复杂地质条件下长距离硬岩掘进施工关键技术研究

田超

摘要：随着地铁盾构施工的发展，在盾构施工过程中所遇到的地层也是更加丰富多样，文中结合盾构掘进中所遇见的中风化、强风化岩层掘进中所采用的相关技术工作做了总结。在施工过程中不断对相关参数和工艺的优化，如同步注浆控制、二次注浆控制、气压辅助掘进、换刀等;提高了工作效率，降低了施工成本，节约了施工工期，为今后的类似地质条件下的地铁盾构工程提供了相应的借鉴与参考。

Abstract： With the development of subway shield construction， the strata encountered during the construction of shield tunnels are also more diverse. The relevant technical works used in the mid-weathered and strongly weathered rock formation encountered in shield tunneling are summarized. During the construction process， the parameters and processes are continuously optimized， such as synchronous grouting control， secondary grouting control， air pressure assisted excavation， tool change， and so on. The work efficiency is improved， the construction cost is reduced， and the construction period is saved， which provides corresponding reference to the subway shield engineering under similar geological conditions.

關键词：盾构机选型;刀具配置;注浆控制;气压辅助;换刀

Key words： shield machine selection;tool configuration;grouting control;air pressure assist;tool change

1  工程概况

1.1 概况

溧水站～中山东路站区间（以下简称溧～中区间）位于溧水区永阳镇交通路与秦淮大道交叉口南侧附近，自溧水站南端头始发，至中山东路站北端头接收。起止里程：YDK24+950.600～YDK26+481.500，长1530.900m，共计1276环管片隧道顶埋深12.1～26.1m左右。

1.2 施工环境

1.3 工程地质及水文情况

1.3.1 地质情况

溧～中盾构区间地质情况非常复杂主要穿越：强根据钻孔揭露结果，溧～中区间穿越的地层主要为J31w-2强风化安山岩、J31W-3P破碎状中风化安山岩、J31w-3R软弱状中风化安山岩、J31w-3中风化安山岩。最高强度184MPa，裂隙水大，其中上软下硬349m，全断面1000m，破碎带180m。（表1）

1.3.2 水文情况

①地表水。本区间在里程YDK25+952.2东侧约40m有一水塘，水塘水面高程20.51m（吴淞高程系），水深1.6m，淤泥厚度0.6m。②地下水。溧水站～中山东路站区间其特征如下：根据勘察报告所述的地层结构和地下水赋存条件，本标段地下水类型主要为松散地层中的孔隙水和基岩裂隙水。

2  盾构长距离硬岩掘进方案的研究与实践

2.1 盾构机选型

2.1.1 盾构机选型

本区间盾构掘进根据地层及周边环境采用了辽宁三三工业SS32000复合式土压平衡盾构机，设备总重量约为450t，主轴承直径3.13m，设计寿命15km，最大扭矩6650kNm，脱困扭矩8320kNm;复合式结构刀盘材质Q690+Q345 ，刀盘开口率34%，中心开口率50%，刀盘总重量70T。盾体长度9.62m后部拖车64m，总长度为73.62m。

2.1.2 刀盘选型

2.2 盾构进出洞端头加固

根据地质报告，中山东路站接收端头隧道范围内地层主要以自稳性较高的中风化安山岩为主，施工环境相对安全，因此，接收端头无需进行地基加固。溧～中盾构区间始发端头洞门范围内地层主要以强度等级较高、自稳性较好的强风化安山岩及中风化安山岩为主，因此，本次溧水站始发端头加固采用：袖阀管注浆+GFRP玻璃纤维筋补强的加固方式。

3  长距离硬岩盾构快速掘进关键技术的研究及创新点

3.1 同步注浆参数控制技术研究及创新

在掘进过程中由于地下水丰富，原浆液凝固时间较长，封水及填充效果不理想，导致喷涌现象时常发生，为减少喷涌，提高掘进工效，优化浆液配比，控制注浆方量。

①及时调整浆液的配合比，使浆液初凝时间达到6-8小时，起到良好的填充作用及止水效果。②结合地层的填充系数以及富水因素，计算出每环注浆量约为5-5.5m3，施工中严格控制，保证管片壁后浆液的饱满度，防止管片上浮。

