厦门越海隧道盾构施工若干技术难题及对策

GXF360 2020-07-28

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1 前言

近年来，我国地下空间高速发展，国内诸多城市开展地铁隧道建设，其中盾构施工由于诸多优点被广泛应用于隧道掘进[1-2]。虽然盾构施工更加高效、经济，但遇到特殊地层时也存在诸多施工难题，严重耽误施工工期、增加施工成本，因此针对复杂地层下的盾构施工技术和施工方法一直是学术界和工程界关注的热点[3]。徐凯[4]研究了富水砂卵石地层盾构施工引起的空洞问题，分析了盾构施工过程空洞形成机理，提出了地表压浆的方法来解决空洞环境下盾构施工难题。文涛[5]针对盾构掘进富水圆砾地层下存在的地表沉降、掘进喷涌问题，提出了渣土改良方案，有效解决了该地层下盾构掘进难题。王芳[6]以西安地铁盾构隧道施工为例，对黄土隧道盾构施工风险及对策进行研究。马云新[7]分析了盾构施工过程中地面塌陷引起的原因，认为通过回填或者控制掘进参数可有效避免地面塌陷。杜闯东[8]研究了破碎带与软硬不均等不良地层下盾构掘进技术，分析了不良地层下引起盾构掘进困难的内在原因。石舒[9]对盾构隧道下穿铁路工程风险进行分析并提出对策。

(5)状态5(t3～t4)：在t3时刻，辅助开关Sa1和Sa2关断，因Cr限制了Sa1和Sa2关断时的电压变化速度，所以Sa1和Sa2在关断时处于零电压软关断状态.从t3时刻起，Lr与Cr开始谐振.在t4时刻，当iLr减小至零，uCr增加到极值UA时，本状态结束.

上述研究成果为部分复杂地层下盾构施工提供了很好的参考，但目前研究主要集中于城市地表下盾构施工，而关于越海盾构施工过程中遇到的难题及相应解决措施鲜有报道[10-12]，没有标准参照、没有前车可鉴。本文围绕厦门越海盾构施工，研究了盾构掘进破碎带复杂地层时出现的具体施工难题，分析了造成施工难题的具体原因并提出了相应对策，最终使得盾构顺利掘进，可为后续类似越海盾构施工提供参考。

2 工程概况

2.1 地质情况

该工程主要包括海沧大道站、东渡路站、海-东区间。区间分为盾构段、矿山段两部分，区间总长2 800 m，盾构段长度2 540 m、矿山段长度260 m，其中跨海段海-东区间采用泥水盾构施工，见图1。本区间线路穿越厦门西港海域，海域地形总体上向主航道倾斜，为侵蚀堆积地貌。海沧侧为滩涂潮间带，厦门西港主航道靠近厦门岛侧，宽度260 m，航道西侧链状分布火烧屿、大兔屿、小兔屿、白兔屿等岛礁，线路从大兔屿下穿过，其最高点约40.1 m。线位经过区海床标高-28.9～3.0 m，其中大兔屿与火烧屿之间海床及主航道海床为深凹地形，水深25～33 m。覆盖层主要由人工填土、淤泥、粉质黏土、砂土及残积土等组成；下伏基岩岩性种类较多。海沧侧滩涂区主要为燕山期侵入的花岗岩；厦门侧为侏罗系上统南园组第二段酸性陆相火山碎屑岩建造，岩性多为凝灰熔岩；其间为侏罗系下统梨山组陆相碎屑岩建造夹中酸、酸性火山岩，岩性主要为浅变质的泥岩、粉砂岩、细砂岩、石英砂岩等，局部为黑云母安山岩。覆盖层总厚度0～27.9 m。基岩自西向东依次为花岗岩、浅变质砂岩及泥岩、石英砂岩、凝灰熔岩、花岗岩等。基岩风化界面起伏大，中等风化基岩顶板标高3.75～-73.13 m。根据钻孔及物探资料，线路穿越两条北东向风化凹槽，槽沟深-60～-80 m，宽200～450 m。区间隧道海沧陆域段主要穿越地层为淤泥、残积土、散体状强风化花岗岩。主航道以西海域段主要穿越地层为全风化变质砂岩、强风化变质砂岩、碎裂状强风化变质砂岩；主航道及主航道以东段主要穿越地层为碎裂状强风化石英砂岩、中等风化石英砂岩、中等风化凝灰熔岩及花岗岩等。

