复杂地层盾构施工技术研究

宁 锐,刘文斌

(1.中铁南方投资发展有限公司,广东 深圳 518055;2.中国中铁一局集团有限公司,陕西 西安 710054)

北京地铁 4号线北宫门-龙背村调出井盾构区间所处地质条件比较特殊,穿越永定河冲洪积扇,并受到西北玉泉山和香山等山脉的影响,且局部穿越出露的极硬岩,具有山前冲洪积扇地层的复合特性,施工难度大,施工技术要求高。对包括盾构机选型和刀具配置等盾构机主要技术参数进行较深入的探讨以及对掘进模式的优选、掘进参数、盾构机姿态的控制和同步注浆参数的设定等方面的技术措施进行了研究,总结出了一套较为成熟的施工技术。

1 工程概况和施工重难点

1.1 工程概况

北京地铁 4号线北(宫门)-龙(背村调出井)盾构区间长 523.294m,根据地勘资料,区间穿越第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层,局部穿越二迭系红庙岭组。第四纪冲洪积层主要以粉土、粉质黏土、粉细砂、卵石圆砾层为主;二迭系红庙岭组主要以强～中风化砾岩、微风化砾岩、微风化砂岩、强～中风化砾岩为主。

根据详勘和补充勘探报告显示,北-龙区间大约有 190 m左右的全断面岩石,该段岩石为微风化砾岩和强风化砂岩,单轴抗压强度最大 76.8 MPa。其余地层主要为粉质黏土、粉土、中粗砂以及全断面的砂卵石层,有较为严重的软硬不均地层出露,具有山前地区的典型特点。钻孔中实测两层地下水,第一层为潜水,第二层为层间潜水。由于本段地下水不具有承压性,总体上对盾构施工没有太大影响,但是盾构施工对含水的砂层产生一些不利因素,尤其是盾构开挖面上部的砂层容易受到扰动而引起局部坍塌(图 1)。

1.2 工程重难点

由于本工程为山前冲洪积扇地形,地质复杂多变,盾构机在复合地层中掘进需要根据不同的地层情况频繁转换盾构机的掘进模式、掘进参数和注浆参数,同时也要及时调整添加材料的种类和数量。在岩石地层中掘进,刀具磨损较为严重,导致换刀频率增加,增加了停机时间,对施工工期将产生较大影响。在上软下硬地层中掘进,如何保证掌子面稳定,以及快速安全的通过是本工程的难点。

图1 地质剖面

2 盾构机主要技术参数

2.1 盾构机选型

根据北京市地铁 4号线北龙区间山间冲洪积扇地层的地质特点,对地质断面进行了认真分析,并综合经济合理性的要求,选用了德国海瑞克 6.28复合式土压平衡盾构机[1]。其主要性能参数见表 1。

值得注意的是盾构机刀盘的驱动扭矩、总推力的大小是决定一台盾构机是否能适合复杂多变地层的关键参数。另外,还有刀盘的刚度强度以及刀具的选配也是至关重要的。

2.2 盾构机工作原理

复合式土压平衡盾构机的工作原理则是向掌子面土体注入泡沫剂和膨润土等塑流性材料,与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌,形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体,同时通过控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配,经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力,实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进[2]。由于复合式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件,设计和配制出与之相适应的泡沫剂等,从而适应各类复杂地层的施工条件,故近年该盾构机型在隧道工程中得到广泛应用。

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2.3 刀具配置

盾构机的刀盘采用平面直角形式,全部采用滚刀配置,即边缘区 5把双刃滚刀;正面区 8把双刃滚刀;中心区 6把双刃滚刀。为了减少滚刀在软弱地层掘进的“偏磨”和“糊死”,在中心区和部分正面区滚刀附近加焊了几把齿刀(羊角刀),刀面高度比滚刀刀面低 15mm[3]。滚刀和刮刀分别高出刀盘面板 175mm和 140mm;双刃滚刀的刀刃间距 100 mm,通过刀盘布局,中心区的刀间距为 100mm,正面区的刀间距 100mm,边缘区的刀间距 30mm。以此可以看出,边缘区的破岩能力是最强的,而中心区的破岩能力最弱。同时,由于在刀盘转动时,边缘区刀具的线速度最大,所以磨损也最快。

3 盾构掘进时的主要技术措施

通过在施工前对该区间进行了较为详细的地质补勘,将探孔尽量设在线路中心附近,加大了钻孔密度(8～12m/个),认真分析了岩层在断面上的分布情况以及岩性,针对“上软下硬”地层岩面高的特点,采取了许多有效的技术措施,盾构机安全快速地通过了本区段。

3.1 掘进模式的优选

土压平衡盾构机具有敞开式、半敞开式和土压平衡模式三种掘进模式。根据本区间的地质情况,结合不同地层的特征,所选用的掘进模式也不相同。

(1)全断面岩层掘进:采用敞开式掘进模式,使用泡沫剂来改良渣土。

(2)软弱地层掘进:采用土压平衡模式,渣土改良主要采用泡沫和适量的膨润土。土仓压力不需要频繁调节,只需要保证土仓压力略大于掌子面的土压和水压力之和即可。

(3)砂卵石及“上软下硬”地层掘进:此段地层比较复杂,断面上地层差异很大。由于断面上部地层软弱并局部有含水的砂层,所以容易引起上部塌方,所以也采用土压平衡模式掘进。但在这种不良地层掘进时土仓压力不易控制:过高,则盾构推力和扭矩增大,作用在开挖面的有效推力不易掌握;过低,则易引起开挖面坍塌造成地面沉陷[4]。

