南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

李陶朦/LI Tao-meng

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 設(shè)備分公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

隨著我國(guó)城市地鐵、公路、鐵路、水利隧道的興建,土壓盾構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用[1],本文介紹了長(zhǎng)江漫灘區(qū)軟土和軟硬不均地層土壓盾構(gòu)穿越中風(fēng)化巖、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土為主的地層[2]，掘進(jìn)時(shí)易發(fā)生刀盤刀具異常磨損、結(jié)泥餅、噴涌等現(xiàn)象[3],從設(shè)備自身和施工方面提出一些應(yīng)對(duì)措施，顯著提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率、降低了施工成本，具有深遠(yuǎn)意義。

1 工程概況及施工難點(diǎn)

南京地鐵3 號(hào)線京新村站-泰馮路站施工區(qū)間所屬地貌單元西段以長(zhǎng)江階地區(qū)為主，地形稍有起伏，海拔多在10～15m；K5+650 以東為長(zhǎng)江漫灘平原區(qū)，地勢(shì)平坦，海拔多在5～10m。京泰區(qū)間的地質(zhì)基本上分為3 種：軟土層、軟硬不均地層、硬巖層，并穿越江浦-六合F3 斷裂帶。區(qū)間穿越巖層一般強(qiáng)度4.2～63.3MPa，局部地段巖層強(qiáng)度達(dá)98.1MPa，區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖1 所示。

圖1 京新村站-泰馮路站區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

由于軟土地層主要為粉土、流塑狀粉質(zhì)粘土和兩種土層的交互地層，地層自穩(wěn)性較差易產(chǎn)生地表沉降；長(zhǎng)江邊地層含水量較大易產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象；軟土地層易造成刀盤結(jié)泥餅；軟硬不均地層易造成刀盤刀具異常磨損、結(jié)泥餅、噴涌等典型施工難題。

2 設(shè)備適應(yīng)性改造

設(shè)備僅對(duì)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行改造，本盾構(gòu)區(qū)間施工采用海瑞克S217 土壓盾構(gòu)，原軟土刀盤已不適用南京地鐵3 號(hào)線復(fù)合地層的施工要求，故對(duì)S217 盾構(gòu)的刀盤進(jìn)行了新制改造工作。

首先增加1 套315kW 的主驅(qū)動(dòng)液壓泵站，來(lái)增加刀盤轉(zhuǎn)速提高刀盤的破硬巖能力。另外，由原輻條式軟土刀盤改為面板式復(fù)合硬巖刀盤，新刀盤配置了中心滾刀、單刃正滾刀、單刃邊滾刀、焊接撕裂刀、周邊保徑刀，刀盤改造前后如圖2、圖3 和表1 所示。當(dāng)?shù)侗P全部安裝滾刀時(shí)刀盤開口率約為35%，可有效減少刀盤結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)，以滿足S217 在南京地鐵3 號(hào)線復(fù)合地層中的掘進(jìn)工作。刀盤周邊焊有耐磨條，刀盤面板焊接有格柵狀的Hardox 耐磨材料，充分保證了刀盤在巖層掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。

表1 刀盤改造前后參數(shù)對(duì)照表

圖2 改造前刀盤圖

圖3 改造后刀盤圖

3 施工技術(shù)措施和效果

3.1 控制地表沉降采取的措施和效果

盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間軟土地層主要為粉土、流塑狀粉質(zhì)粘土和兩種土層的交互地層，地層自穩(wěn)性較差，控制地表沉降采取了以下措施。

1）掘進(jìn)過(guò)程中參數(shù)的控制，土倉(cāng)壓力按照埋深的全土柱松弛土壓的1.1 倍計(jì)算，保持土壓，并實(shí)時(shí)進(jìn)行地表量測(cè)，修正掘進(jìn)參數(shù)。

2）注漿量按照開挖環(huán)形間隙理論體積的1.6～2.3 倍注入，保證了注漿效果。

3）嚴(yán)格控制出渣量（38～40mm3），值班工程師和主司機(jī)2 人重復(fù)計(jì)量并比對(duì)結(jié)果確定。

4）加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果有針對(duì)性地進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。

3.2 防噴涌采取的措施和效果

由于處于長(zhǎng)江漫灘區(qū)且存在斷裂帶，盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間噴涌水來(lái)源主要為裂隙水和微承壓水，且在掘進(jìn)過(guò)程中，需要加注泡沫進(jìn)行渣土改良降低扭矩和渣土溫度，均極易造成噴涌。盾構(gòu)掘進(jìn)期間采取了以下應(yīng)對(duì)措施。

1）在盾構(gòu)后部管片上開孔泄壓，減少流入刀盤的水量。

2）管片拖出盾尾后及時(shí)進(jìn)行二次注漿，注雙液漿形成密封環(huán)，對(duì)后部水進(jìn)行封堵。

3）減小螺旋輸送機(jī)閘門開度，對(duì)出渣口部位進(jìn)行防護(hù)。

4）減少管片拼裝時(shí)間，合理安排工序，加強(qiáng)盾構(gòu)保養(yǎng)，減少工序和故障停機(jī)時(shí)間，連續(xù)施工，減少盾構(gòu)后部流入刀盤的凈水量。