图1 盾构施工跨海区域段

2.2 盾构机结构与工作参数

该越海工程所用泥水盾构机开挖直径为7.043 m，整机总长约105 m，额定扭矩5 113 kN·m，脱困扭矩7 158 kN·m，刀盘转速在0～3.75rpm之间，采用复合式刀盘(面板＋辐条)。刀盘上布有不同形式的刀具，包括中心双刃滚刀4把、单刃滚刀39把(正面29把、边缘10把)、正面刮刀38把、周边刮刀12组(6组3连、6组4连，共42把)。刀盘开口率30%，可通过最大粒径岩渣尺寸为29 cm。刀盘面板上焊接耐磨板，周边焊接镶嵌合金耐磨块，以提升刀盘整体耐磨性。

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3 施工难点分析

盾构机在掘进到右线1 522环破碎带区域，里程YDK20＋822.8，盾构推进表现异常，具体表现为以下几个方面。

以上述2个主成分因子为变量绘制载荷图和得分图，详见图5。由图5可知，载荷图结果与初始因子载荷矩阵结果相同，距离原点较远的点为主成分因子1和主成分因子2中权重值较大的成分；由得分图可知，10批药材样品分散在不同区域，表明药材样品质量与地域分布有关。

(1)掘进参数异常

盾构在前期掘进过程中，推力基本维持在21 000～22 000 kN之间，推力变化相对稳定，波动不明显。而在进入该施工问题段后，推力发生明显变化，上下波动显著，最大超过25 000 kN，最小低于20 000 kN，波动区间远大于前期正常推力范畴，表明盾构在推进过程中忽而遭遇强硬地层、忽而遭遇塌陷松散地层，导致推力波动剧烈。

采集该区段的刀盘推进速度，也呈现忽大忽小的变化趋势，振动幅度很大，其最大值达到23 mm/min，均值保持在3 mm/min，波动幅度超过20 mm/min。而刀盘在前期正常推进过程中的掘进速度波动幅度一般不超过5 mm/min。这反映出在该施工异常段刀盘前端地质变化大、软硬不均，地层极有可能存在孤石或者破碎带复杂工况，需进一步开仓或者地质勘查检验。

(2)刀盘易卡死

刀盘在该异常段区域出现多次卡机，导致施工停滞不前。读取该段刀盘扭矩可以发现，该段区域的扭矩幅度也呈现剧烈波动，其最大值超过6 000 kN·m，逼近脱困扭矩，因此该地段容易造成刀盘卡死。开仓后发现，在刀盘开口处存在大量大块岩渣，大块岩渣尺寸普遍超过50 cm，由于岩渣尺寸过大而无法穿过刀盘开口，甚至部分岩渣嵌卡在刀盘开口处，使得刀盘在转动过程中遭受巨大阻力，进而引起刀盘卡死(见图2)。为解决刀盘卡死现象，施工人员多次带压进仓进行大块岩渣清理，严重耽误了施工工期并加大了施工成本。

2.1.1 暴力行为患者常患有被害妄想、夸大妄想、幻视、幻听、兴奋、行为冲动等精神异常症状。部分表现为抑郁，此类患者常在幻觉、妄想等精神障碍的支配下发生突然的冲动行为，导致意外的发生。

图2 刀盘卡死

(3)刀具异常失效加剧

统计该区域施工地段的刀具失效情况可以发现，刀盘上的刀具失效数量显著增加，相比较正常施工情况，刀具损耗量增加2倍以上。其中刮刀以严重磨损为主，而滚刀出现大量异常失效现象，存在刀圈弦磨、刀圈断裂以及刀毂断裂等，见图3。滚刀刀圈弦磨，只在刀圈的一侧单独发生磨损，刀圈其它部分磨损正常，说明在该地层下滚刀破岩过程中无法正常转动；滚刀刀圈断裂，刀圈不发生磨损失效，直接发生脆断，刀圈横截面断裂，表明该刀圈韧性过低，遭遇强冲击载荷后发生脆断；滚刀刀毂断裂，在不均匀、交变载荷作用下刀毂结构失效开裂。

(4)泥浆泵及泥水管道堵塞

该异常区域段掘进过程中频繁出现堵泵和堵管现象。由于此段区域掘进过程中产生大块岩渣，且由于岩渣过多，二次破碎不足，使得岩渣的尺寸普遍超过管道直径，进而堵塞泥水环流系统，严重制约了盾构机排渣性能，多次迫使盾构机停机清渣。

