长距离硬岩地层盾构施工关键技术探讨王观林 （中铁十六局集团有限公司，北京 100018） 摘 要：城际铁路作为城市轨道的一种，具有运量大、速度快、安全准点、保护环境、节约能源和用地等特点，给市民提供了另一种更方便、更快捷的出行“时空隧道”，不但极大地缓解了城市交通的压力，还给人们带来一种穿越时空的全新感觉。而长距离硬岩地层盾构掘进是城际铁路施工中的关键技术，其是否能高效、科学地应用对施工质量有很大影响作用。文章就长距离硬岩地层盾构施工关键技术的应用策略，进行了相应研究。 关键词：长距离；硬岩地层；盾构法；施工策略 盾构法是长距离硬岩地层隧道施工中的关键技术，为了明确阐述盾构法在长距离硬岩地层施工中的应用策略，文章以莞惠城际6B标盾构隧道施工项目为例，详细分析盾构法在隧道施工中的应用情况。该盾构隧道全长2.93km，隧道拱顶埋深约为10.5～37m。采用德国海瑞克∮8.83m土压平衡盾构机施工，掘进区域主要以全风化、强风化、弱风化混合片麻岩为主，土质不均匀，饱和状态下受扰动后，极易软化变形，强度、承载力骤减，工程地质条件较差，易产生坍塌。该隧道区间全断面硬岩地层长1332.3m,占隧道全长的45.5%；上软下硬地层长1279.7，占隧道全长43.7%；软土地层319m，占隧道全长10.8%。区间内距离隧道中线35m范围内房屋共计567栋，在隧道正上方的建筑共计167栋，地表建构筑物覆盖率97.8%，安全风险极高。该盾构隧道地质条件十分复杂，对盾构机刀具与刀盘、盾构机掘进参数有很高的要求，选择恰当的刀具、刀盘及合理的掘进参数，有助于提高盾构机的施工效率。 1 恰当选择盾构机1.1 盾构机的主要构成 盾构机的主要构成为主机与相关配套设备，其中主机涵盖有刀盘与其驱动系统、推进系统、管片拼装机、控制室、螺旋输送机、盾体，而相关配套设备涵盖有水循环、通风设备、连续皮带输送、压缩空气、供电、液压、控制、管片输送、同步注浆、出渣、渣土改良等系统。该项目中，选用的盾构机的长度共计88m，刀盘的开挖尺寸是8830mm，刀盘开口口径为240mm，刀盘开口率为38%。 1.2 刀盘 该盾构隧道施工中选用的刀盘原料基本为铸钢，结构形式为焊接式板面结构，刀盘上安装各种类型的标准刀座，借助中心铸有钢件的扭力臂式法兰盘将主驱动与刀盘连接在一起，以便有效传递扭矩与推力，从而确保正方向与反方向的旋转切割方式具有同样的效果。通常情况下，刀盘的开口槽是顺着刀盘十字线延伸的开口槽，具有长条扇形孔，一般有8个孔。刀盘钢板和开口槽壁板呈现出八字后扩张状态，以方便泥土可顺利进入土仓内部，以优化长距离硬岩地层盾构施工中的掘进效率，最大的开口槽开口宽度为240毫米。依照该隧道的硬岩特点，在刀盘极易出现磨损的位置焊接了一系列耐磨的网格状合金颗粒，并且在刀盘周边设计了具有很高耐磨性的合金环，目的是增加刀盘的使用寿命与耐磨性，以显著优化掘进效率。 1.3 刀具 依照刀盘各个区域的实际特点和每一种刀具对土层的作用，将其和隧道施工中地质的具体情况相结合，确定刀具布置方案为：在刀盘的中央位置设计了双刃滚刀4把、单刃滚刀31把、边缘滚刀14把、中心刮刀26把，边缘刮刀16把，其中刀盘比滚刀板面低175mm，刮刀比齿刀的刀盘板面低大约140mm。因为刮刀比滚刀的板面低35cm所以在掘进的过程中可较好地保护刮刀不会严重磨损而破坏。在实际掘进中，滚刀借助滚压的形式来切割岩石，刮刀破开与松动开挖面，而周边的刮刀就可对隧道圆周的开挖情况进行有效的矫正，以确保项目掘进可完全符合施工合同规定的标准，最终优化施工效率。 