3.2 二次封环注浆技术研究及创新

为加强盾构机盾尾的止水效果，减少盾构机后方来水补充至土仓，造成螺机喷涌，影响施工掘进，主要采取二次注浆封环技术。

3.2.1 二次封环注浆技术

跟机在盾尾后二次注浆（双液浆），形成止水环箍，加快同步注浆凝结时间，达到封堵盾构机后方水源目的，减少了喷涌、降低管片上浮和成型隧道渗水。

封环注浆位置及时间：浆液注入位置在盾尾后第4环，第5环进行注浆，相邻两环注浆点位错开呈梅花形布置。

3.2.2 二次封环注浆技术优化

前期施工中，采用每10环封环注浆的技术，喷涌次数有所减少，但效果仍不理想，喷涌制约掘进时间还是较多，后通过改进，将注浆时间调整为每5环进行注浆的方法，喷涌次数明显减少，为达到封环注浆最佳效果，对注浆时间再次进行优化调整，掘进过程中环环进行封环注浆，结果理想，喷涌现象得到了有效的制止，提高了盾构掘进时间。

3.3 掘进参数的控制技术研究及创新

3.3.1 掘进参数设定的理念

硬岩掘进对刀具损坏较大，以保护刀具为原则，掘进参数的选择以贯入度为基准来控制调整掘进速度和总推力。

3.3.2 盾构掘进不同地层参数控制

3.3.3 掘进参数的管理

①当扭矩波动最大值与最小值相差20bar，停机开仓检查刀具。②当掘进参数实际值超过设定值时，停机开仓检查刀具。③每推进30环，停机开仓检查刀具。

3.4 气压辅助掘进施工技术研究及创新

3.4.1 气压辅助掘进施工原理及优点

原理：气压辅助掘进施工是指利用盾构机上的空压机向土仓内注入空气建立仓压。使气压同开挖面裂隙内水压平衡，减少了仓内外来水的进入，防止喷涌，也减少了地下水的流失有利于控制地面沉降或塌陷。

优点：气压辅助掘进仓内渣土量少，在相同推进速度下，使用气压辅助工法，盾构机推力及刀盘扭矩相对较小，从而减小了岩层对刀具的磨损，降低了开仓换刀频率，提高了掘进效率，同时也降低了盾构机故障率，详见表7。

3.4.2 气压辅助掘进的工序流程

第一步：将空压机产生的气体利用保压系统输入土仓内。第二步：调节保压系统压力设定值使之与地下水压力平衡。第三步：通过螺机出土，并利用土仓壁上的观察孔，观察渣土位面高度。第四步：渣土位面高度达到施工需求。第五步：开始掘进。

3.5 换刀方案技术研究及创新

3.5.1 压气换刀

3.5.2 常压换刀

由于每次气压换刀施工周期较长，且区间换刀频率为65环/次，如果延用压气换刀方案继续施工，单纯压气换刀理论时间总需140天，无法满足节点工期要求，因此当盾构掘进到中风化安山岩地层中，围岩稳定情况下，优化换刀方案，将压气换刀方案调整为常压换刀方案，加快每次换刀时间，为盾构掘进争取时间。

3.5.3 常压换刀的优化

随着封环注浆止水效果越来越好，盾构后方来水越来越少，为进一步加快换刀速度，对常压换刀进行优化。将停机封环注浆调整为掘进过程中封环注浆。

优化后常压换刀主要工艺流程为：边推进，边封环注浆→人员进仓→换刀。

3.5.4 开仓换刀工艺优化功效分析

4  结束语

综上所述，本文对在地下水丰富的中（强）风化岩层中的盾构掘进进行了详细的研究和分析，对于在该地质情况下的盾构施工所常见的施工问题进行了细致的总结。在该工程环境中盾构施工，易产生刀具磨损、螺机喷涌、掘进工效较低、管片上浮等施工问题。但是通过研究与总结，不难发现通过对地质情况、同步注浆、二次注浆浆液质量、掘进施工参数等的相关问题的研究，把握好施工控制重点和关键施工技术，就能在施工过程中提高施工质量;减少盾构机负荷，提高施工效率，节约施工工期;降低材料消耗，合理节约施工成本，创造施工效益。

参考文献：

[1]杨书江.硬岩地铁隧道钻爆法开挖结合盾构法衬砌的施工技术[J].城市轨道交通研究，2006（02）.

[2]王小忠.盾構机在长距离硬岩中掘进的探讨[J].铁道工程学报，2006（04）.

[3]李茂文，刘建国，韩雪峰，陈寿根.长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究[J].隧道建设，2009（04）.