1、盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)間隔 硬巖中掘進(jìn)的討論摘要:研究目的:盾構(gòu)機(jī)目前已廣泛應(yīng)用于各種土建工程領(lǐng)域。利用盾構(gòu)技術(shù)解決地鐵工程中長(zhǎng)間隔 硬巖掘進(jìn)的工程實(shí)例不多見(jiàn)。本文主要研究運(yùn)用盾構(gòu)機(jī)在硬巖段掘進(jìn)的適應(yīng)才能以及在硬巖段掘進(jìn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題和需采取的措施。研究方法:文章通過(guò)廣州地鐵1個(gè)長(zhǎng)間隔 硬巖掘進(jìn)的工程實(shí)例,搜集施工過(guò)程中相關(guān)的數(shù)據(jù)、出現(xiàn)的問(wèn)題以及所采取的對(duì)策等資料,并對(duì)這些信息進(jìn)展分析。研究結(jié)果:根據(jù)該工程的施工過(guò)程得出盾構(gòu)機(jī)在硬巖中的掘進(jìn)是可行的,出現(xiàn)的問(wèn)題可以通過(guò)采取相應(yīng)的措施予以克制。研究結(jié)論:由于本段硬巖有極細(xì)小裂隙且裂隙多被石英細(xì)脈充填,因此盾構(gòu)可以順利掘進(jìn)。可以得出結(jié)論:只要裂隙發(fā)育,即使巖石

2、單軸抗壓強(qiáng)度高,可以通過(guò)選用適宜的盾構(gòu)機(jī)型、合理地進(jìn)展刀盤和刀具配置,完全可以順利地在硬巖中掘進(jìn),而且比其它工法掘進(jìn)速度更高。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)機(jī);長(zhǎng)間隔 硬巖;掘進(jìn);討論盾構(gòu)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軟土地層和復(fù)合地層中修建地鐵隧道,尤其是廣州、深圳的復(fù)合地層可能遇到各種土類、巖類及其混合類。假設(shè)遇到長(zhǎng)間隔 (大于100)的硬巖,通常采用傳統(tǒng)工法即利用礦山法開(kāi)挖隧道,盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過(guò)。這是建立在以往在硬巖中成洞速度與工法間的關(guān)系的統(tǒng)計(jì)根底的結(jié)論既連續(xù)硬巖段長(zhǎng)度將近100以后,礦山法的成洞速度大于盾構(gòu)法。本工程的硬巖在招標(biāo)設(shè)計(jì)中同樣是利用上述結(jié)論采用礦山法開(kāi)挖,盾構(gòu)機(jī)拼裝管片。由于工期因素,無(wú)法按原定組合工

3、法施行,只能嘗試用盾構(gòu)技術(shù)解決長(zhǎng)間隔 硬巖掘進(jìn)問(wèn)題。1工程概況1.1工程范圍廣州軌道交通四號(hào)線大學(xué)城專線(侖大盾構(gòu)區(qū)間),北起侖頭后底崗盾構(gòu)始發(fā)井始發(fā),經(jīng)侖頭村穿越侖頭海至官洲島,到達(dá)官洲站,通過(guò)官洲站再次始發(fā)后經(jīng)官洲村、官洲河,至大學(xué)城吊出井,礦山法施工到大學(xué)城站完畢?？傞L(zhǎng)為2826.5,其中盾構(gòu)法區(qū)間隧道為2301.3,包括7個(gè)聯(lián)絡(luò)通道、2個(gè)廢水泵房。其中始發(fā)段和侖頭海底兩段合計(jì)共有300多米9Z微風(fēng)化混合巖的硬巖段。1.2硬巖段施工招標(biāo)設(shè)計(jì)始發(fā)段的硬巖在招標(biāo)設(shè)計(jì)中考慮到盾構(gòu)機(jī)破硬巖效率可能不及礦山法,所以招標(biāo)設(shè)計(jì)的施工工法是按傳統(tǒng)工法考慮既以鉆爆法開(kāi)挖,管片拼裝通過(guò),來(lái)攻克長(zhǎng)間隔 硬巖段

