盾构穿越富水硬岩段施工技术研究

2016-05-19王少鹏刘文豪王国强中国水利水电第十一工程局有限公司

河南水利与南水北调 2016年3期

□张　婷　□王少鹏　□刘文豪　□王国强(中国水利水电第十一工程局有限公司）

盾构穿越富水硬岩段施工技术研究

□张婷□王少鹏□刘文豪□王国强
(中国水利水电第十一工程局有限公司）

摘要：随着城市轨道交通的快速发展，盾构施工以安全环保、机械化程度高、施工周期短等优势得到广泛应用。在广州、深圳等地区进行盾构施工时，经常遇到强度较高的花岗岩，掘进速度慢、刀具磨损严重，尤其在含水量较大的地层中，易发生“喷涌”现象，管片易发生错台、破损、渗漏水等质量问题，增加了施工难度。文章针对深圳地铁七号线[西丽～西丽湖区间]的富水硬岩段施工情况，详细介绍了盾构在施工过程中遇到的问题以及处理的措施，并进行分析总结，为类似工程施工提供借鉴经验。

关键词：地铁；盾构；富水硬岩；措施

1　工程简介

深圳地铁7号线西丽至西丽湖区间位于深圳市南山区，区间左线全长1662.07 m。盾构机在设计里程为DK1+655.40 ～DK1+709.60 m段时穿越硬岩段，该段岩石基岩中节理裂隙发育，揭露的中、微风化花岗岩较为破碎。隧道埋深达26.60 m。盾体水平方向上位于半径为500 m的转弯段，垂直方向上位于10.80‰下坡段。

2　工程地质与水文

该段盾构掘进掌子面地层主要为全断面中风化花岗岩，局部夹杂微风化岩，全长约84.00 m，隧道以上覆土层由上至下依次为0.50～0.70 m素填土,5.60～14.80 m砾质黏性土、2.00～7.00 m全风化花岗岩、2.30～7.80 m强风化花岗岩、2.40～6.20 m中风化花岗岩，地质图详见1。

图1　盾构穿越地质图

穿越地层的岩石特性如下：

中风化花岗岩：岩体呈碎块状，节理裂隙发育，饱和单轴抗压强度范围值为28.70～48.80 MPa,标准值为17.60 MPa,为较硬岩，较破碎。

微风化花岗岩：岩体呈碎块、块状、巨块状，局部节理裂隙发育，饱和单轴抗压强度为43.00 MPa，标准值为81.90 MPa，根据岩石抗压强度结果，该段微风化花岗岩为硬岩，岩体较完整。

深圳市的气候属亚热带季风气候，热量丰富，日照时间长，雨量充沛。地下水含量丰富，按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水。地下水位位于隧道以上18～21.80 m处。

3　刀具配置

该段釆用复合式土压平衡盾构机进行掘进，主要依靠滚刀对岩层产生挤压、剪切、拉裂等综合作用冲击、碾压岩石，形成小块破碎体，并产生径向裂纹，其中一般有一条或多条裂纹向刀刃两侧延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇形成岩石碎片，随后由刮刀将碎裂的岩体切削下来，从而达到破岩掘进的效果。图2为盾构机刀具配置图（图中编号为滚刀编号）。

图2　盾构机刀具位置图

盾构机在该硬岩段掘进时，刀具配置为：4把中心双刃滚刀、31把正面单刃滚刀、52把刮刀、8把边缘刮刀、1把超挖刀。滚刀刀刃距刀盘面板的高度为175 mm,齿刀和刮刀刀刃距刀盘面板的高度为140 mm,滚刀与齿刀层次间距为35 mm,以便在硬岩地段掘进时保护齿刀和刮刀。

4　富水硬岩段主要施工方法简述

施工段岩石强度高，掌子面稳定，故盾构掘进时釆用半敞开式掘进。这种模式下，切削下来的渣土进入土仓后，螺旋机随即将其排出，土仓内保持少量的渣土，土仓压力较低，推力小、掘进速度快。掘进时以“高转速、低扭矩”的思想控制施工参数，土仓压力为0.20～1.20 bar掘进速度8～20 mm,推力900～1100 t，刀盘转速1.70～2.10 r/min，刀盘扭矩1.50～2.50 MN.m。硬岩段掘进时，由于硬岩段不易纠偏，需要密切注意和控制盾构机的姿态，防止姿态发生过大偏离，掘进纠偏要遵循“勤纠偏、缓纠偏”的原则，杜绝大幅度的纠偏。为保证注浆效果，釆取同步注浆完成后，进行二次注装，二次注装釆用水泥-水玻璃双液浆，确保管片壁后注浆密实。经常对拼装管片进行变形监测检查，及时了解拼装完成的混凝土管片变形情况，保证管片成型质量。

5　遇到的问题及处理措施

5.1刀具磨损及预防措施

5.1.1刀具磨损分析

在该硬岩段中掘进时，刀具磨损比较严重，共进行了四次开仓换刀，共更换25把单刃滚刀，经统计，均匀磨损刀具18把，偏磨刀具5把，掉块刀具2把。分析刀具磨损主要原因：盾构在软岩地层中掘进时，滚刀启动扭矩小，部分滚刀无法转动，从而导致偏磨；当在上软下硬的半断面岩石中掘进时，刀具撞击力大,尤其在软土向硬岩过渡时，造成刀具掉块；由于刀具在刀盘中位置不同，靠近边缘的刀具线速度较大，而靠近中心附近的线速度较小，因此边缘刀具磨损较为严重；全断面硬岩掘进时，岩层分布较为均匀，滚刀能正常转动，因此刀具的磨损主要以均匀磨损为主；部分滚刀装配密封性能较差，渣土进入轴承内，使轴承失效，造成刀具偏磨。

