周書(shū)宇 趙現(xiàn)偉

摘 要：針對(duì)廣州地鐵為代表的復(fù)合地層，分析了盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中常見(jiàn)的刀盤(pán)刀具磨損、姿態(tài)難控制、結(jié)泥餅和噴涌等施工風(fēng)險(xiǎn)，并提出了相對(duì)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；復(fù)合地層；姿態(tài)控制；應(yīng)對(duì)措施

Abstract：in view of the composite strata represented by Guangzhou metro，the construction risks such as tool wear，attitude difficult control，mud cake and gushing are analyzed in the composite stratum，and relative measures are given.

Key words：shield construction；composite strata；attitude control；Countermeasures

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的大力發(fā)展，城市交通擁擠等問(wèn)題也逐漸成為各城市要解決的首要問(wèn)題。而城市地鐵作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通形式，迅速成為許多大城市解決交通問(wèn)題的首要選擇[1-2]。據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)信息2018年第1期公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示：截至2017年12月31日，中國(guó)內(nèi)地累計(jì)有34個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線(xiàn)路5032.7公里；2017 年新增石家莊、珠海、貴陽(yáng)、廈門(mén)4個(gè)運(yùn)營(yíng)城市；新增33條運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路，868.9 公里運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路長(zhǎng)度。新增線(xiàn)路再創(chuàng)歷史新高，比2016 年新增線(xiàn)路534.8 公里增加334.1 公里，增幅達(dá)62.5%。而在地鐵施工中盾構(gòu)法由于對(duì)環(huán)境影響小，不受地形、地貌、江河水域等條件限制，以及施工安全、快速等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-4]成為眾多工程的最佳施工方法。在盾構(gòu)施工中涉及復(fù)合巖層開(kāi)挖面的工程案例有很多，例如四川成都的地鐵 1 號(hào)線(xiàn)，重慶銅鑼山隧道，長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線(xiàn)，廣深港獅子洋隧道，廣州地鐵隧道工程等，故地鐵盾構(gòu)施工中會(huì)不可避免的面臨復(fù)合地層的掘進(jìn)問(wèn)題。

1、施工風(fēng)險(xiǎn)

在許多工程開(kāi)挖斷面范圍或開(kāi)挖延伸方向上，由2種或2種以上不同地層組成，且這些巖層的物理力學(xué)、地質(zhì)狀態(tài)等特征相差懸殊，這種地層組合可稱(chēng)為復(fù)合地層[5]。其中以廣州地鐵隧道為代表，開(kāi)挖面多為復(fù)合地層。而復(fù)合地層中縱斷面上地質(zhì)情況變化較大，且存在斷層、溶洞、等大量不良地質(zhì)體，在此地層中掘進(jìn)存在許多風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為刀盤(pán)磨損嚴(yán)重，姿態(tài)控制困難，開(kāi)挖面失穩(wěn)、噴涌、結(jié)泥餅等風(fēng)險(xiǎn)事件，嚴(yán)重時(shí)還造成卡機(jī)現(xiàn)象，不僅會(huì)造成工期延誤，成本增加，還會(huì)對(duì)施工安全造成嚴(yán)重威脅。

（1）磨損問(wèn)題

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，由于復(fù)合地層中多出現(xiàn)軟硬復(fù)合的復(fù)合地層，在這種地層種，滾刀荷載、扭矩變化幅度大頻率高，導(dǎo)致刀盤(pán)受力不均，引起刀盤(pán)振動(dòng)，造成滾刀磨損增加，特別是滾刀的異常磨損增加。

（2）姿態(tài)控制問(wèn)題

在復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)切削工作面上部軟弱地層易進(jìn)入密閉倉(cāng)，下部較硬巖層不易破碎。盾構(gòu)機(jī)的豎向姿態(tài)容易向軟弱地層偏移，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)不易控制，機(jī)頭定向困難，刀盤(pán)卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）泥餅問(wèn)題

