市政工程土壓平衡盾構(gòu)施工設(shè)備選型

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摘要：以某跨海隧道盾構(gòu)施工項(xiàng)目為例，根據(jù)項(xiàng)目地層條件，并綜合現(xiàn)場(chǎng)施工要求，如不同地層掘進(jìn)要求、大坡度掘進(jìn)、泥餅清理、沉降檢測(cè)、效率及工期等，在分析盾構(gòu)選型要點(diǎn)及依據(jù)的基礎(chǔ)上，探討項(xiàng)目盾構(gòu)的選型方法。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；設(shè)備選型；土壓平衡

1工程概況

某市政工程跨海盾構(gòu)隧道起訖里程0+000.000—2+750.000，長(zhǎng)2.75km，為城市快速路，主線設(shè)計(jì)速度80km/h，采取雙向6車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。隧道橫穿海底，施工條件錯(cuò)綜復(fù)雜，施工期間伴有較明顯的安全風(fēng)險(xiǎn)，宜選擇與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相適應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)，以提高機(jī)械化作業(yè)水平，保證施工安全。

2工程地層條件及對(duì)盾構(gòu)機(jī)的基本要求

2.1地層條件

（1）地層條件：盾構(gòu)隧道區(qū)間洞身穿越地質(zhì)的具體情況見(jiàn)表1。（2）洞身地層強(qiáng)度：隧道洞身穿越區(qū)域以軟弱地層居多，占比較高的有中粗砂層、砂質(zhì)黏土層，其特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度低，易失穩(wěn)；局部存在鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層。以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件為立足點(diǎn)，結(jié)合工程建設(shè)要求，采取“周邊滾刀＋貝殼刀”的刀具組合方式。刀具以特質(zhì)合金鋼為基礎(chǔ)材料，以提高刀具的耐磨性。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件以及盾構(gòu)期間刀具可能出現(xiàn)大范圍磨損的情況，擬配備軟、硬兩種刀盤(pán)，以提高盾構(gòu)施工的靈活性。

2.2對(duì)盾構(gòu)機(jī)的基本要求

盾構(gòu)機(jī)為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)兼具開(kāi)挖、管片安裝、測(cè)量導(dǎo)向、密封等多重功能。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，在盾構(gòu)機(jī)既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作出優(yōu)化，例如提高刀盤(pán)的強(qiáng)度、提高盾尾刷的密封性、完善土倉(cāng)中部泥漿沖刷系統(tǒng)、對(duì)同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容等，全面豐富盾構(gòu)機(jī)的功能[1]。

2.2.1各地層的掘進(jìn)（1）軟土、砂層的掘進(jìn)。此類地層的穩(wěn)定性不足，地下水含量豐富，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程需要合理控制環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使其維持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步控制切口水壓。（2）鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層的掘進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道施工期間可能遇到4處鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層，其硬度較大，易導(dǎo)致盾構(gòu)刀具磨損。對(duì)此，需提高盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的強(qiáng)度和耐磨性，盡可能減少盾構(gòu)掘進(jìn)期間的換刀頻率，實(shí)現(xiàn)持續(xù)性切削。（3）隧道頂砂層的掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的砂層覆蓋范圍較廣，接收井前約82m的位置出現(xiàn)中粗砂層傾入隧道的情況，為保證盾構(gòu)施工的安全性，應(yīng)對(duì)隧道頂部采取加固措施，在安全的環(huán)境下高效掘進(jìn)。

2.2.2大坡度掘進(jìn)及到達(dá)盾構(gòu)隧道線路的平直性欠佳，包含39.1‰的下坡段和30.9‰的上坡段，為提高盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)能力，需要配置高靈敏度的激光自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，協(xié)調(diào)仿行刀和超挖刀的工作姿態(tài)。下坡段、上坡段的長(zhǎng)度分別為1039m和711m，仿行刀和超挖刀將長(zhǎng)時(shí)間工作，因此需具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。此外，還需提高盾尾密封刷的工作能力，以免持續(xù)偏心受壓的施工條件引發(fā)管片受損等質(zhì)量問(wèn)題。推進(jìn)千斤頂宜設(shè)置在后筒上，升級(jí)同步雙液注漿系統(tǒng)，采取管片固定措施。遇急轉(zhuǎn)彎隧道時(shí)，需保證盾構(gòu)機(jī)具有足夠的糾偏能力，并調(diào)整折中裝置的最大偏轉(zhuǎn)角度。