4、的。但工程在施行過(guò)程中,由于始發(fā)井圍護(hù)構(gòu)造地下連續(xù)墻入巖較深,而且沒(méi)有出現(xiàn)地質(zhì)剖面圖中的7Z地層,完全是巖性較硬的9Z地層,因此地下連續(xù)墻施工進(jìn)度非常緩慢,工期滯后非常嚴(yán)重,導(dǎo)致鉆爆法開(kāi)挖,管片拼裝通過(guò)的組合工法難以按原招標(biāo)設(shè)計(jì)施工工期目的施行,同時(shí)在侖頭海底也存在9Z硬巖段,根據(jù)當(dāng)時(shí)進(jìn)度狀況和為順利快速通過(guò)侖頭海積累硬巖掘進(jìn)經(jīng)歷,經(jīng)過(guò)屢次方案研討認(rèn)為,通過(guò)選擇耐磨性好的刀具以及加大刀具檢查頻率和更換刀具頻率是有解決長(zhǎng)間隔 硬巖掘進(jìn)難題的,并同意始發(fā)段硬巖段由原來(lái)鉆爆法開(kāi)挖,管片拼裝通過(guò)變更為盾構(gòu)直接掘進(jìn)通過(guò)。1.3工程地質(zhì)描繪該工程盾構(gòu)始發(fā)后處于直線上,始發(fā)線路坡度為27.75。從上至下地層

5、依次為4-3坡積土層、5Z-2紅層硬塑或中密狀殘積土層、6Z混合巖全風(fēng)化帶、7Z混合巖強(qiáng)風(fēng)化帶、8Z混合巖中等風(fēng)化帶和9Z混合巖微風(fēng)化帶,詳細(xì)見(jiàn)?始發(fā)階段地質(zhì)剖面圖?。其中有100多,隧道洞身完全處于9Z混合巖微風(fēng)化帶,該套地層巖性為:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒構(gòu)造,塊狀構(gòu)造,裂隙多較發(fā)育,巖芯呈短柱狀、碎塊狀為主,部分長(zhǎng)柱狀,巖石多破碎,敲擊聲脆。此段9Z微風(fēng)化混合巖的硬巖段長(zhǎng)度將近200,根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充勘察資料顯示該段天然抗壓強(qiáng)度平均值為78.2pa,巖樣取芯的最大單軸抗壓強(qiáng)度到達(dá)98.1Pa。盾構(gòu)隧道構(gòu)造主要穿越的相關(guān)各地層特性描繪如下:7Z層混合巖強(qiáng)風(fēng)化帶:巖性為震旦系混合巖,

6、呈褐黃、褐紅及灰白等色,巖石已遭強(qiáng)烈風(fēng)化,裂隙發(fā)育,巖芯多呈土夾碎塊狀,手捏易碎。8Z混合巖中等風(fēng)化帶:呈黃色、褐灰、青灰色等,巖石中粗粒構(gòu)造,塊狀構(gòu)造,礦物成分根本未變化,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯較新穎,多呈碎塊狀,部分短柱狀,裂隙面具褐色風(fēng)化膜,錘擊聲較脆,輕擊不易碎。9Z層混合巖微風(fēng)化帶:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒構(gòu)造,塊狀構(gòu)造,裂隙多較發(fā)育,巖芯呈短柱狀、碎塊狀為主,部分長(zhǎng)柱狀,巖石多破碎,敲擊聲脆。2選用的盾構(gòu)機(jī)及其相關(guān)參數(shù)針對(duì)該工程線路地層分布情況經(jīng)過(guò)綜合考慮、比選,選用的是德國(guó)海瑞克土6280土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。2.1盾構(gòu)機(jī)構(gòu)成盾構(gòu)機(jī)由主機(jī)及后配套輔助系統(tǒng)構(gòu)成。主機(jī)包括:刀盤、

7、刀盤驅(qū)動(dòng)、殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、人員倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)、管片安裝機(jī)。后配套輔助系統(tǒng)包括:出碴系統(tǒng)、碴土改進(jìn)系統(tǒng)、管片運(yùn)輸系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、液壓泵站、注脂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)。2.1.1盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)件相關(guān)參數(shù)(1)盾構(gòu)機(jī)外徑6260(2)盾尾內(nèi)徑6060(3)盾尾間隙30(4)盾構(gòu)全長(zhǎng)11655(5)開(kāi)口率:26%2.1.2刀盤刀盤構(gòu)造設(shè)計(jì)為帶有進(jìn)料口的切割式圓盤。其開(kāi)口率約為26%。帶有4條支撐臂的厚壁法蘭板支座用來(lái)聯(lián)接主驅(qū)動(dòng)和刀盤。4條支撐臂構(gòu)造均為厚壁鋼管,可以將油液和泡沫劑等液體供到刀盤構(gòu)造上。刀盤的進(jìn)料口即進(jìn)渣通道通道有4個(gè),這4個(gè)開(kāi)口在刀盤的外邊緣是進(jìn)料的