2 盾构掘进2.1 合理控制掘进参数 要想在硬岩中高效施工，就应确保盾构机具有足够大的推力。但是，在施工中硬岩对刀具的磨损十分严重，所以应严格控制掘进系数，从而为在长距离硬岩地层中应用盾构技术完成施工任务创造有利条件。通常情况下，控制掘进参数的有效方法主要有以下几种： （1）盾构机进入岩层时，当正面岩石层处于较稳定状态时，可考虑采用半土压平衡模式；当正面岩层处于稳定状态时，可考虑采用开式掘进。这两种模式，不仅可以减小盾构磨损，刀盘动力消耗，还可以加快掘进速度，缩短工期。工作模式的选用根据地质情况变化调整。 （2）调整盾构掘进施工参数和加强对盾构机姿态控制：盾构由软土层进入全断面岩层时，推进状态即由土压平衡状态向半土压平衡状态过渡，设定的土压力值根据实际情况降低，调整同步注浆量和注浆压力、调整各区域油压差，改变千斤顶的合力位置，放慢推进速度；盾构由全断面岩石层进入软土层，推进状态由半土压状态向土压平衡状态过渡，这时，需根据土压平衡原理设定土压力值，以确保开挖面稳定。同时调整注浆量及注浆压力，提高盾构与隧道轴线的相对坡度，调整各区域油压差以改变千斤顶合力位置，同时加快推进速度；在上软下硬的地层掘进过程中，姿态控制较难，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降；故采取如下措施，保证施工安全：在盾构掘进过程中应严格控制土仓压力和出土量，保持开挖面稳定；在盾构掘进过程中向土仓内及时注入足量的诸如膨润土等稳定开挖面的添加剂；根据具体情况调节刀盘推力，严格控制刀具切入量，减小刀具在岩层交界面碰撞强度；降低刀盘转速，防止软硬界面处刀具的崩裂。 （3）为了优化掘进效果，盾构机司机应提高刀盘的旋转速度，可将其转速设计为2.5～3.6r·min，尽可能减小刀盘力矩。 （4）在具体掘进中，盾构司机应合理控制掘进速度，尽量减小刀具的受损程度，一般将掘进速度控制在20mm·min。并且盾构司机可依照具体的掘进参数恰当调整掘进时的速度，以确保高效掘进。 2.2 掘进的有效控制策略 长距离硬岩地层盾构施工中控制掘进的主要方法有： （1）硬岩具有较差的流塑性，添加膨润土、泡沫等添加剂具有隔水、降低扭矩、增加开挖面稳定和确保土压平衡的优点，加入后的土体具有和易性好、最大部位，带宽2m，带的两侧上下层钢筋之间设置Ф6mm钢丝网，网格尺寸为35×35mm，两端分别绑扎在上下层钢筋上，将带内混凝土与带外的分隔开；②底板混凝土设计强度为C30，带内混凝土设计强度为C35，CSA掺量为12%（等量替换水泥）。带内的比带外的强度提高5Mpa是为提高膨胀加强带的抗拉强度、膨胀率，避免开裂；③原材料计量，派人驻守混凝土泵站监督膨胀剂和水的计量。膨胀剂的掺量影响到防水效果，水加量过大不仅影响混凝土的抗渗性能，而且会造成混凝土的水化热及收缩加大、强度下降；④为确保膨胀剂效能的充分发挥，混凝土浇注后采取覆膜保温、保湿养护措施进行充分的养护。 3.4 设置变形缝 （1）变形缝的概念。建构筑物导致开裂和破坏的多发原因在于外界影响及其他因素的作用。变形缝是针对这种情况而预留的构造缝。 （2）设置变形缝的原因。本工程综合池和深床滤池都有工艺渠道连接，水池构筑物在工艺渠道接口部位与外部箱涵有对接，在外界因素作用下常会产生变形。 中图分类号：U455.43 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）01-0067-02 |
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