3）任务型教学方法有利于多种能力的培养和提高。教师在同一语言任务中几乎涉及英语学习的各种技能培养，而不是把听、说、读、写几种技能单独拆分开来。在任务完成过程中，学生既要会听，会读，还要会说，会写。另外，任务教学法除了能够提高学生的多种语言技能外，还可以培养学生的自学能力、动手搜寻各种资料的能力、综合各种信息的语言组织能力、对外的表达能力和合作能力等。

图3 刀具异常失效

4 施工难点诱因及相应对策

4.1 施工难点诱因分析

为了分析此次施工故障的原因，对该段施工区间的地层进行补勘，发现该地层下的岩石为石英砂岩，且岩石成叠摞状，单轴抗压强度为90～186 MPa，呈现出局部极硬而多裂隙的破碎带特征，地层断面形貌如图4所示。盾构掘进该种地层滚刀切割岩石过程中，叠摞状岩石容易在其裂隙处脱落掌子面，进而产生大块岩渣。由于存在大量裂隙，刀具切割过程中会时而接触岩石时而空切，使得盾构刀盘的推力忽大忽小，掘进速度忽大忽小，波动幅度显著高于正常掘进工况。由于所产生的岩渣过多，大量岩渣无法通过刀盘开口，堆积在刀盘前端，迫使刀盘上刀具对大块岩渣进行二次破碎，增加了刀具切割负担。当岩渣堆积过大，刀盘易出现卡死。

图4 掘进地层特征

同时，由于滚刀时而切割时而空切以及大量大块碎石岩渣作用，致使滚刀产生剧烈冲击，发生非正常失效，出现“刀碎而石不碎”现象。部分叠摞状的细小岩石或者二次破碎的岩石可以通过刀盘开口，但由于其尺寸依然较大，加大了泥水环流出渣负担，进而频繁出现堵泵和堵管现象。

4.2 施工对策

通过4.1节施工难题诱因分析可知，引起该区域施工故障的主要原因是由叠摞状岩石复杂地层所致，且富含裂隙海水，该地层表现出明显的局部极硬而多裂隙的破碎带特征。解决问题的关键在于改变该种地层的松散特征，避免叠摞状岩石在裂隙处破碎形成大块岩渣，因此考虑采用注浆方式，填补叠摞状岩石之间的裂隙，使得该松散地层粘结为一个较为完整的岩石地层。

为了能有效固定并粘结住叠摞状岩石地层，海域段从海面采用袖阀管进行注浆。海域段砂层袖阀管注浆时先周边实施双液浆约束，再进行水泥浆注浆以保证注浆效果。注浆采用袖阀管注浆工艺，水泥浆单液浆注入(水灰比0.8～1)，孔间距为(0.8×0.8)m，梅花形布置。水深9～15 m，覆土20 m，加固纵向长度91 m，注浆加固范围为隧道顶部以上5 m至叠摞状岩石地层以下0.5 m。注浆完成后，对注浆区域抽芯检测，比例1%，无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。海上总计注浆隧道轴向长度为91 m。

由于该地层区域岩石强度较大，为了减少刀具损耗，对滚刀结构进行了重新设计。新改进的滚刀刀刃宽度由22 mm增加到27 mm；刀圈根部厚度由23 mm增加至27 mm；刀圈刃部厚度由76 mm增加到80 mm，极大提升了滚刀的结构强度。同时为了提升滚刀的抗冲击性能，刀圈硬度由原来的56～58 HRC降低到54～56 HRC。

4.3 改进后掘进效果

通过海上注浆以及刀具重新设计后，盾构正常恢复掘进，刀盘推力恢复至21 000～22 000 kN之间，达到正常掘进水平，且刀盘推力波动幅度较小，远小于未注浆时的刀盘推力波动幅度；刀盘掘进速度维持在2～4 mm/min，其波动幅度也显著降低。说明采用海上注浆工艺后，有效粘结了松散的叠摞状岩石地层。改进后刀具整体以正常磨损失效为主，刀具损耗量下降45%，同时不再出现卡死刀盘以及堵塞环流系统输送现象，盾构基本稳定顺利掘进，验证了海面注浆以及刀具重新设计改造的合理性。右线盾构隧道于2019年1月实现贯通。