復(fù)合地層中粘土顆粒含量普遍較高，為了保證軟土層的穩(wěn)定性，倉(cāng)內(nèi)土壓需要保持較高。同時(shí)，由于下部堅(jiān)硬的巖石部分掘進(jìn)較慢，倉(cāng)內(nèi)土體由于摩擦作用溫度上升，致使刀盤(pán)易產(chǎn)生泥餅現(xiàn)象。

（4）噴涌問(wèn)題

如泥餅問(wèn)題一樣軟土層需倉(cāng)內(nèi)保持較高土壓，硬巖部分掘進(jìn)困難，在大透水性的復(fù)合地層中易出現(xiàn)噴涌問(wèn)題。

2、應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中施工常見(jiàn)刀具磨損、姿態(tài)難控制困難、結(jié)泥餅、噴涌等施工風(fēng)險(xiǎn)，參考廣州復(fù)合地層中地鐵盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn) [5-8]，從盾構(gòu)選型、刀具選擇、信息監(jiān)測(cè)與反饋等方面提出應(yīng)對(duì)措施。

（1）盾構(gòu)選型

盾構(gòu)機(jī)的選型主要根據(jù)工程地質(zhì)條件選擇，但同時(shí)還要考慮工期條件、造價(jià)、環(huán)境、設(shè)計(jì)路線(xiàn)和基地條件等綜合因素。在復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)的選擇既要滿(mǎn)足硬巖掘進(jìn)和又要滿(mǎn)足軟土開(kāi)挖功能，故要采用復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)。同時(shí)針對(duì)具體工程條件還要進(jìn)行垂直注漿加固、地表沖孔、洞內(nèi)爆破開(kāi)挖處理、地表垂直爆破及洞內(nèi)水平鉆孔切割等輔助工法進(jìn)行處理。

（2）刀具選擇

在復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)應(yīng)選用復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)，刀具的設(shè)計(jì)應(yīng)既能滿(mǎn)足軟土地層又能適應(yīng)硬巖地層，同時(shí)要能夠滿(mǎn)足刀具更換、修理的方便及時(shí)。對(duì)刀具應(yīng)“勤檢查、勤更換”。

（3）信息監(jiān)測(cè)與反饋

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層中掘進(jìn)施工，應(yīng)加強(qiáng)掘進(jìn)信息監(jiān)測(cè)和地層沉降監(jiān)測(cè)工作，并及時(shí)作出信息反饋。

1.盾構(gòu)機(jī)司機(jī)和值班工程師應(yīng)根據(jù)油缸推力、驅(qū)動(dòng)速度、系統(tǒng)溫度等參數(shù)判斷地層的軟硬度。

2.在硬、硬不均勻地層中，盾構(gòu)機(jī)司機(jī)應(yīng)仔細(xì)觀察盾構(gòu)機(jī)的振動(dòng)并聽(tīng)刀具掘進(jìn)的聲音，根據(jù)振動(dòng)和聲音及時(shí)調(diào)整刀盤(pán)的推力和速度，并刀盤(pán)扭矩的變化。

3.值班工程師應(yīng)注意觀察土渣的顏色、形狀和溫度，以確定殘?jiān)耐临|(zhì)，根據(jù)信息選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)。

3、結(jié)語(yǔ)

在復(fù)合地層施工中應(yīng)選擇選擇合適的盾構(gòu)、選用相應(yīng)的滾刀配置和刀具組合及進(jìn)行科學(xué)的施工控制管理。本文針對(duì)廣州地區(qū)復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)存在的刀具磨損、姿態(tài)難控制困難、結(jié)泥餅和噴涌等施工風(fēng)險(xiǎn)，在盾構(gòu)選型、刀具選擇、信息監(jiān)測(cè)與反饋等方面提出應(yīng)對(duì)措施，為盾構(gòu)隧道建設(shè)在復(fù)合地層中盾構(gòu)施工提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[5]劉學(xué)偉，魏萊，雷廣峰，劉泉聲.復(fù)合地層TBM雙滾刀破巖過(guò)程數(shù)值流形模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40（06）：1225-1234

（作者單位：河南大學(xué)土木建筑學(xué)院）