3.3 刀盤結(jié)泥餅采取的措施和效果

本區(qū)間軟土和復(fù)合地層共有以下4 種類型，可能會(huì)產(chǎn)生的不利影響如表2 所示。

表2 復(fù)合地層類型及特點(diǎn)

盾構(gòu)在軟土、復(fù)合地層掘進(jìn)，渣土改良效果非常重要，使用的添加劑量也高，適當(dāng)?shù)呐浔瓤捎行Ы档徒Y(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)，且可以降低刀具損耗率。施工過(guò)程中采取了以下措施。

1）改造后的刀盤開口率為32.5%～34%，較原來(lái)的28%開口率更為合理。

2）加強(qiáng)技術(shù)管理。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中安排有一定施工經(jīng)驗(yàn)的推進(jìn)主司機(jī)、值班工程師及生產(chǎn)副經(jīng)理，能及時(shí)反饋施工過(guò)程中的異常狀況，及時(shí)采取措施。

3）不斷總結(jié)推進(jìn)參數(shù)，特別是根據(jù)出土的改良效果，及時(shí)調(diào)整渣土改良參數(shù)。

4）與多家泡沫、高分子、制泥添加劑等廠商溝通，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后根據(jù)效果確定合適的外加劑材料。

通過(guò)上述措施，有效避免了軟土、復(fù)合地層中刀盤結(jié)泥餅的發(fā)生，且降低了刀具異常磨損，有力保證了掘進(jìn)效率。

3.4 刀具異常磨損采取的措施和效果

上軟下硬地層盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極易產(chǎn)生刀盤刀具異常磨損、掘進(jìn)效率低等施工難題，施工過(guò)程中采取了以下措施。

1）制定詳細(xì)的刀具檢查計(jì)劃，一般50 環(huán)之內(nèi)開倉(cāng)主動(dòng)檢查刀具一次，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，每次在進(jìn)入軟硬不均地層之前都要進(jìn)行刀具檢查更換。

2）加強(qiáng)渣土改良，結(jié)合渣土溫度、渣土狀態(tài)（含水情況）及時(shí)調(diào)整渣土改良劑配比，減少刀具異常磨損的可能性。

3）采用“小推力、高轉(zhuǎn)速”方式推進(jìn)，防止因軟硬不均造成的刀盤“卡死”，減少刀具偏磨。

通過(guò)上述措施，有效克服了上軟下硬地層中刀盤刀具異常磨損、掘進(jìn)效率低等施工難題，有力保證了掘進(jìn)效率。

3.5 開倉(cāng)檢查、換刀安全保證措施和效果

本區(qū)間盾構(gòu)需穿越K2p-2 強(qiáng)風(fēng)化巖及K2p-3 中風(fēng)化巖，其中巖石強(qiáng)度最高達(dá)到98.1MPa，盾構(gòu)需推進(jìn)巖層段約500m 左右，需經(jīng)常開倉(cāng)檢查并更換刀具，開倉(cāng)過(guò)程中的安全保證及換刀作業(yè)過(guò)程中的安全保證是重點(diǎn)，換刀時(shí)采取了以下措施。

1）開倉(cāng)前須通過(guò)嚴(yán)格的開倉(cāng)審批手續(xù)，待技術(shù)、安全、生產(chǎn)及管理層簽字后再進(jìn)行開倉(cāng)。

2）開倉(cāng)前進(jìn)行嚴(yán)格的有毒、有害氣體檢測(cè)，確定安全后作業(yè)人員進(jìn)入人倉(cāng)中作業(yè)。

3）開倉(cāng)前制定嚴(yán)格的應(yīng)急預(yù)案，開倉(cāng)過(guò)程中醫(yī)務(wù)人員隨時(shí)待命，發(fā)現(xiàn)異常情況及人員傷害時(shí)立即實(shí)施救援。

4 結(jié)論與建議

本臺(tái)改造盾構(gòu)在復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，針對(duì)不同地層，采取了不同的掘進(jìn)方式和參數(shù)控制措施，在保證渣土改良效果的情況下能夠很好地適應(yīng)此類地層的掘進(jìn)。在軟土地層施工前最好將滾刀全部裝好，待盾構(gòu)通過(guò)軟硬不均區(qū)后在全斷面硬巖位置換刀。盾構(gòu)在軟土中掘進(jìn)時(shí)，施工方法相對(duì)簡(jiǎn)單；在硬巖段掘進(jìn)的過(guò)程中遵循“小推力，高轉(zhuǎn)速，勤檢查，早更換”的原則，加強(qiáng)盾構(gòu)上各設(shè)備的檢查，加強(qiáng)渣土分析檢測(cè)，加強(qiáng)刀具的檢查力度，穩(wěn)步推進(jìn)，有效提高了掘進(jìn)效率和安全性。