浅谈盾构穿越大粒径砂卵石施工技术

2020-07-17王羽

绿色环保建材 2020年7期

关键词：土压卵石刀盘

王羽

北京市政建设集团有限责任公司第四工程处

1 工程概况

1.1 工程简介

本标段为岳各庄220kV输变电（电力沟）工程(第五标段)，包括内径3.5m盾构隧道1639.7m，覆土深度15m～22m。

1.2 地质水文情况

根据地质勘察报告，该段首构隧道主要穿越卵石⑤层。

卵石⑤层，D大＞10cm，D一般＝6cm～8cm，亚圆，级配较好，中砂充填，充填物含量约占25%～30%，卵石成分以石英岩、灰岩为主，夹黏性土薄层。

本次勘察地表以下20.0m深度内未揭露地下水。

2 盾构法的工作原理及其优点

2.1 工作原理

土压平衡盾构法的工作原理是利用盾构机前端刀盘切削土体，同时向密封舱内加入塑流化改性材料改良土体，通过螺旋输送机向外排土，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。并在掘进中同时完成管片的拼装工作。盾构机在掘进过程中可以通过尾部进行同步注浆填充土体与管片之间的空隙，以保证围岩的稳定性。盾构系统的组成主要有：刀盘、推进千斤顶、螺旋输送机、管片拼装机、注浆泵、铰接系统等部分组成；同时，还需配以地面辅助设施：门式起重机、浆液搅拌站、集土坑、沉淀池、充电间、高压配电柜、卸管片叉车等。

图1 土压平衡盾构机结构图

2.2 盾构法施工的优点

盾构施工技术如今已发展成为我国隧道施工的重要工法。其工法在安全、质量、进度、经济及技术方面都体现出了较大的优势，在穿越不良地层和地面建筑物较多,同时对施工进度和地面沉降控制有严格要求时,盾构法相对其他工法在技术、经济及安全性上更加合理。其主要优点如下：（1）盾构施工是全封闭作业环境，在隧道衬砌拼装完成前盾壳可起到支撑作用，有利于施工人员的安全保障。同时盾构法施工可严格控制地面沉降，确保地面建筑物、交通设施及地下管线的安全不损坏。（2）施工占地少、可减少地面拆迁量，减少投资。除施工竖井外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响[2]，隧道沿线不需要拆迁。（3）盾构施工机械化、自动化程度高，施工速度快，可以节约施工成本，有利于缩短投资效益周期。（4）成型隧道质量高。盾构管片采用工厂化加工，质量可控性强，制作精度高，能够保证工程质量。

3 盾构机选型及改造

3.1 盾构机选型

以岳各庄电力为例，针对穿越大粒径砂卵石地层，采用的盾构机为日本奥村公司生产盾构机，掘进的土层有砂层、黏土层、粉土层、砂卵石层等，盾构机主要参数如下：（1）主机尺寸：外径Φ4130mm×总长10500mm；（2）挖掘装置：中心轴支承辐条式刀盘（液压驱动方式）；（3）加泥搅拌装置：刀盘中心加泥注入设备（带逆止阀装置），刀盘（背面）带搅拌装置；（4）推进设备：油缸式，总推力1200kN×14个=16800kN（各油缸采用选择阀切换控制方式）；（5）管片安装设备：冕状齿轮旋转式（管片起吊、旋转、轴向滑动能力22kN）轴向插入式混凝土管片；（6）螺旋式输送机排土设备：500 型轴式（螺旋直径Φ517mm×螺旋节距330mm）液压驱动方式；排土能力61.9m3/H（挖掘速度V=50mm/min 时挖土量的1.98倍）；（7）挖掘控制方式：土压控制（PLC控制）、体积控制、手动控制均可，装有球面交换型土压计×1组；（8）盾尾密封装置：钢丝刷型盾尾×3道；（9）同步衬背注浆设备：双液混合式注入（带液压式防倒流阀装置）；（10）铰接装置：油缸式，总推力1000kN×10 个=10000kN（铰接角度：左右±2 度、上下±1 度、前提后退量50mm）。

