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土压平衡盾构机在硬岩夹心地层中的掘进技术研究

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：吕钰

[导读] 摘要：近年来我国综合国力的不断增强，我国的各类工程建设数量也在不断增加。

        中国铁建重工集团股份有限公司湖南省长沙市 410100
        摘要：近年来我国综合国力的不断增强，我国的各类工程建设数量也在不断增加。随着我国基础道路建设技术的不断提升，利用盾构机在复杂地形进行隧道开挖在一定程度上已经普及，各种施工技术也在不断升级和改善中，在进场阶段以及后续的施工过程中，一个良好有序的施工场地是非常重要的。本文就土压平衡盾构机在硬岩夹心地层中的掘进技术展开探讨。
        关键词：隧道掘进；硬岩夹芯地层；盾构机；滚刀
        引言
        土压平衡盾构施工技术常应用于城市道路建设中的隧道开挖，因其施工安全、高效、节能且对周边自然环境影响较小等特点得到了越来越广泛的应用，在近些年已经成为较为常用的隧道开挖手段。在实际施工过程中，具体的施工环节具有比较完善的技术操作规范，但施工场地布置会对盾构施工的一系列影响。
        1硬岩始发重难点
        （1）复合式土压平衡盾构机硬岩始发掘进，存在推力过大反力架、车站结构变形破坏而导致安全事故的风险；硬岩始发此风险最大。（2）盾构长时间硬岩掘进，每环掘进时间较长，对刀具的磨损较大，需频繁的开仓更换刀具，造价高，进度慢，导致工期不可控。
        2程概况
        某地铁6号线二期北站—林关站盾构区间全长1621m，区间线路最小曲线半径350m，线间距4.7～15.2m，区间最大纵坡为29.8‰，隧道埋深5～38m。左、右线均存在中、微风化花岗岩地层侵入隧道开挖断面的情况。根据地质勘察报告揭示，硬岩层最大单轴抗压强度约90MPa，最小单轴抗压强度21.5MPa，标准值67MPa。实际补充勘察发现岩石强度为68.8～141MPa。该工程采用的是国产复合式土压平衡盾构机，开挖直径刀盘结构采用辐条+面板式，开口率35%，配置中心17吋双联滚刀6把，正面及周边配置单刃滚刀32把，边刮刀12把，刮刀46把，刀盘重量62t，刀盘采用6组电动马达进行驱动，刀盘最高转速2.5r/min。由于北站—林关站区间线路较长且地质情况复杂，因此在该区间中间位置增设了1座吊出井，将区间分为梅林关站—新增竖井、某北站—新增竖井2个小区间，共计投入盾构机4台。该北站—新增竖井段，盾构机长距离穿越全断面中、微风化花岗岩地层，盾构机在微风化花岗岩地层掘进过程中曾多次遇到带状风化夹芯层，给盾构顺利施工带来了很大的影响和挑战，其中以某北站—新增竖井段右线第290环最为典型。
        3土压平衡盾构施工场地布置的应遵循的原则
        土压平衡盾构施工场地布置应满足盾构施工要求和需要，主要包括垂直运输系统（天车、塔吊等）、水平运输系统（轻轨、道路等）、建筑垃圾堆放区、管片堆场、其他施工材料的堆放区域、砂浆搅拌站、临时供水、供电系统、隧道空气循环和冷却系统以及隧道内防洪度汛排水系统和排污系统等。在进行土压平衡盾构施工场地布置时，应满足以上施工要求，遵循工效、有序、安全的场地布置原则，最大限度满足盾构施工场地的布置。
        4硬岩夹芯地层对盾构掘进施工的危害
        中、微风化花岗岩地层中出现风化夹层的现象在地铁工程中是很少见的，但这种地层的存在会对盾构施工造成较大的危害。由于硬岩地层中风化夹层出现的不可预见性很高，因此给地质勘察工作提出了很大的挑战。硬岩地层中风化夹层的存在破坏了开挖面岩石物理性质的均一性，使得盾构开挖面内地层的物理特性出现巨大差异，岩石强度、完整性等由于风化程度的不同存在较大的差别。这种开挖面内岩石物理特性的差异会对盾构机的刀具造成较大的伤害，从而降低施工效率，增加施工成本。盾构机一般在全断面硬岩地层中掘进时采用“高转速、低贯入度”的施工原则，而在硬岩夹芯层掘进时更宜用“低转速，低贯入度”的施工原则。往往由于风化夹层出现的随机性导致盾构施工时掘进参数得不到及时调整，从而加剧对盾构机刀具的损坏。