8、主要通道,它們可以將開(kāi)挖下來(lái)的碴土導(dǎo)入到刀盤背后的土倉(cāng)里。刀盤開(kāi)口最大寬度是200,這就保證了通過(guò)刀盤的碴土也可以通過(guò)螺旋輸送機(jī)(螺旋輸送機(jī)能通過(guò)的最大礫石直徑為210)。在刀盤后部的中心,裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭裝置,用來(lái)把來(lái)源于盾體內(nèi)的液壓油和泡沫劑等液體供應(yīng)旋轉(zhuǎn)的刀盤。2.1.3刀具布置由于線路在后底崗段的地層分布以9Z為主,所以刀具選擇是破巖石才能強(qiáng)效果好的雙刃滾刀和單刃滾刀;用于制造刀盤鋼構(gòu)造的鋼材質(zhì)為16nR,剛度、強(qiáng)度滿足掘進(jìn)要求。刀具詳細(xì)布置為:4把雙刃滾刀,單刃滾刀31把,邊刮刀8把,正面切刀64把,超挖刀1把。詳見(jiàn)圖2。3掘進(jìn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集和參數(shù)的討論3.1碴樣的采集(1)1環(huán)-3

9、0環(huán):為7Z號(hào)地層,采集3次碴樣;(2)31環(huán)-47環(huán):為7Z和8Z號(hào)混合地層,采集5次碴樣;(3)48環(huán)-69環(huán):為8Z號(hào)混合地層,采集5次碴樣;(4)70環(huán)-134環(huán):為9Z號(hào)地層,采集8次碴樣。詳見(jiàn)表1。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3.2泡沫注入?yún)?shù)(1)130環(huán):泡沫濃度2%;注入壓力平均為2.0bar;液體流量平均為148L/in;空氣流量平均為1960L/in,發(fā)泡率為13.2。(2)3147環(huán):泡沫濃度1.5%;注入壓力平均為2.0bar;液體流量平均為140L/in;空氣流量平均為1800L/in,發(fā)泡率為12.8。(3)48134環(huán):泡沫濃度1%;注入壓力平均為2.0bar;液體流

10、量平均為160L/in;空氣流量平均為2100L/in,發(fā)泡率為13.1。3.3注漿參數(shù)(1)130環(huán)平均注漿壓力1.8bar,平均注漿量為4.73。(2)3147環(huán)平均注漿壓力1.6bar,平均注漿量為4.93。(3)48134環(huán)平均注漿壓力1.6bar,平均注漿量為5.03。3.4推進(jìn)泵壓力(傳感器布置如圖3)(1)A組:130環(huán)平均為42bar,3160平均為38bar,6175環(huán)平均為40bar,7698環(huán)平均為41bar,99134環(huán)平均為45bar。(2)B組:130環(huán)平均為70bar,3160平均為75bar,6175環(huán)平均為77bar,7698環(huán)平均為80bar,99134環(huán)平

11、均為95bar。(3)組:130環(huán)平均為80bar,3160平均為99bar,6175環(huán)平均為111bar,7698環(huán)平均為128bar,99134環(huán)平均為106bar。(4)D組:130環(huán)平均為65bar,3160平均為70bar,6175環(huán)平均為86bar,7698環(huán)平均為91bar,99134環(huán)平均為89bar。3.5土倉(cāng)壓力(傳感器布置如圖4)1#傳感器:130環(huán)平均為0.6bar;3147環(huán)平均為0.3bar;48134環(huán)平均為0.2bar。2#傳感器:130環(huán)平均為0.8bar;3147環(huán)平均為0.3bar;48134環(huán)平均為0.4bar。3#傳感器:130環(huán)平均為0.9bar;3

12、147環(huán)平均為0.3bar;48134環(huán)平均為0.4bar。4#傳感器:130環(huán)平均為0.9bar;3147環(huán)平均為0.6bar;48134環(huán)平均為0.6bar。5#傳感器:130環(huán)平均為0.9bar;3147環(huán)平均為0.6bar;48134環(huán)平均為0.6bar。3.6刀具磨損情況檢查及刀具更換在掘進(jìn)200期間開(kāi)倉(cāng)全面檢查刀具2次,分別為:(1)第35環(huán),全部刀具磨損量在5以內(nèi)。無(wú)需換刀,繼續(xù)掘進(jìn)。(2)第98環(huán),13#、14#、16#、38#單刃滾刀發(fā)生偏磨,其余刀具均屬于正常磨損,磨損量在1532之間,此處進(jìn)展全部刀具更換。開(kāi)倉(cāng)掌子面呈青灰色,滾刀削巖痕跡很明顯。3.7幾個(gè)主要參數(shù)關(guān)系的討