3.2 盾构机改造

3.2.1 扭矩

（1）验算公式：实践发现装备掘削扭矩与盾构直径的相关性极大，通常可用下式表示：

式中：

Te—装备掘削扭矩(kN·m)；

De—盾构外径（m）；

α—扭矩系数。

对土压式而言，α=14kN/m2～23kN/m2；

对泥水式而言，α=9kN/m2～18kN/m2）。

（2）实际经验改造：奥村盾构去掉中间六块辐条支撑铁,同样地层条件去掉支撑铁在相同扭矩下推进速度由60mm/min～80mm/min到100mm/min～120mm/min。

3.2.2 刀盘形式

（1）采用辐条式刀盘。（2）刀盘扭矩：对于本工程盾构机结构外径4.13m，卵石粒径不大于400×600，含沙量25%左右，扭矩不小于6000kN/m。（3）卵石粒径小于400×600 不使用滚刀，卵石粒径大于400×600 宜设置滚刀。（4）要考虑中心局部开口率，此部位开口率易偏小。在需用刀具能布置开及满足刀盘强度的情况下，尽量加大开口率。

3.2.3 刀具改造及布置

（1）大粒径卵石地层刀具破坏特点：①贝型先行刀锛刀现象严重。②硬质合金磨损在一般砂卵石地层是光面磨损在大粒径卵石地层是小米粒状往下掉。③鱼尾刀磨损严重。

（2）刀具改造对策：①加宽贝型刀的厚度，加大硬质合金块的厚度。②同一轨迹布置不同种类的先行刀。③滚刀使用:砂卵石地层优先考虑使用镶嵌硬质合金块的双刃滚刀,适当加大滚刀轨迹的间距。

（3）刀具布置：①特点：先行刀保护切削刀，切削刀保护刀盘结构；同一轨迹同类刀具前进方向超前的先磨损，滞后的在超前刀磨完前几乎不磨损。②使用多种刀具：中心刀、先行刀、切削刀、周边刀、注浆口保护刀；③周边保护刀和中心刀是考虑重点；④同一轨迹同类刀具布置多层，以便增加推进长度；⑤刮刀布置要犬牙交错，不能联排布设。

图2 刀盘正面图

（4）注浆口设置：①每个注浆口有独立的注浆系统；②泥浆注入系统不少于2 个；③中心及最外侧优先考虑设泥浆注入口,磨损最快刀具是中心刀和周边刀,刀具润滑、降温泥浆效果好。

（5）搅拌棒设置：装备在刀盘内侧可以覆盖整个区域的搅拌翼是不对的，牛腿以内部分不应设搅拌棒，只设一个固定搅拌棒。

（6）螺旋机：①有轴：通过粒径小，防涌喷效果好。②无轴：通过粒径大，防涌喷效果差，加工难度大，轴的磨损使用距离长。

4 盾构掘进大粒径砂卵石施工技术措施

盾构掘进大粒径砂卵石施工管理的目标通过土体改良、土压控制等措施避免引起的地面变形过大，影响各专业管线安全运行和结构（建）筑物的不均匀沉降。盾构掘进过程中，除按设计图纸采取加固措施外，在施工过程中加强盾构的施工管理：开挖管理、土体改良管理和注浆管理。

4.1 开挖管理

（1）压力舱的压力：为确保开挖面的稳定，需要适当地维持压力舱压力。推进中使用螺旋式排土器的转数控制、用盾构千斤顶的推进速度控制、两者的组合控制这些方法维持压力舱压力。在盾构掘进过程时，建议压力仓的土压始终控制在有水时大于水压且不低于0.05MPa，无水时不低于0.05MPa。（2）排土量：为了一边保持开挖面的稳定一边顺利地进行推进，需要适量地进行排土，以维持排土量和推进量相平衡。（3）推进速度:根据掘进土质、扭矩、总推力和土仓压力等综合因素确定推进速度，推进速度控制在60mm/min～80mm/min，最大不大于100mm/min。