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        5土压平衡盾构机在硬岩夹心地层中的掘进技术
        5.1盾构机吊装
        盾构机最大件一般都在100t以上，一般采用履带吊现场吊装，吊装前需编制专项施工方案且需要专家论证。同时应对吊耳焊接质量委托第三方检测合格，吊装使用的钢丝绳绳头尽量选用工厂化压制的，如采用编结钢丝绳，编结长度务必符合不小于20d的规范要求。另外需复核履带下地基承载力（一般采用重型动力触探），吊装过程中设备、技术及安全部门安排专人现场监督专项施工方案的实施。
        5.2以龙门吊为主的垂直运输系统设计
        盾构隧道施工过程中，垂直运输系统是运输过程中的主要运输系统，在相关材料运输、渣土运输、设备安装以及对应的施工组织中均有不可替代的作用。因此，在进行施工场地垂直运输系统的设计时应重点考虑以下几点：第一，结合当地实际情况，将吊装面积放置在常用地区，保证施工过程中最大限度地使用。第二，尽可能少安装龙门吊等吊装设备，可降低施工成本以及避免出现施工作业面重合问题，避免资源浪费。第三，应根据实际施工需要在不同地段设立吨位不同的吊装设备。
        5.3盾构机掘进
        盾尾密封刷进入洞门止水帘布后，应对洞门环与管片间隙及时进行封堵和填充注浆，注浆完成后方可掘进。掘进速度及推力应以保持土仓压力为目的，通常取25~45mm/min，上部分布有建（构）筑物时，应匀速推进，减少盾构推进速度不均匀造成对土体的扰动。盾构推进时进行同步注浆，采用注浆压力与注浆量双控标准，压力必须达设计值，注浆量作为参考；二次注浆应在管片脱出盾尾5~10环、浆液凝固后进行。二次注浆开孔前，应先安装好球阀，预防开孔过程中出现漏沙、漏水风险。两台盾构机同向掘进时，应根据不同地质错开50~100m的安全距离，避免掘进过程中相互扰动。首推100环（试验段）后进行关键节点验收，总结优化推进参数。
        6硬岩夹芯地层中盾构施工的改进措施及建议
        硬岩夹芯地层在盾构法隧道施工中出现的频率虽然不高，但确实存在，且对盾构施工造成的危害和影响较大。针对这种地层的复杂性、随机性和危害性，提出以下改进措施及建议。（1）提高地质勘察的手段，增强对硬岩夹芯地层的预见性，为盾构工程的顺利进行提供技术支撑和保障。（2）为盾构机配置具备自动磨损监测功能的滚刀，滚刀的磨损超量或不能发生自转时可及时报警，提高盾构机自身的预警能力，防止因盾构机在硬岩夹芯地层中施工时刀具异常损坏后未及时发现而造成磨损刀盘的恶性事件。（3）提高盾构工程技术人员的风险意识和对硬岩夹芯地层的认知，特别是在微风化花岗岩地层中，发现掘进参数有异常时，要立即停止掘进，及时进仓检查刀具及开挖面的情况。（4）当已经探明或已知的硬岩夹心层对盾构施工影响较大时，在条件具备的情况下建议进行预处理，并制定针对性的盾构掘进施工措施。
        结语
        土压平衡盾构施工场地的布置是保证整体隧道施工顺利有序进行的重点，现场施工管理人员应结合施工场地的具体情况，遵循施工现场设计中工效、有序、安全的原则，重点安排场内道路运输体系的设计以及各项重点施工辅助设施的建设，最大限度地确保现场施工布置满足施工的具体要求。
        参考文献：
        [1]张厚美.盾构盘形滚刀损坏机理的力学分析与应用[J].现代隧道技术，2019，48（1）：61-65，74.
        [2]竺维彬，王晖，鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术，2018，43（4）：72-76，82.
        [3]张厚美.盾构隧道盘形滚刀损坏的原因分析与对策[J].现代隧道技术，2019，47（6）：40-45，50.
        [4]宋天田，杜衡，徐静松.复合地层中盾构盘形滚刀偏磨机理研究[J].隧道建设，2019（S1）：12-14.