13、論整理上述相關(guān)數(shù)據(jù),歸納為表2:3.7.1不同地質(zhì)條件下的刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、推力的關(guān)系1環(huán)30環(huán)以前為7Z號(hào)巖層,31環(huán)47環(huán)為7Z和8Z號(hào)混合地層,48環(huán)69環(huán)為8Z號(hào)地層,70環(huán)134環(huán)為9Z地層。1環(huán)30環(huán)平均掘進(jìn)速度為23,平均推力610;t31環(huán)47環(huán)平均掘進(jìn)速度為25,平均推力650,t刀盤轉(zhuǎn)速平均為1.6轉(zhuǎn)/in;48環(huán)69環(huán)平均掘進(jìn)速度為28,平均推力790,t刀盤轉(zhuǎn)速平均為1.7轉(zhuǎn)/in;70環(huán)134環(huán)平均掘進(jìn)速度為24,平均推力900,t刀盤轉(zhuǎn)速平均為1.8轉(zhuǎn)/in。始發(fā)時(shí)為7Z號(hào)巖層,實(shí)際操作時(shí)推力略有控制,根本控制在800t以下,掘進(jìn)速度并不快,在31環(huán)69環(huán)為7Z和

14、8Z地層,推力增加速度也有所進(jìn)步,70環(huán)134環(huán),推力增加,但速度有所下降。在9Z地層中最低速度為18/in,此時(shí)推力為940t。在硬巖地段適當(dāng)加快刀盤轉(zhuǎn)速,增加推力情況下才有可能獲得較快的掘進(jìn)速度。硬巖中貫入度太大,將導(dǎo)致滾刀和刮刀同時(shí)破巖,引發(fā)刮刀造成致命損害,進(jìn)而影響滾刀破巖才能,最終令盾構(gòu)機(jī)無(wú)法正常掘進(jìn)。3.7.2泡沫注入與刀盤扭矩的關(guān)系泡沫的成效主要在于別離或中和粘性土中的陰陽(yáng)離子,降低其吸附性能,從而起到改善碴土的流動(dòng)性、光滑刀具、降低刀盤溫度等作用。對(duì)于軟巖和粘性土,合理的泡沫注入尤為重要。在130環(huán)(巖層為7Z巖層),泡沫注入量較大,刀盤扭矩平均為2800N,刀盤扭矩變化幅度不

15、大;3160環(huán)(巖層為7Z、8Z巖層),泡沫注入量有所減少,刀盤扭矩平均為3000N;61134環(huán)(巖層為9Z),泡沫注入量少,刀盤扭矩平均為3200N,刀盤扭矩變化幅度較大。從顯示的數(shù)據(jù)及開(kāi)倉(cāng)情況看出,泡沫的注入量與地層是相匹配的,在7Z地層中加大泡沫的用量,在8Z9Z地層中降低泡沫的用量,即滿足施工的需求,沒(méi)有形成泥餅,也降低費(fèi)用。4掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及原因分析和采取對(duì)策4.1同步注漿管堵塞在掘進(jìn)初期,同步注漿管堵管頻繁發(fā)生,除了送漿管路曲折轉(zhuǎn)彎段較多有影響外,主要原因是使用的膨潤(rùn)土為易沉淀和膠結(jié)的鈣基膨潤(rùn)土,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比選,更換為鈉基膨潤(rùn)土,之后堵管問(wèn)題得到了明顯的改善。但因?yàn)榉勖夯?/p>

16、摻入量不匹配的原因,仍然存在漿液容易離析的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)邊掘進(jìn)邊試配,找到了適宜的配比。而通過(guò)降低水泥含量來(lái)解決堵管是一種不合時(shí)宜的方法。管路進(jìn)展及時(shí)的清理工作,也能減少注漿管堵管發(fā)生的頻率。4.2扭矩過(guò)大始發(fā)后盾構(gòu)刀盤切入廣三斷裂帶前后的強(qiáng)風(fēng)化紅層和混合巖,刀盤扭矩比正常值偏大(3500kN),主要為巖石強(qiáng)風(fēng)化帶土性較粘,粉粒粘粒含量大,加之刀盤為全斷面滾刀的硬巖刀具配置,在7-7z地層中不可能完全實(shí)現(xiàn)其破巖機(jī)理,直接導(dǎo)致了刀盤的扭矩偏大。后來(lái)增加了泡沫的濃度和流量,充分利用其外表活性的作用隔離土粒子,減少了刀盤和面板上粘性土的粘附及土倉(cāng)內(nèi)固結(jié)壓密的可能性,從而有效地將始發(fā)階段的扭矩降低到了30

