盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨

 

研究方法:文章通过广州地铁1个长距离硬岩掘进的工程实例,收集施工过程中相关的数据、出现的问题以及所采取的对策等资料,并对这些信息进行分析。

 

研究结果:根据该工程的施工过程得出盾构机在硬岩中的掘进是可行的,出现的问题能够通过采取相应的措施予以克服。

 

研究结论:由于本段硬岩有极细小裂隙且裂隙多被石英细脉充填,因此盾构能够顺利掘进。可以得出结论:只要裂隙发育,即使岩石单轴抗压强度高,可以通过选用适宜的盾构机型、合理地进行刀盘和刀具配置,完全可以顺利地在硬岩中掘进,而且比其它工法掘进速度更高。关键词:盾构机;长距离硬岩;掘进;探讨

 

 

 

盾构技术已广泛应用于软土地层和复合地层中修建地铁隧道,尤其是广州、深圳的复合地层可能遇到各种土类、岩类及其混合类。若遇到长距离(大于100m)的硬岩,通常采用传统工法即利用矿山法开挖隧道,盾构机拼装管片通过。这是建立在以往在硬岩中成洞速度与工法间的关系的统计基础的结论既连续硬岩段长度将近100m以后,矿山法的成洞速度大于盾构法。本工程的硬岩在招标设计中同样是利用上述结论采用矿山法开挖,盾构机拼装管片。由于工期因素,无法按原定组合工法实施,只能尝试用盾构技术解决长距离硬岩掘进问题。

 

1工程概况

 

1.1工程范围

 

广州轨道交通四号线大学城专线(仑大盾构区间),北起仑头后底岗盾构始发井始发,经仑头村穿越仑头海至官洲岛,到达官洲站,通过官洲站再次始发后经官洲村、官洲河,至大学城吊出井,矿山法施工到大学城站结束。总长为2826.5m,其中盾构法区间隧道为2301.3m,包括7个联络通道、2个废水泵房。其中始发段和仑头海底两段合计共有300多米〈9Z〉微风化混合岩的硬岩段。

 

1.2硬岩段施工招标设计

 

始发段的硬岩在招标设计中考虑到盾构机破硬岩效率可能不及矿山法,所以招标设计的施工工法是按传统工法考虑既以钻爆法开挖,管片拼装通过,来攻克长距离硬岩段的。但工程在实施过程中,由于始发井围护结构地下连续墙入岩较深,而且没有出现地质剖面图中的〈7Z地层〉,完全是岩性较硬的〈9Z〉地层,因此地下连续墙施工进度十分缓慢,工期滞后十分严重,导致钻爆法开挖,管片拼装通过的组合工法难以按原招标设计施工工期目标实施,同时在仑头海底也存在〈9Z〉硬岩段,根据当时进度状况和为顺利快速通过仑头海积累硬岩掘进经验,经过多次方案研讨认为,通过选择耐磨性好的刀具以及加大刀具检查频率和更换刀具频率是有解决长距离硬岩掘进难题的,并同意始发段硬岩段由原来钻爆法开挖,管片拼装通过变更为盾构直接掘进通过。

 

1.3工程地质描述

 

该工程盾构始发后处于直线上,始发线路坡度为27.75‰。从上至下地层依次为〈4-3〉坡积土层、〈5Z-2〉红层硬塑或中密状残积土层、〈6Z〉混合岩全风化带、〈7Z〉混合岩强风化带、〈8Z〉混合岩中等风化带和〈9Z〉混合岩微风化带,具体见《始发阶段地质剖面图》。其中有100多m,隧道洞身完全处于〈9Z〉混合岩微风化带,该套地层岩性为:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒结构,块状构造,裂隙多较发育,岩芯呈短柱状、碎块状为主,部分长柱状,岩石多破碎,敲击声脆。此段〈9Z〉微风化混合岩的硬岩段长度将近200m,根据地质补充勘察资料显示该段天然抗压强度平均值为78.2Mpa,岩样取芯的最大单轴抗压强度达到98.1MPa。盾构隧道结构主要穿越的相关各地层特性描述如下:

 

〈7Z〉层混合岩强风化带:岩性为震旦系混合岩,呈褐黄、褐红及灰白等色,岩石已遭强烈风化,裂隙发育,岩芯多呈土夹碎块状,手捏易碎。

 

〈8Z〉混合岩中等风化带:呈黄色、褐灰、青灰色等,岩石中粗粒结构,块状构造,矿物成分基本未变化,节理裂隙较发育,岩芯较新鲜,多呈碎块状,局部短柱状,裂隙面具褐色风化膜,锤击声较脆,轻击不易碎。

 

