(gòu)機在硬巖夾芯地層中的掘進技術(shù)展開探討。

關(guān)鍵詞：隧道掘進;硬巖夾芯地層;盾構(gòu)機

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)道路建設(shè)技術(shù)的不斷提升，利用盾構(gòu)機在復(fù)雜地形進行隧道開挖在一定程度上已經(jīng)普及，各種施工技術(shù)也在不斷升級和改善中，在進場階段以及后續(xù)的施工過程中，一個良好有序的施工場地是非常重要的。

1 硬巖夾芯地層對盾構(gòu)掘進施工的危害

中、微風(fēng)化凝灰?guī)r地層中出現(xiàn)風(fēng)化夾層的現(xiàn)象在地鐵工程中是很少見的，但這種地層的存在會對盾構(gòu)施工造成較大的危害。由于硬巖地層中風(fēng)化夾層出現(xiàn)的不可預(yù)見性很高，因此給地質(zhì)勘察工作提出了很大的挑戰(zhàn)。硬巖地層中風(fēng)化夾層的存在破壞了開挖面巖石物理性質(zhì)的均一性，使得盾構(gòu)開挖面內(nèi)地層的物理特性出現(xiàn)巨大差異，巖石強度、完整性等由于風(fēng)化程度的不同存在較大的差別。這種開挖面內(nèi)巖石物理特性的差異會對盾構(gòu)機的刀具造成較大的傷害，從而降低施工效率，增加施工成本。盾構(gòu)機一般在全斷面硬巖地層中掘進時采用“高轉(zhuǎn)速、低貫入度”的施工原則，而在硬巖夾芯層掘進時更宜用“低轉(zhuǎn)速，低貫入度”的施工原則。往往由于風(fēng)化夾層出現(xiàn)的隨機性導(dǎo)致盾構(gòu)施工時掘進參數(shù)得不到及時調(diào)整，從而加劇對盾構(gòu)機刀具的損壞。

2 土壓平衡盾構(gòu)機在硬巖夾芯地層中的掘進技術(shù)

2.1 土壓平衡盾構(gòu)施工場地布置的應(yīng)遵循的原則

（1）有序整潔。隧道施工所屬的環(huán)境比較復(fù)雜，各項工序之間存在較多交叉作業(yè)的情況，應(yīng)對施工場地進行規(guī)范化、有序化的整理，促進土壓平衡盾構(gòu)施工的正常進行。因此，在進行場地布置設(shè)計前，應(yīng)對所有的施工流程、工序、材料運輸要求等問題進行充分的考慮，可事先利用計算機進行場布預(yù)演，提前規(guī)避可能出現(xiàn)的問題，保證隧道施工的有序進行。場地有序布置是建立在完善合理的運輸系統(tǒng)上，僅停留在表面整潔無法保證施工的正常進行，應(yīng)重點考慮地面運輸系統(tǒng)的構(gòu)建，包括盾構(gòu)管片的運輸、龍門吊運輸系統(tǒng)、廢舊渣土運輸系統(tǒng)等，應(yīng)將所有的運作環(huán)節(jié)充分考慮其中，最大限度保證施工過程中的流暢性和高效性。（2）工作效率。在土壓平衡盾構(gòu)隧道施工時，應(yīng)滿足施工工期要求，最大限度在有限時間內(nèi)完成應(yīng)有的工程量。在提升工效上應(yīng)從兩方面入手：第一，遵循就近原則，土壓平衡盾構(gòu)機體龐大，主要機械設(shè)備運輸困難，因此，在施工場地選址時必須就近安排，減少地面運輸系統(tǒng)的壓力。第二，各項設(shè)備配置應(yīng)合理，在實際的場地設(shè)計中應(yīng)以滿足土壓平衡盾構(gòu)機的工作為中心，各類配置應(yīng)結(jié)合施工的先后順序有序安排，使得具體施工可以高效展開。

2.2 盾構(gòu)機吊裝

盾構(gòu)機最大件一般都在100 t以上，一般采用履帶吊現(xiàn)場吊裝，吊裝前需編制專項施工方案且需要專家論證。同時應(yīng)對吊耳焊接質(zhì)量委托第三方檢測合格，吊裝使用的鋼絲繩繩頭盡量選用工廠化壓制的，如采用編結(jié)鋼絲繩，編結(jié)長度務(wù)必符合不小于20d的規(guī)范要求。另外需復(fù)核履帶下地基承載力（一般采用重型動力觸探），吊裝過程中設(shè)備、技術(shù)及安全部門安排專人現(xiàn)場監(jiān)督專項施工方案的實施。