17、00kN以下。4.3管片錯(cuò)臺(tái)管片錯(cuò)臺(tái)是發(fā)生比擬多的一個(gè)質(zhì)量問(wèn)題,其中有幾環(huán)管片之間的環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)值超過(guò)了新標(biāo)準(zhǔn)容許的15,發(fā)生地段一般呈現(xiàn)4個(gè)特點(diǎn):(1)此處千斤頂推力較大;(2)此處為不同地層的變化區(qū)域;(3)此處盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)都曾有過(guò)較為大幅度的調(diào)整;(4)注漿壓力相反方向不平衡。經(jīng)過(guò)跟蹤研究,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和拼裝管片姿態(tài)不同軸平行,或者說(shuō)千斤頂推力不均是造成我區(qū)間管片錯(cuò)臺(tái)最多的原因。在后來(lái)的掘進(jìn)中,盡管是在下坡段,由于注意了管片選型與盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)切合,控制兩者的糾偏量,管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象得到了明顯的改善。4.4管片滲水主要受到縱縫、環(huán)縫展開(kāi)度過(guò)大以及錯(cuò)臺(tái)導(dǎo)致管片不能面面接觸降低了止水條止水范圍等等因素的影響

18、。詳細(xì)來(lái)說(shuō)管片滲漏水主要有以下幾個(gè)方面的原因:(1)注漿量未能保證飽滿的充填率,初凝時(shí)間未能保證在含水基巖中及時(shí)與圍巖成為一體;(2)運(yùn)輸和拼裝管片時(shí)對(duì)止水條的保護(hù)不夠,存在部分止水條過(guò)早脫離管片外表,以及在地面粘貼并不結(jié)實(shí);(3)部分拼裝工人管片拼裝時(shí)管片螺栓擰緊度不夠,在脫出盾尾后未能按照要求進(jìn)展二次復(fù)緊,導(dǎo)致接縫張開(kāi)過(guò)大;(4)K管片在拼裝前兩側(cè)涂沒(méi)能按照要求抹光滑劑導(dǎo)致部分止水條受到了拉伸變形。管片滲漏水的現(xiàn)象未能得到有效的遏制的根本原因是同步注漿效果不佳,使得管片背后水體長(zhǎng)期存在。4.5管片破裂主要受到千斤頂剪切和拼裝中的碰撞等因素引起。管片在受到以下幾個(gè)因素的綜合作用會(huì)導(dǎo)致了破損和

19、裂縫:(1)拼裝后管片環(huán)面不夠平整,單塊管片超前導(dǎo)致千斤頂作用時(shí)部分應(yīng)力集中;(2)螺栓穿入時(shí)的打入力量過(guò)大導(dǎo)致螺栓孔周邊產(chǎn)生裂紋;(3)管片選型未能保持盾尾間隙均勻,盾殼擠壓管片,表現(xiàn)為管片內(nèi)弧面的碎裂;(4)注漿壓力不均勻,在地層彈性模量較大情況下管片單邊受壓;(5)千斤頂油缸回收與拼裝機(jī)后移因?yàn)槠囱b手不夠純熟而不能協(xié)調(diào)控制,表現(xiàn)為吊裝孔周圍的輻射狀裂紋。4.6管片上浮管片主要表現(xiàn)為通環(huán)上浮,也就是環(huán)與環(huán)之間的錯(cuò)臺(tái)并不因上浮而明顯,主要受到千斤頂推力配置不合理以及漿液初凝時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)等因素的影響。只要漿液不能及時(shí)固定管片,管片在這種流體中就必然受到自身重力2倍的上浮力。另外,因?yàn)槭及l(fā)段區(qū)間線路一直為下坡的原故,為了盾構(gòu)機(jī)載頭和糾偏需要,在掘進(jìn)時(shí)下部千斤頂一直高于上部,使得管環(huán)長(zhǎng)期受到1個(gè)向上的徑向分力,這也是導(dǎo)致管片上浮的一個(gè)重要因素之一。施工單位一般采取壓低盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的措施來(lái)保證管片上浮后不會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線。5過(guò)硬巖段的體會(huì)本段微風(fēng)化混合巖9Z地層