泥水盾构在岩溶地层中的施工技术

2013-04-03严晓周YANXiaozhou

建筑机械化 2013年4期

严晓周/YAN Xiao-zhou

（广东华隧建设股份有限公司，广东广州 510520）

广州市轨道交通9号线5标段包括清布站、清布－高增区间和高增站。本区间结构下方基岩是石炭系中上统壶天群灰岩或石炭系下统大塘阶石磴子组灰岩，灰岩中溶洞发育，对盾构施工和地铁运营带来一定的风险，需要对溶（土）洞进行处理并采取针对性的措施以降低施工风险。区间沿线存在建筑物，对地面沉降要求高，但溶（土）洞，上软下硬地层的存在增加了施工难度。为保证盾构施工的安全，对地层中溶（土）洞的处理方法进行研究，并通过对掘进措施、刀具配置情况、磨损情况以及地面沉降情况等进行研究，从而确保盾构施工时的沉降控制和刀具能够满足盾构的长距离掘进要求。

1 施工参数和措施的研究

对于泥水盾构在岩溶地层中的施工来说，受制于地面场地条件，导致部分隧道区域内的溶（土）洞无法探明或者无法加固，此时可在盾构前体设置超前钻探和加固系统（图1），以保证盾构在掘进过程中，通过超前探测、超前加固及时处理隧道下部的溶（土）洞。

图1 超前注浆口改造示意图

岩溶地层中除溶（土）洞外，地层存在上软下硬的情况，岩层强度较高。根据我司在该地区其他工点基坑开挖情况，基底显示岩层情况与原地质资料有一定出入，灰岩抽芯检测报告显示灰岩强度标准值可达85MPa，且较为破碎；2#风井详勘地质报告里未显示有灰岩，但实际开挖施工中，在基坑底部出现大面积、大块的灰岩。灰岩强度标准值可达95MPa。

上软下硬地层来说对泥水盾构施工有几大危害：①上软下硬地层掘进过程中，下面硬地层造成掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，上面的软土容易造成超挖，导致地面沉降；②上软下硬地层掘进过程中，下面已切削较大较硬或者固结的较大泥饼脱落后在没有经过搅拌破碎直接进入排泥管，将导致管路堵塞，引起切口水压波动，导致地面沉降；③刀盘结泥饼，导致刀具偏磨，刀盘裹死无法掘进。

根据地层特点，刀盘转速设定为1rpm之内，尽量减少对地层的扰动，确保开挖量在允许范围内；为防止大块岩石和泥饼堵塞管路，掘进过程中开启逆循环的环流方式。掘进速度设定为8mm/min，确保地面的沉降及盾构姿态，保证盾构在灰岩中的开挖，保持较低的推力，让刀盘能充分切削岩体；同时注意同步注浆及二次补浆量，控制地面沉降。当侵入隧道内灰岩增多时，施工参数最为明显的变化就是盾构推力及扭矩增大。可以看出，盾构掘进采用了较低的刀盘转速及掘进速度，盾构环流采用逆循环的形式，整个施工相对较为顺畅，未出现环流堵塞或其它异常情况。

2 盾构施工地面沉降规律的研究

本次研究段地面共布置沉降监测点50个，最大沉降值为40mm。同时，在施工期间，我们也对周边距离隧道外边线10～40m范围内房屋布置了监控点，对房屋进行实时监测，沉降显示基本无变化，施工控制效果良好。通过沉降监测统计表和沉降监测统计图可以看到，施工过程中最大沉降位置位于338环附近，该处为施工过程中气压开仓位置，沉降形态呈漏斗型，漏斗的最低处为气压开仓处。此现象说明在岩溶地层中气压开仓对地面的扰动远大于盾构施工对地面的影响。对于气压开仓来说，距离开仓位置5m范围内为强影响区，气压开仓对该区域的地面沉降影响较大，距离开仓位置5～10m区域为弱影响区，气压开仓对该区域影响较小，距离开仓位置≥10m范围为无影响区，气压开仓对该区域基本无影响。

此外，此次盾构施工的隧道埋深约10m，发现盾构施工对于平面投影与盾构隧道边线距离≥1d（d为隧道埋深）的建筑物基本没有影响。

3 盾构刀具配置形式及刀具保护控制

综合广州地区复合地层多年的盾构施工经验，对于硬岩和上软下硬地层宜采用全断面滚刀的刀具配置形式。由于岩溶地层中下层土体为较硬的微风化炭质灰岩，强度较高（最大抗压强度达到95MPa），如采用带合金粒滚刀，在岩层较大冲击力的作用下，易产生合金粒脱落的情况，在此类地层滚刀应采用普通刀圈且不带合金粒的刀具类型。

对于上软下硬地层来说，刀具结泥饼是一个不容忽视的问题。盾构刀盘转动时滚刀除相对于刀盘中心进行公转，滚刀相对于轴承还进行自转，无论滚刀公转还是自转，当转动速度越快，刀具越不容易结泥饼。滚刀自转是依靠对岩层的压力所产生的摩擦反力作用于刀具使其转动，当盾构在上软下硬地层中掘进时，由于上层软土无法推动滚刀自转，如果刀具启动扭矩过大，在下层硬岩切削时也无法滚动，在刀盘转速较慢的情况下（速度较快会冲击刀具，造成刀具崩损），软泥在刀具周边不断堆积，如此则造成刀具偏磨严重，而偏磨也导致刀具破岩能力下降，如此则导致其它刀具受到破坏，在没有换刀条件下，最终导致刀盘裹死甚至破坏。为防止刀具偏磨，刀具配置时采用启动扭矩较小的滚刀。

本次施工针对高强度灰岩情况，采用的是全断面滚刀的配置（普通刀圈），启动扭矩为30～32Nm，期间共进行过两次气压开仓工作，停机位置见图2。

图2 两次盾构停机位置示意图

2012年3月13日我司对盾构刀具进行了第一次气压开仓检查，检查发现刀具磨损情况良好，均为正常磨损，未有偏磨或其它不良情况，磨损量3～5mm左右，同时刀座的楔块未有脱落情况，本次开仓未进行刀具的更换。2012年3月21日进行了第二次气压开仓检查，检查发现除31#滚刀出现崩块外，其它刀具磨损情况良好，磨损量3～7mm左右（图3），本次开仓处对31#滚刀进行更换外未对其它刀具进行更换。