各類風化巖層中盾構施工技術與設備研究

1、. 用心專注，服務專業(yè)摘要本文根據(jù)深圳水庫流域污水截排工程盾構的成功施工實踐，介紹了在各類風化巖層中薄覆土層、強透水條件下進行盾構施工的技術，通過對舊盾構機刀盤系統(tǒng)等的改造，確保了盾構施工的成功。 關鍵詞風化巖薄覆土層強透水空倉無壓氣壓平衡盾構復合刀盤 盾構法施工無需開挖、對周圍環(huán)境影響較小，目前在眾多工程中得到廣泛應用，諸如地鐵、隧道、城市排水、水氣油輸送管道程等等。但以往盾構工程的地質條件相對比較單一，而在各類風化巖層相互交錯、薄覆土層、強透水條件下的工程施工比較罕見。本文結合深圳水庫工程的成功實例，介紹了一種在各類風化巖層中盾構的施工方法，對今后同類工程具有一定的參考價值。 1工程概況及

2、難點分析 深圳水庫流域污水截排工程是確保深圳水庫水質對水庫流域內污染源進行綜合整治的項目工程見圖1。盾構法施工段總長1363.72m，隧道內徑4000mm、最大軸線坡度5.94、最小覆土僅5.94m、最小曲率半徑320m，隧道襯砌為鋼筋砼襯砌，襯砌厚度250mm、襯砌寬度1000mm、襯砌強度為C50、S8。 圖1深圳水庫流域污水截排工程示意圖 隧道沿線水陸交替，穿越深圳水庫梧桐山河口階地、沙灣河等微地貌單元，地層分布錯綜復雜且多變，滲透系數(shù)在10-310-2之間。盾構穿越斷面主要地層有：全微風化細粒花崗巖（最高強度達120MPa以上）、全微風化長石石英砂巖、粉（砂）質粘土（N2245）、卵石

3、層（粒徑最大300mm，含粒率約80）、斷裂帶（7處）等，總體地質條件十分復雜，盾構施工難度很大，主要地層工況如圖2所示。 圖2地層工況 工程難點分析如下。 1）由于地質條件復雜且深圳水庫是供深港居民的飲用水，其水質不允許有嚴重污染發(fā)生，因此盾構施工時要保證環(huán)境不受污染。 2）盾構覆土厚度較小，且多為卵石層和流動性淤泥，容易造成漏氣、噴發(fā)、上浮、坍方等，對盾構掘進控制十分不利。 3）沿線地表水豐富，且各類地層透水性強、斷裂帶存在承壓水，在盾構掘進時易造成管涌、流砂、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。 4）盾構開挖面土體復雜多變、軟硬不均，對盾構掘進施工造成很大困難，刀具更換困難，同時對盾構機設備提出更高的要求。 2

4、盾構機改造 針對本工程地層復雜特點，對原日本進口的土壓平衡盾構機進行局部改造： 2.1刀盤設計 針對隧道通過地層情況錯綜復雜，我們采取了面板式結構刀盤，刀盤面板開口率3035%，混合型布刀。用于巖石地層掘進用的盤狀滾刀刀盤共布置19把17盤狀滾刀，先導刀和標準面刀主要在軟土層中起掘進作用。盤狀滾刀都能從盾構土倉內進行拆裝，此功能滿足了兩方面的需要：一是滾刀磨損后能安全地在土倉內更換滾刀，二是盾構機在軟土掘進時，拆除部分滾刀以提高刀盤面進土的開口率，防止刀盤開口堵塞。大刀盤開口部分用可拆裝隔柵將開口尺寸控制在300mm范圍，以阻止在卵石層掘進時，大粒徑卵石進入土倉。 刀盤中心裝有回轉接頭其中一路

5、水管、一路泥管，用于向刀盤面板注水或注泥，以潤滑刀盤面和進行超前注漿，注泥管最高壓力為2MPa。 2.2螺旋輸送機 螺旋輸送機采用螺桿式，螺距為250mm，為防止水土噴發(fā)造成安全事故，在出泥口采用兩道液壓閘口。 2.3土倉供氣系統(tǒng)設計 由于隧道施工區(qū)間段地下水豐富，采用氣壓平衡掘進工藝，在盾構機土倉胸板上設置兩處氣閥，一處水閥。 3全斷面硬巖段掘進施工 盾構出洞后有100m全斷面微風化細?；◢弾r段，巖石強度60120MPa，存有一定裂隙水，可保證刀盤正面支撐穩(wěn)定，采用空倉無壓掘進。在空倉掘進過程中必須保證土倉處于無壓狀態(tài)，同時防止螺旋機出土時土倉產(chǎn)生類真空狀態(tài)而引起坍方，采取上部氣閥打開進氣、