3.2 掘进参数

盾构施工前,要根据不同的工程地质特性以及隧道的埋置深度计算确定主要的掘进参数,包括:盾构姿态、推力、扭矩、掘进速度、刀盘转速、贯入度、土仓压力,并根据始发掘进试验段的监测情况进行及时的调整[5]。值得强调的是,由于土压平衡模式下实际上是一种通过螺旋机的旋转出土形成的动态平衡,所以在实际操作过程中螺旋机的转速和压力也要引起足够重视[5]。

(1)土仓压力:软弱地层及“上软下硬”地层土仓压力 80～100 kPa,砂卵石层土仓压力 60～80 kPa,停机拼环土压120 kPa以上。

(2)推力及扭矩:推力 6000～10000 kN;设定工作油压18MPa(急停扭矩约 3500 kN·m);

5.注重本国市场与国际市场的接轨。近几年来，各国都加强了对金融衍生产品的立法监管，中国起步较晚、市场发展也并不全面，需要学习借鉴其他国家的经验。一方面，金融衍生产品国际市场才是大盘，这要求各国加强合作，共同致力于金融衍生产品的风险控制。因此中国在金融市场的发展中，要注意对各个国家的双边及多边协议和国际组织所订立的协议进行整合，查漏补缺，取其精华，建立彼此联系的法律应对机制。同时要加强与IMF、巴塞尔委员会，世界银行等国际组织和国际重要金融机构之间的协作，各取所长，积极配合。

(3)刀盘转速:全断面岩层转速 1.0～1.5 r/m in;其余地层转速 0.5～1.0 r/m in。

(4)贯入度(切削量):软弱地层 20～30mm/rpm;砂卵石层 15～25mm/rpm;全断面岩石 10～15mm/rpm。

(5)同步注浆压力及注浆量:浆液采用水泥砂浆。软弱地层注浆压力 180～280 kPa;砂卵石及岩层注浆压力 150～200 kPa。注浆量大于 5.8m3/环。

(6)螺旋机转速:低于 8r/min。

3.3 盾构机姿态的控制

在山前复杂地区掘进时,盾构机姿态控制非常重要,因为地层变化较大,尤其是在硬岩地层纠正盾构姿态难度比较大。因为硬岩段的开挖难度大,调整千斤顶推力纠偏效果不明显,并且会加大刀具的磨损,同时纠偏过猛,存在盾构机被卡和管片错台加大的风险。因此,盾构机在掘进时,一定要控制好盾构姿态,一旦盾构姿态出现偏离,要遵循“长距离、缓纠偏”的思想[6]。而不能是通过猛纠,造成刀具的无谓磨损,甚至盾构机难以前进[6]。

3.4 同步注浆参数的设定

在山前冲洪积扇地层掘进时,由于刀盘和盾体的外径不同,已拼装的管片壁后与围岩之间有 14 cm的间隙,如果不能及时注浆回填,管片在千斤顶推力的作用下会产生上移(盾构机推进千斤顶一般总是最下组推力大于其它几组,对管片产生一个向上的分力)。在复杂地层盾构掘进时,合理控制同步注浆的注浆压力、注浆量以及注浆速度,能够有效遏制管片上浮现象[7]。同时,保证同步注浆质量,浆液将会在围岩和管片间形成一层致密的防水层,对盾构隧道防水起到第一层保护作用。因此,同步注浆质量的好坏也是盾构隧道防水的关键。

4 结束语

北京地铁 4号线北龙区间隧道所处山前冲洪积扇地层地质复杂,刀盘刀具磨损大,换刀频率高,施工难度大。通过加强管理、提前策划,尤其是对不同地层的特性进行了认真分析,盾构施工取得了较好的效果,安全快速地通过了本区间,并得出一些盾构施工经验:地质认知是前提,施工技术管理是关键,盾构机选型及合理的参数是保证。基于本工程山前冲洪积扇地段的盾构施工经验,总结出了一套较为成熟的施工技术方法,主要表现为:

(1)配置合理的刀具,提高刀盘切削土体的效率;

(2)设定适宜的掘进参数和同步注浆参数,确保盾构机在复合地层中能正常掘进;

(3)保证土仓内土压的动态平衡,和螺旋输送机的出土速度,保证盾构机能在岩层中安全快速地掘进。

[1]乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J].现代隧道技术,2003,40(3):14

[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004

[3]张勇智.硬岩隧洞掘进机(TBM)刀具的管理[J].现代隧道技术,2007(1):73-75

[4]赵全民.软硬岩条件下土压平衡盾构施工控制要点及对策[J].隧道建设,2005,25(增):47-48

[5]尤显明,杨书江.短距离硬岩及上软下硬地层盾构法施工技术[J].城市轨道交通研究,2007,2(1):32-34

[6]靳世鹤.广州地铁硬岩段土压平衡盾构掘进施工的对策[J].都市快轨交通,2007(3):64-66

[7]杨书江.盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究[D].上海交通大学,2006