〈9Z〉层混合岩微风化带:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒结构,块状构造,裂隙多较发育,岩芯呈短柱状、碎块状为主,部分长柱状,岩石多破碎,敲击声脆。

 

2选用的盾构机及其相关参数

 

针对该工程线路地层分布情况经过综合考虑、比选,选用的是德国海瑞克土Ф6280mm土压平衡盾构机。

 

2.1盾构机构成

 

盾构机由主机及后配套辅助系统构成。主机包括:刀盘、刀盘驱动、壳体、推进系统、人员仓、螺旋输送机、管片安装机。

 

后配套辅助系统包括:出碴系统、碴土改良系统、管片运输系统、同步注浆系统、液压泵站、注脂系统、控制系统、供电系统、压缩空气系统、水系统、通风系统。

 

2.1.1盾构机主要构件相关参数

 

(1)盾构机外径Ф6260mm

 

(2)盾尾内径Ф6060mm

 

(3)盾尾间隙30mm

 

(4)盾构全长11655mm

 

(5)开口率:26%

 

2.1.2刀盘

 

刀盘结构设计为带有进料口的切割式圆盘。其开口率约为26%。带有4条支撑臂的厚壁法兰板支座用来联接主驱动和刀盘。4条支撑臂结构均为厚壁钢管,可以将油液和泡沫剂等液体供到刀盘结构上。刀盘的进料口即进渣通道通道有4个,这4个开口在刀盘的外边缘是进料的主要通道,它们可以将开挖下来的碴土导入到刀盘背后的土仓里。刀盘开口最大宽度是200mm,这就保证了通过刀盘的碴土也可以通过螺旋输送机(螺旋输送机能通过的最大砾石直径为210mm)。

 

在刀盘后部的中心,装有一个旋转接头装置,用来把来源于盾体内的液压油和泡沫剂等液体供给旋转的刀盘。

 

2.1.3刀具布置

 

由于线路在后底岗段的地层分布以〈9Z〉为主,所以刀具选择是破岩石能力强效果好的双刃滚刀和单刃滚刀;用于制造刀盘钢结构的钢材质为16MnR,刚度、强度满足掘进要求。刀具具体布置为:4把双刃滚刀,单刃滚刀31把,边刮刀8把,正面切刀64把,超挖刀1把。详见图2。3掘进过程的数据采集和参数的探讨

 

3.1碴样的采集

 

(1)1环-30环:为7Z号地层,采集3次碴样;

 

(2)31环-47环:为7Z和8Z号混合地层,采集5次碴样;

 

(3)48环-69环:为8Z号混合地层,采集5次碴样;

 

(4)70环-134环:为9Z号地层,采集8次碴样。详见表1。3.2泡沫注入参数

 

(1)1~30环:泡沫浓度2%;注入压力平均为2.0bar;液体流量平均为148L/min;空气流量平均为1960L/min,发泡率为13.2。

 

(2)31~47环:泡沫浓度1.5%;注入压力平均为2.0bar;液体流量平均为140L/min;空气流量平均为1800L/min,发泡率为12.8。

 

(3)48~134环:泡沫浓度1%;注入压力平均为2.0bar;液体流量平均为160L/min;空气流量平均为2100L/min,发泡率为13.1。

 

3.3注浆参数

 

(1)1~30环平均注浆压力1.8bar,平均注浆量为4.7m3。

 

(2)31~47环平均注浆压力1.6bar,平均注浆量为4.9m3。

 

(3)48~134环平均注浆压力1.6bar,平均注浆量为5.0m3。

 

3.4推进泵压力(传感器布置如图3)(1)A组:1~30环平均为42bar,31~60平均为38bar,61~75环平均为40bar,76~98环平均为41bar,99~134环平均为45bar。

 

(2)B组:1~30环平均为70bar,31~60平均为75bar,61~75环平均为77bar,76~98环平均为80bar,99~134环平均为95bar。

 

(3)C组:1~30环平均为80bar,31~60平均为99bar,61~75环平均为111bar,76~98环平均为128bar,99~134环平均为106bar。

 

(4)D组:1~30环平均为65bar,31~60平均为70bar,61~75环平均为86bar,76~98环平均为91bar,99~134环平均为89bar。

 

3.5土仓压力(传感器布置如图4)1#传感器:

 

1~30环平均为0.6bar;31~47环平均为0.3bar;48~134环平均为0.2bar。

 

2#传感器:

 

1~30环平均为0.8bar;31~47环平均为0.3bar;48~134环平均为0.4bar。

 

3#传感器:

 

1~30环平均为0.9bar;31~47环平均为0.3bar;48~134环平均为0.4bar。

 

4#传感器:

 