6、下部水閥打開排水措施。 在全斷面巖層中掘進每把滾刀一定要保持完好，如果其中一把滾刀損壞勢必影響其它滾刀壽命，必須及時調換。特別要注意外邊滾刀損壞情況，一旦外邊刀對稱二把損壞一把，掘進速度要放慢，如果二把均損壞，極容易發(fā)生巖層卡住盾構機外殼的現(xiàn)象。 在無壓掘進中若正面滲水較大，勢必大量水排出，螺栓機出口處出現(xiàn)噴水造成無法出土情況可采取管片后部壓漿孔和下部水閥放水，使正面滲水量減少，保持正常出土。 4氣壓平衡盾構掘進施工 針對其它工況，盾構穿越斷面土層均不能形成有效的支撐面，且壓縮性低、透水性強，不可能采用空倉無壓掘進，也不能建立有效的土壓平衡，因此采用氣壓平衡工藝施工。即土倉內充入一定壓力的氣體

7、，使其對盾構機頭部正面四周暴露部分土體形成反作用力達到基本平衡支撐，同時對地下水形成反壓力，降低地下水向土倉內滲透速度，空氣與水土在土倉內混合，提高土倉內物質的可壓縮性，利于刀盤進土，降低刀盤扭矩和頂進推力，見圖3。 圖3氣壓平衡工藝示意圖 為防止在氣壓平衡掘進時倉內氣體外泄，使氣壓降低和不穩(wěn)定，造成坍方等不良后果，采取以下相應措施。 1）防止盾構螺旋機漏氣的措施盾構機土倉內土體須高于螺旋機進土口，保持在土倉1/3以上；出土速度嚴格控制，保證螺旋機內形成密實土塞；必要時關閉螺旋機出口液壓閘門。 2）針對盾構掘進通過土層不同采取防止盾構機外部漏氣的相應措施：盾構機頭部超前注水泥漿；盾尾后管片處跟

8、蹤注漿；地面化學注漿、水上高壓旋噴樁注漿加固形成殼體。具體注漿形式根據(jù)不同地質條件進行組合。 在掘進過程中嚴格控制盾構推力和掘進速度，兩者要相互協(xié)調一致，同時根據(jù)實際地層情況使用千斤頂組合，以防止產(chǎn)生局部超挖，進而造成塌方現(xiàn)象。 5刀具更換措施 由于隧道經(jīng)過的全斷面巖層較多且強度大，最大達120MPa以上，同時在掘進過程中刀具不可避免地產(chǎn)生不均勻受力，造成刀具磨損嚴重和大量崩裂，因此需要經(jīng)常性更換刀具，具體采取如下措施有： 1）全斷面硬巖采用盾構機頭部超前注漿，壓力大于0.5MPa為水頭壓力5倍，以填充巖層裂隙。 2）上軟下硬巖層、卵石層斷面除采用上述措施外同時進行地面加固處理。 3）空倉無壓

9、條件下進行刀具更換。 4）更換刀具（滾刀）一把一把更換，其它部位先行封住。 5）在1）、2）項完成后、刀具更換前采用加壓減壓措施進行破壞性試驗，確保不坍方后進行刀具更換。 6小結 通過深圳水庫截污工程盾構隧道施工，證明盾構機的改造和采用的相應施工技術是成功的，但仍有值得總結的經(jīng)驗和需改進的不足。 1）在盾構施工開工前和施工過程中一定要將地質預報工作時刻放在優(yōu)先考慮的位置，準確而詳細的地質資料數(shù)據(jù)對于工程的順利實施是至關重要的，在局部范圍內施工進展慢，且發(fā)生了多次坍方的根本原因恰恰是由于忽視了這一點而造成的。 2）盾構施工采取何種工藝一定要與相應地層情況相適應，根據(jù)不同地層情況及時調整和更換工藝、措施，做到有的放矢。 3）在硬巖中進行盾構掘進，盾構刀盤的轉速、推進頂力、推進進尺必須相互協(xié)調，否則極易造成盾構機械的損傷，其中刀盤轉速是影響推進進尺的關鍵，要提高掘進速度必須增加刀盤轉速。 4）氣壓平衡掘進技術的關鍵在于對氣壓的控制，要及時根據(jù)掘進的實際情況（推力、倉內土壓、進尺等）控制，若采取全自動化控制氣壓穩(wěn)定和變化，效果將更加理想。 5）也存在一些不十分令人滿意的地方，諸如復合刀盤刀具的布置和開口形狀不規(guī)范，還存在進土死角，在硬巖施工中由于滾刀量較多效果較好，但在進入軟土中雖然拆除了部分滾刀，但由于滾刀的影響其它刀具布置受到影響，且拆除滾刀的空