复合地层的大直径盾构机穿越施工工艺

2022-04-22徐海鹏

中华建设 2022年4期

徐海鹏

在盾构施工的过程中，经常会遇到孤石地层、软硬不均地层和完整基岩地层，受不用地层盾构施工差异性的影响，在盾构机制造与选型时，对复合地层的特殊性进行全面的考虑，在盾构掘进施工时要采取具有较强实效性的方法。本文全面地分析了大直径复合地层盾构施工的特征，深入地研究了大直径盾构机穿越施工的各项施工技术，为今后同类型工程施工夯实了基础。

一、工程概况

该盾构隧道沿线以滨海冲积平原地貌为主，在人工修整以后，地形变得比较平整，施工区域主要位于塘沽市区内，地表上既有建筑物比较多。在碱厂和解放路区域内分别设置了反向曲线，碱厂盾构段的曲线直径设置为1200m和900m，解放路盾构段曲线直径设置为3200m和2000m。盾构段隧道的最大和最小覆土约为16m和8m，隧道的最小纵坡设置为1‰，最大纵坡设置为20‰。

二、工程地质情况

隧道穿越的土层岩性以细砂、粉砂、粉土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土和粘土为主，淤泥质土的主要类型为③71层、④71层和③81层，④71以层状的形式存在，其强度比较低，但是灵敏度比较高，容易出现扰动和蠕动的情况，工程性质比较差。1923年开始开发利用地下水资源，查阅历史水准点资料以后发现，在地下水不断开发的情况下，地面随之出现了不同程度的沉降。伴随着改革开放速度的不断加快，地下水开发量也逐年增加，使得地面出现了不同程度的沉降，其具体情况为：1950至1957年间沉降速率约为10mm/a左右；1958至1966年间沉降速率约为40mm/a左右，沉降中心也随之慢慢的形成；1967至1985年间沉降速率约为85mm/a左右，该时间范围之内沉降量骤然增加；1986年以后，开始治理沉降，大多数地区的沉降问题得到了基本的控制。

三、复合地层的大直径盾构机穿越施工技术

1.过程施工控制技术

在穿越时，采取循环施工的办法，具体施工情况详见下图1。

图1 穿越过程控制流程图

2.改造盾构设备

（1）选择刀盘形式和改造开口率

掘进速度受刀盘形状和开孔率的直接影响，在复合地层施工的过程中，有时会遇到砂石地层，所以会使用到辐条板刀盘。将滚刀安装在刀头前端，撕刀与滚刀刀座交换，圆盘表面上均匀的分布着刀头开口，在砂砾石地层和泥岩中起到较好的挖掘效果。在挖掘砂石地层以前，要先改造刀盘开口，将具有开口尺寸的限流板安装在刀盘四周，并将格栅设置在刀盘位置处，将单盘给四周地层造成的干扰降到最低，使地面沉降问题得到较好的管控。

（2）选型与布置刀具

复合地层的刀具和刀盘磨损会比较严重，加之地下水位比较高，掌子面会出现失衡的情况，在更换刀具时，易于出现倒塌的情况。所以，要将加强型侧刮刀、刮刀和滚刀安装在刀盘上。挖掘施工区域的上部易于出现复合地层，在施工的过程中，可以使用抗冲击光滑宽刃的工具来完成施工。使用增强型球齿滚刀来充当中前单刃滚刀。穿透使刀具的工作效率和使用寿命得到保证，使复合地层中刀换刀和刀具磨损的风险降到最低。将仿形超挖刀配置齐全，仿形超挖刀在底部完成加长处理，使盾构姿态得到积极的改善。在最外层的轨迹滚刀受到磨损以后，仿形刀能够发挥积极的作用，使施工距离得到有效的延长。

（3）土改造仓加水系统

大直径盾构挖掘施工的挖掘面非常大，在复合地层挖掘施工时，要采取措施做好保压掘进施工，所以要将渣土改良工作放在核心位置上。在该地层中施工的过程中，为防止出现泥饼和改善淤泥时，最经济有效的方法就是加水。①使用膨润土泵改良土仓壁上部的注水孔；②在清洗泵，使用的主要设备为台车灌浆系统，并与刀盘紧紧的连接在一起，使杆实现被动的搅拌；③连接注水时，将刀盘中心面和中心清洗泵的三个注水孔连接好。在采取一系列的改造措施以后，与土仓实现紧密的连接，使得土仓中的水始终保持着注满的状态，使泥饼无法形成。

3.软硬不均地层盾构施工

（1）施工难点

①刀具磨损异常严重。在施工过程中，软硬不均地层滚刀偏磨的情况时有发生，在软弱地层中盾构滚刀施工，受贯入度的影响，地层中提供的反力比较小，地层与滚刀之间存在的摩擦力使得刀具滚动存在着很大的困难。基岩地层的天然抗压强度比较高，刀具切割地层的反作用力会产生摩擦力，带动刀具实现快速转动。刀具在地层中施工时，软弱层滚刀转动比较慢，地层应土面磨损严重。如果软弱地层中石英含量比较多，刀具局部会出现磨损偏差的情况；刀具在软弱地层磨损比较小时，会在基岩地层中找到比较薄弱的弦磨损，刀具磨损速度比较快。

②地层下硬上软，盾构切割基岩非常困难，软弱地层挖掘施工比较容易，盾构机刀盘与掌子面无法全断面靠近，使得掌子面稳定性比较差，会给四周地层造成活动的情况。掌子面地层变化比较大，开挖面稳定性很差；基岩中完整的岩块会随着刀盘来回转动，使得上部软弱地层出现松动的情况，使地层的移动速度持续增加。

（2）采取的措施

①水泥处理设备和盾构机设备要采取综合措施进行处理，将地层软弱不均造成的损失降到最低。该施工技术的主要施工范围为监测刀具转动和磨损情况、平衡开挖面的水土压力、不断提升刀具与刀盘的地层适应性。

②隧道顶部地层的物理力学性能被彻底的改善，将注浆孔预留在盾构机上，采取洞内注浆的办法，使隧道四周地层变得更加坚固，采取科学有效的加固措施，使得盾构挖掘施工作业区域顶部的塌方和脱落问题得到高效的管控，顶部地层处于稳定的状态，盾构施工结束以后，采取二次注浆的方法使其达到密实的效果。

③实时监控盾构机各项掘进参数，尤其是进浆量和排浆量，掘进施工速度与进浆量和排浆量保持一致。在检测循环泥浆密度时，使用射线密度计和差压式密度计完成自动检测。在判断盾构开挖量时，要采取观测进浆管泥浆比重和出浆管泥浆比重的方法。当盾构掘进速度比较慢、泥浆比重差非常明显时，表明盾构掘进施工出现了异常，掘进施工时，顶部出现了塌方的情况，使得大量的渣土灌入到了土仓中，随着排浆系统排出掉了。然而在实际施工的过程中，排浆管带出的土石并不是盾构挖掘施工挖掘出的土石，而是顶部塌方的土石，盾构机掘进施工受到了影响。

④与正常施工进行比较，非正常施工的表现为以盾构始发后正常掘进施工参数为基础，对比相关数据以后，发现盾构掘进施工参数出现了明显的异常，此时要积极采取有效措施解决问题，将施工损失降到最低。