5.1.2预防刀具磨损的措施

根据刀具磨损机理分析，可采取多种措施预防和减小刀具磨损，主要有：严格控制掘进参数，使盾构掘进时在最佳环境中运行，尤其刀盘扭矩的设定值和波动范围不宜过大，一般≤0.50 MN.m，避免发生刀圈崩裂或掉块；每次刀具更换完成后，推进一环后及时检查刀具螺栓的紧固情况，防止螺栓松动脱落。在盾构机恢复掘进后，掘进推力和速度不宜过大，防止新装刀具发生刀圈崩裂现象;加注合适的泡沫剂和膨润土改良渣土、润滑刀具，降低掘进土仓温度，减小土体对刀具的摩擦；根据施工计划合理设置换刀点，及时进行主动换刀；当盾构机出现掘进参数异常（如推力增加，但速度缓慢或不增加）、舱内响声异常（有非正常的铁件响声）等情况时，及时开仓处理，避免出现更严重的刀具磨损、甚至连锁性破坏。

5.2“喷涌”现象频发与处理

5.2.1“喷涌”发生的原因

风化岩段，节理裂隙发育，地下水丰富。当掌子面水压过高进入土仓，水将会通过刀盘开口进入土仓；此时，刀盘切削的渣土以碎石为主，无良好的吸水效果，导致螺旋机无法形成土塞，在土仓压力的作用下，土仓内的稀渣就会通过螺旋机向外挤压而形成“喷涌”，喷涌造成的泥渣无法通过皮带机运输，从而进入隧道内。当这种情况发生时，需要花费大量时间对喷涌泥渣进行清理，从而增加了盾构机的停机时间，严重影响施工。

5.2.2避免发生“喷涌”的处理措施

根据形成喷涌的原因，主要釆取以下措施进行处理：在盾尾及时进行二次注浆，釆用双液浆或化学注浆，对盾构后方来水进行封堵，减少土仓内水量；在土仓壁上的球形联通阀安装排水带，盾构掘进开始前放出仓内积水，减少仓内水量；釆用双闸门进行掘进控制，减小喷涌量；根据地层变化和掘进速度，及时调整泡沬剂的注入量和浓度，合理改良渣土；保持“连续、快速”的盾构施工，避免长时间的停机。

5.3管片拼装质量问题

5.3.1管片质量问题原因分析

富水硬岩段，易发生管片质量问题，主要包括：破损、渗漏水、错台过大等，严重影响隧道整体外观和质量，甚至可能引起渗水等问题。

造成破损的主要原因有：管片在运输、堆放和吊装过程中发生磕碰，导致破损；盾构处于转弯段上，推进过程中管片受力不均，导致管片破损；管片环面不平整导致管片突出，千斤顶局部应力集中，导致管片破损；管片上浮，导致盾尾间隙过小，盾壳挤压管片，使管片内弧面碎损；拼装手操作不熟练，导致吊装口周围破损。

造成管片渗水主要原因有：由于破损过大，形成渗漏通道；同步注浆不充分，砂浆没有充分填充壁后间隙；遇水膨胀止水条失效或损坏；螺栓未拧紧，使管片接缝处开口过大，橡胶止水条不密贴；地下水过大引起管片上浮，止水条失效。

造成管片错台的主要原因有：在曲线段中掘进时，千斤顶给管片分力过大，使管片偏移导致错台；盾构机姿态控制不当，纠偏过猛，管片脱出盾尾造成错台；注浆压力不平衡，相对位置的压差过大；管片拼装手操作不熟练，使拼装产生错台。

5.3.2预防管片质量问题措施

通过管片拼装前、拼装时、拼装后的详细过程控制，可有效提高施工管片质量，主要为：拼装前措施。管片进场前严格检验管片质量，一旦发现不符合要求的管片不得验收进场；管片在运输、堆放和吊装过程中，做好保护措施，避免损坏；按技术要求粘贴橡胶止水条，传力衬垫、遇水膨胀条等；掘进过程中，注意控制好盾构机的姿态，避免大幅度纠偏，以免损坏管片；管片拼装前，再次止水条是否受损，如果受损，应及时进行更换。拼装时措施。拼装时，由专业人员操作，减少人为的损坏；每环拼装管片范围应大于环宽300 mm以上，防止损坏封顶块的橡胶条；管片拼装前测量盾尾间隙，一般最小不得低于5 cm;螺栓紧固严格执行“三次紧固”原则，即：管片拼装时紧固1次，拼装第二环时紧固1次，管片脱出盾尾后再紧固1次，确保连接螺栓满足设计扭矩要求。

拼装后措施。盾构掘进过程中，同步注浆必须与推进速度相匹配，注浆管连续不断的均匀注浆，防止单侧压力过大或注浆不饱满；发现管片渗水时，应及时进行二次注浆；二次注浆的压力不宜过大，防止管片破损；定期对管片进行变形监测。