2.3 掘進模式

當(dāng)盾構(gòu)掘進過程中各項參數(shù)控制不當(dāng)時，螺旋輸送器會出現(xiàn)涌水、噴碴等情況，導(dǎo)致掘進過程中將要花費大量的人力、物力及時間來清理盾尾碴土。開挖面上部為碎裂狀強風(fēng)化地層，具有風(fēng)化裂隙發(fā)育、強度較低的特點，但掘進時在一定時間內(nèi)尚有自穩(wěn)性。因受水的影響，需在掘進掌子面建立一定的壓力來防止地下水涌入土倉，造成水土流失及螺旋輸送器噴涌的情況發(fā)生。因此掘進采用盾構(gòu)機半敞開模式，即在土倉內(nèi)保留1/2～1/3的碴土，向土倉內(nèi)注入壓縮空氣或泡沫、膨潤土來維持開挖面上部土壓，并輔助開挖作業(yè)。此地層掘進，上部碎裂狀強風(fēng)化地層只需掌子面進行切削便可破壞土層，但下部中風(fēng)化地層硬度較高，對刀具的磨損較大，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档偷侗P轉(zhuǎn)速，控制貫入度以使刀具受到的瞬時沖擊小。

2.4 周邊環(huán)境監(jiān)測

掘進時應(yīng)根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）要求做好測點布置，地面和隧道內(nèi)監(jiān)測點宜在同一斷面布設(shè)，并及時取得初始值，初始值從盾構(gòu)掘進將影響該監(jiān)測區(qū)域前10d開始。穿越建筑物時，刀盤到達建筑物前10環(huán)至盾尾推出建筑物后10環(huán)（穿越段）應(yīng)加強監(jiān)測和巡視。盾尾推出建筑物10～20環(huán)后，根據(jù)沉降監(jiān)測情況對穿越段管片進行二次注漿。另外，監(jiān)測務(wù)必與現(xiàn)場巡查相結(jié)合，每天不少于一次。特殊情況，如出渣量出現(xiàn)異常，應(yīng)增加監(jiān)測頻次與巡查次數(shù)。

2.5 貫通整個施工場地的環(huán)形硬化道路設(shè)計

為了保證現(xiàn)場施工的便利性，減少陰雨天氣對道路地面的影響，應(yīng)設(shè)立永久性道路，保證車輛行駛運輸?shù)耐〞?，全面提升工作效率。在施工場地地面硬化道路設(shè)計中，為了最大限度地利用硬化地面，降低施工成本，可以將其設(shè)計成圍繞整個施工場地的環(huán)境網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加車道的數(shù)量，縮算運渣車輛和運貨車輛在場地內(nèi)的運輸距離，提升場地車輛來往工作效率，在建設(shè)過程中，設(shè)立好排水設(shè)施，保證硬化道路的使用壽命。

3 硬巖夾芯地層中盾構(gòu)施工的改進措施及建議

硬巖夾芯地層在盾構(gòu)法隧道施工中出現(xiàn)的頻率雖然不高，但確實存在，且對盾構(gòu)施工造成的危害和影響較大。針對這種地層的復(fù)雜性、隨機性和危害性，提出以下改進措施及建議。（1）提高地質(zhì)勘察的手段，增強對硬巖夾芯地層的預(yù)見性，為盾構(gòu)工程的順利進行提供技術(shù)支撐和保障。（2）為盾構(gòu)機配置具備自動磨損監(jiān)測功能的滾刀，滾刀的磨損超量或不能發(fā)生自轉(zhuǎn)時可及時報警，提高盾構(gòu)機自身的預(yù)警能力，防止因盾構(gòu)機在硬巖夾芯地層中施工時刀具異常損壞后未及時發(fā)現(xiàn)而造成磨損刀盤的惡性事件。（3）提高盾構(gòu)工程技術(shù)人員的風(fēng)險意識和對硬巖夾芯地層的認知，特別是在微風(fēng)化凝灰?guī)r地層中，發(fā)現(xiàn)掘進參數(shù)有異常時，要立即停止掘進，及時進倉檢查刀具及開挖面的情況。（4）當(dāng)已經(jīng)探明或已知的硬巖夾心層對盾構(gòu)施工影響較大時，在條件具備的情況下建議進行預(yù)處理，并制定針對性的盾構(gòu)掘進施工措施。

4 結(jié)語

盾構(gòu)施工從端頭加固、盾構(gòu)機吊裝、圍護結(jié)構(gòu)破除、始發(fā)、負環(huán)管片拆除、穿越復(fù)雜環(huán)境、開倉換刀、接收等多項施工過程均需要編制專項施工方案且需要專家評審。盾構(gòu)施工從端頭加固、盾構(gòu)機吊裝、圍護結(jié)構(gòu)破除、始發(fā)、負環(huán)管片拆除、穿越復(fù)雜環(huán)境、開倉換刀、接收等多項施工過程均需要編制專項施工方案且需要專家評審。安全風(fēng)險不僅來自盾構(gòu)作業(yè)本身，還有來自周邊環(huán)境、不良地質(zhì)及工程自身，施工過程中隨時都可能發(fā)生險情，為此只有抓好施工過程重要環(huán)節(jié)的管控，才能減少或避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。實踐證明，雖然硬巖夾芯地層具有很高的不可預(yù)見性和復(fù)雜性，但只要相應(yīng)的措施到位后，復(fù)合式盾構(gòu)機也是可以應(yīng)對的。當(dāng)然，如果對有些方面再進行一些改進和加強，盾構(gòu)機應(yīng)對這種不利地層會更加從容。

參考文獻：

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