1~30环平均为0.9bar;31~47环平均为0.6bar;48~134环平均为0.6bar。

 

5#传感器:

 

1~30环平均为0.9bar;31~47环平均为0.6bar;48~134环平均为0.6bar。

 

3.6刀具磨损情况检查及刀具更换

 

在掘进200m期间开仓全面检查刀具2次,分别为:

 

(1)第35环,全部刀具磨损量在5mm以内。无需换刀,继续掘进。

 

(2)第98环,13#、14#、16#、38#单刃滚刀发生偏磨,其余刀具均属于正常磨损,磨损量在15mm~32mm之间,此处进行全部刀具更换。开仓掌子面呈青灰色,滚刀削岩痕迹很明显。

 

3.7几个主要参数关系的探讨

 

整理上述相关数据,归纳为表2:

 

3.7.1不同地质条件下的刀盘转速、掘进速度、推力的关系

 

1环~30环以前为〈7Z〉号岩层,31环~47环为〈7Z〉和〈8Z〉号混合地层,48环~69环为〈8Z〉号地层,70环~134环为〈9Z〉地层。

 

1环~30环平均掘进速度为23mm,平均推力610;t31环~47环平均掘进速度为25mm,平均推力650,t刀盘转速平均为1.6转/min;48环~69环平均掘进速度为28mm,平均推力790,t刀盘转速平均为1.7转/min;70环~134环平均掘进速度为24mm,平均推力900,t刀盘转速平均为1.8转/min。始发时为〈7Z〉号岩层,实际操作时推力略有控制,基本控制在800t以下,掘进速度并不快,在31环~69环为〈7Z〉和〈8Z〉地层,推力增加速度也有所提高,70环~134环,推力增加,但速度有所下降。在〈9Z〉地层中最低速度为18mm/min,此时推力为940t。在硬岩地段适当加快刀盘转速,增加推力情况下才有可能取得较快的掘进速度。硬岩中贯入度太大,将导致滚刀和刮刀同时破岩,引发刮刀造成致命损害,进而影响滚刀破岩能力,最终令盾构机无法正常掘进。

 

3.7.2泡沫注入与刀盘扭矩的关系

 

泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子,降低其吸附性能,从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具、降低刀盘温度等作用。对于软岩和粘性土,合理的泡沫注入尤为重要。在1~30环(岩层为〈7Z〉岩层),泡沫注入量较大,刀盘扭矩平均为2800N·m,刀盘扭矩变化幅度不大;31~60环(岩层为〈7Z〉、〈8Z〉岩层),泡沫注入量有所减少,刀盘扭矩平均为3000N·m;61~134环(岩层为〈9Z〉),泡沫注入量少,刀盘扭矩平均为3200N·m,刀盘扭矩变化幅度较大。从显示的数据及开仓情况看出,泡沫的注入量与地层是相匹配的,在〈7Z〉地层中加大泡沫的用量,在〈8Z〉〈9Z〉地层中降低泡沫的用量,即满足施工的需求,没有形成泥饼,也降低费用。

 

4掘进过程中出现的主要问题及原因分析和采取对策

 

4.1同步注浆管堵塞

 

在掘进初期,同步注浆管堵管频繁发生,除了送浆管路曲折转弯段较多有影响外,主要原因是使用的膨润土为易沉淀和胶结的钙基膨润土,经过试验比选,更换为钠基膨润土,之后堵管问题得到了明显的改善。但因为粉煤灰掺入量不匹配的原因,仍然存在浆液容易离析的现象。经过边掘进边试配,找到了适宜的配比。而通过降低水泥含量来解决堵管是一种不合时宜的方法。管路进行及时的清理工作,也能减少注浆管堵管发生的频率。

 

4.2扭矩过大

 

始发后盾构刀盘切入广三断裂带前后的强风化红层和混合岩,刀盘扭矩比正常值偏大(3500kN·m),主要为岩石强风化带土性较粘,粉粒粘粒含量大,加之刀盘为全断面滚刀的硬岩刀具配置,在7-7z地层中不可能完全实现其破岩机理,直接导致了刀盘的扭矩偏大。后来增加了泡沫的浓度和流量,充分利用其表面活性的作用隔离土粒子,减少了刀盘和面板上粘性土的粘附及土仓内固结压密的可能性,从而有效地将始发阶段的扭矩降低到了3000kN·m以下。

 

4.3管片错台

 