4.2 土体改良管理

（1）土体改良的目的：①使土体由不能流动变为可流动，且有较好的和易性；②提高土体的抗渗性；③使土体具有一定的润滑性；④降低黏土的黏附力；⑤土体有一定的保水性。（2）土体改良材料：①泡沫：增加土体的和易性、流动性，降低土体的渗水性，降低土体对刀盘的粘付，降低刀盘的扭矩，减少盾构机刀盘及刀具的磨损，因气泡具有压缩性土仓压力变化小，有利于切削面稳定；②膨润土:天然膨润土主要以钙基为主，利用膨润土遇水膨胀的性能，人们常用它做成防水材料；③高分子聚合物:作用同膨润土，和膨润土共同使用时能吸收膨润土泥浆的水。

4.3 注浆管理

盾构掘进中的同步注浆和二次补注浆是盾构施工中的重要工序之一。由于盾构机断面尺寸比管片大，管片脱出机壳后，在管片和地层之间会产生一道环形空隙，为了防止地层变形，采用同步注浆和二次补注浆的方式进行填充[3]。根据本工程的砂卵石地质情况和类似工程的施工经验，初步确定注浆材料为A、B双液浆，液浆（A）为水泥、液浆（B）为浓度Be（25～30）水玻璃液用水进行稀释，两种浆液的配合比为：A:B=10:1～12:1。

5 盾构施工质量控制措施及施工情况

岳各庄220 千伏输变电（电力沟）工程（第五标段），采用Φ 4.13m盾构修建电力隧道，总长1640m。在此工程中笔者通过以往总结的经验，对施工现场进行总体协调组织，使此次盾构日掘进平均25环（进尺30m），最高日掘进55环（进尺66m），实际工期比计划工期提前约30天。质量符合国家电网创优标准，该工程获得国家电网优质工程。在快速连续的盾构掘进施工中，同样也要保证盾构的施工质量。

5.1 盾构机掘进姿态的控制

盾构机的姿态控制，采用的是全自动测量系统，在掘进过程中，实时对盾构机的轴线进行监控，同时将测量数据传输到地面监控室，以便施工生产技术人员时刻掌握盾构机姿态数据，当发现盾构机姿态有偏离轴线的趋势时，应及时分析偏差原因，采取有效的措施调整盾构姿态。在施工过程中测量人员还应每天对成型管片进行复测，以便及时掌握成型隧道的轴线偏差情况。

5.2 地面沉降的控制

当盾构机穿行于地下时，周围土体在盾构机扰动作用下会形成沉降，对地面建筑物及地下管线造成损坏，基于地面沉降所造成的危害，笔者在近几年施工过程中，不断地摸索、尝试、总结经验，现已掌握了一套行之有效的控制地面沉降的方法：（1）土压的控制：盾构掘进土压一般介于主动土压力与被动土压力之间，越接近主动土压时，盾构掘进对周围地层的扰动范围越小。（2）严格控制出土量：盾构每环的掘进长度为1.2m，每环的原状土计算量约为16m3。根据经验，考虑加入的泥浆泡沫及土的膨胀系数1.2，即每环需运输土方量约为19m3。在盾构出土时严格控制出土量，使每环出土量均在控制范围内。（3）加强盾尾同步注浆及二次补注浆控制：同步注浆材料为水泥+改性水玻璃双液浆，浆液凝固时间控制在20s～30s，尽最大可能减少由于浆液凝固时间造成的沉降和浆液损失。根据经验计算出理论注浆量为0.5m³～0.8m³，注浆压力控制在0.3MPa～0.35MPa。同步注浆采用注浆量控制即可满足地面沉降要求。在穿越段，为确保盾尾密封良好，保证同步注浆效果，盾尾密封油脂加入量增加2倍，保证不漏水，不漏浆。为了弥补同步注浆的不足，更好控制后期沉降，对盾构隧道每隔一环进行一次二次补注浆。

通过以上控制措施，在盾构机穿越一级风险居民平房、二级风险现况管线及重要交通道路等风险源施工中，根据监测数据显示，沉降值均小于10mm,符合设计规范要求。