盾构长距离穿越孤石地层掘进控制技术研究

2022-04-20李媛LIYuan

建筑机械化 2022年3期

李媛/LI Yuan

（中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100018）

随着城市轨道交通的迅猛发展，自动化程度高、施工高效安全的盾构法日趋受到现代施工青睐。但盾构施工中同样面临复杂多变的地层，如果不及时采取有效处理措施，势必给施工带来安全隐患和风险。其中最具有代表性的复杂地层情况就是孤石群或基岩侵入隧道开挖面，虽然国内外众多学者已开展理论分析，并在一些盾构隧道中采取了有针对性设备和辅助施工方法进行预处理，但在实际施工过程中仍存在损坏刀盘结构、盾构姿态难以控制等工程危害。

1 工程概况

厦门地铁3 号线洪坑站～林前站盾构区间左线长593.11m，右线长592.45m，区间设置一座联络通道兼作废水泵站，区间隧道采用2 台∅6 450mm 复合式土压盾构施工，管片采用通用楔形管片。该区间隧道设计呈“V”字形，从洪坑站盾构始发后以21.754‰的坡度下行至最低点，之后分别以右线24.11‰、左线24.055‰的坡度下坡到达林前站接收井。

区间隧道按现状地面埋深7.5～18.3m，按规划地面埋深10.25～13.7m。区间隧道主要穿越的地层包括：残积砂质粘性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩、强风化辉绿岩。

2 工程重难点

盾构区间穿越强大度、整体性好、盾构难以破碎的孤石区，导致盾构在行进过程中，受瞬间荷载突增变化，造成刀盘损坏变形（图1）、盾构姿态难以控制、土体扰动引发地表沉降等问题。

图1 刀具磨损照片

3 盾构穿越孤石段掘进控制技术

3.1 洞内孤石判别

1）对盾构掘进参数进行分析，推进速度、刀盘扭矩、推力等参数受土压变化影响不大，而当扭矩波动量在±500kNm 以上，推进速度在30mm/min 波动时，需要及时对所出渣土进行取样分析并结合地质勘探报告，判断刀盘前方是否遇到孤石。

2）盾构正常掘进时，滚刀切割岩石声音一般较均匀，存在较小的其他杂音。当部分刀具损坏滚落至舱内发出异响，或盾壳周边与岩石摩擦发出间断性清脆响声，则要判断是否是孤石磨损刀具所致。

3）当盾构掘进参数出现推力大，但扭矩小、速度小；扭矩大，但速度小；扭矩、速度波动较平常明显，这几种情况时，则可能是孤石导致刀具已部分损坏。

4）盾构在正常低速均匀掘进时，螺旋机排出的石渣一般比较均匀，但当排出大小不一的碎石时，则可能是孤石导致部分刀具损坏。

3.2 盾构穿越孤石段掘进参数控制技术

对洪林盾构区间穿越孤石段区间的刀盘推力、刀盘扭矩、掘进速度、刀盘转速和土仓压力掘进参数进行统计分析。

1）刀盘总推力盾构在孤石段掘进过程中，推力控制难度较大。推力过小盾构无进尺，推力过大容易造成刀盘扭矩大且盾构抖动，可以根据扭矩变化控制刀盘推力。洪林区间刀盘总推力变化趋势曲线如图2 所示，波动范围大多在900～1 400kN，在此范围内总推力设定相对最优。

图2 总推力变化曲线

2）刀盘扭矩刀盘扭矩的变化主要由孤石大小、硬度和嵌入刀盘的方式决定，从洪林区间盾构刀盘扭矩在圆砾地层中的变化趋势曲线（图3）可以看出，刀盘扭矩整体上呈阶段性波动，分布在1 100～1 800kNm 居多，在此范围内刀盘扭矩设定相对最优。同时当发现扭矩过大，可以考虑适当注入一些防喷涌、降扭矩的聚合物，但不能与膨润土同时使用，极宜造成土仓内聚集泥饼。