管片错台是发生比较多的一个质量问题,其中有几环管片之间的环缝错台值超过了新规范容许的15mm,发生地段一般呈现4个特点:(1)此处千斤顶推力较大;(2)此处为不同地层的变化区域;(3)此处盾构机姿态都曾有过较为大幅度的调整;(4)注浆压力相反方向不均衡。经过跟踪研究,盾构机姿态和拼装管片姿态不同轴平行,或者说千斤顶推力不均是造成我区间管片错台最多的原因。在后来的掘进中,尽管是在下坡段,由于注意了管片选型与盾构机姿态切合,控制两者的纠偏量,管片错台现象得到了明显的改善。

 

4.4管片渗水

 

主要受到纵缝、环缝展开度过大以及错台导致管片不能面面接触降低了止水条止水范围等等因素的影响。具体来说管片渗漏水主要有以下几个方面的原因:(1)注浆量未能保证饱满的充填率,初凝时间未能保证在含水基岩中及时与围岩成为一体;(2)运输和拼装管片时对止水条的保护不够,存在部分止水条过早脱离管片表面,以及在地面粘贴并不牢固;(3)部分拼装工人管片拼装时管片螺栓拧紧度不够,在脱出盾尾后未能按照要求进行二次复紧,导致接缝张开过大;(4)K管片在拼装前两侧涂没能按照要求抹润滑剂导致部分止水条受到了拉伸变形。管片渗漏水的现象未能得到有效的遏制的根本原因是同步注浆效果不佳,使得管片背后水体长期存在。

 

4.5管片破裂

 

主要受到千斤顶剪切和拼装中的碰撞等因素引起。管片在受到以下几个因素的综合作用会导致了破损和裂缝:(1)拼装后管片环面不够平整,单块管片超前导致千斤顶作用时局部应力集中;(2)螺栓穿入时的打入力量过大导致螺栓孔周边产生裂纹;(3)管片选型未能保持盾尾间隙均匀,盾壳挤压管片,表现为管片内弧面的碎裂;(4)注浆压力不均匀,在地层弹性模量较大情况下管片单边受压;(5)千斤顶油缸回收与拼装机后移因为拼装手不够熟练而不能协调控制,表现为吊装孔周围的辐射状裂纹。

 

4.6管片上浮

 

管片主要表现为通环上浮,也就是环与环之间的错台并不因上浮而明显,主要受到千斤顶推力配置不合理以及浆液初凝时间相对较长等因素的影响。只要浆液不能及时固定管片,管片在这种流体中就必然受到自身重力2倍的上浮力。另外,因为始发段区间线路一直为下坡的原故,为了盾构机载头和纠偏需要,在掘进时下部千斤顶一直高于上部,使得管环长期受到1个向上的径向分力,这也是导致管片上浮的一个重要因素之一。施工单位一般采取压低盾构机掘进姿态的措施来保证管片上浮后不会偏离设计轴线。

 

5过硬岩段的体会

 

本段微风化混合岩9Z地层,虽然岩芯单轴抗压强度高,但由于裂隙发育,裂隙多被石英细脉充填,因此盾构仍然能够顺利掘进,可以得出结论:只要裂隙发育,即使岩石单轴抗压强度高,也是可以利用盾构机掘进的,并比其它工法掘进更高。但硬岩中盾构掘进要考虑以下事项:

 

5.1选择合适的刀具和合理配置

 

5.2选择适合硬岩掘进的掘进参数以及掘进方式

 

(1)以高转速、低扭矩和适当的推力等参数匹配掘进,

 

(2)同步注入泡沫,均匀改良土体和降低土仓温度;

 

(3)采用敞开式模式掘进,以提高纯掘进进尺,但要注意盾构机的震动;

 

(4)必要时要加强对刀具的冷却,勤开仓检查,勤换刀,超过规定磨损量必须换刀;

 

(5)由于较为裂隙发育,因此在仑头海底的养岩段发生十分严重的喷涌现象,清渣耗费了大量的时间,每天只能掘进1环。后采用同步注浆和同步注双液浆对管片背后来水进行封堵,才大为减轻喷涌程度,使盾构机顺利通过了仑头海底的硬岩段。

 

5.3盾构施工中各参数、环节平衡的重要性

 

盾构隧道施工中大多数问题的产生,多是因打破了施工中的平衡所致。土压力、水压力、注浆压力、油温、注脂压力以及推力、扭矩、转速,包括盾构姿态和盾尾间隙的调整等等均要保持在一个合理的范围之内,一旦打破这个平衡,就会出现管片的破裂、渗水、错台等等质量问题。

 

 

 

参考文献:

 

[1]竺维彬,袁敏正.浅论广州地铁对中国盾构技术进步的贡献[C]//2004年中德隧道(盾构)技术研讨会论文集.2004,7.

 

[2]HUANLUISMAGRO,硬岩掘进技术的最新发展[C]//2004年中德隧道(盾构)技术研讨会论文集.2004,7.