2.2.3泥餅清理盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)組成中，以砂質(zhì)黏土居多，在此環(huán)境下施工時(shí)易形成“泥餅”，導(dǎo)致土倉(cāng)中部等部位出現(xiàn)泥土板結(jié)現(xiàn)象，盾構(gòu)推力增加，刀盤(pán)扭矩異常，難以順利完成掘進(jìn)作業(yè)[2-3]。而“泥餅”的處理難度較大，易阻礙正常的盾構(gòu)施工進(jìn)程，因此需從日常工作做起，例如提高土倉(cāng)內(nèi)泥漿循環(huán)流量，及時(shí)清理切削所得的黏土，配置高性能的刀盤(pán)高壓水清洗系統(tǒng)。通過(guò)上述措施，從源頭上避免“泥餅”的形成。

2.2.4沉降的檢測(cè)與控制施工現(xiàn)場(chǎng)絕大部分地層偏軟弱，敷設(shè)有跨海光纜等基礎(chǔ)設(shè)施，加大了施工的復(fù)雜度。對(duì)此，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表沉降的檢測(cè)與控制。盾構(gòu)機(jī)需具有高精度檢測(cè)和及時(shí)糾偏的能力，在選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)需兼顧刀盤(pán)的開(kāi)口率、切口水壓的穩(wěn)定性及注漿系統(tǒng)的適用性，較為合適的是配置雙液同步注漿系統(tǒng)，在其支持下快速完成管片壁厚的注漿填充作業(yè)，以免隨施工時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)大范圍沉降現(xiàn)象。

2.2.5盾構(gòu)機(jī)的可靠性、適用性及經(jīng)濟(jì)性要求盾構(gòu)機(jī)所處施工環(huán)境復(fù)雜，其可靠性將直接影響盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量，而盾構(gòu)機(jī)集豐富的精密元器件于一體，因此需保證各元器件具有較強(qiáng)的工作能力，并形成相協(xié)調(diào)的關(guān)系。盾構(gòu)機(jī)的可靠性主要體現(xiàn)在其適用性的層面，即在各類地層條件下均能穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在提升盾構(gòu)機(jī)可靠性的同時(shí)還需要兼顧成本需求，不可出現(xiàn)一味提高可靠性而導(dǎo)致成本投入過(guò)高的局面。

2.2.6盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)效率與工期要求的關(guān)系根據(jù)工期安排，單月掘進(jìn)量應(yīng)達(dá)到180m，工期相對(duì)較緊，加之現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為苛刻，因此必須注重盾構(gòu)機(jī)選型問(wèn)題，保證其具有較強(qiáng)的生產(chǎn)能力，以高效的方式保質(zhì)保量完成掘進(jìn)作業(yè)。

3盾構(gòu)機(jī)選型要點(diǎn)及依據(jù)

3.1選型要點(diǎn)

以現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工環(huán)境、施工質(zhì)量要求為主要依據(jù)，圍繞技術(shù)可行性、適用性、經(jīng)濟(jì)性展開(kāi)對(duì)比分析，保證選擇的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能夠滿足多方面的要求。盾構(gòu)機(jī)選型要點(diǎn)：①在現(xiàn)場(chǎng)各類圍巖條件下均具有適用性；②可滿足工期、質(zhì)量的雙重要求；③具有足夠的可靠性和耐久性，以便維持穩(wěn)定運(yùn)行，減少中途維修或零部件更換的頻率。盾構(gòu)機(jī)的選型是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，需兼顧現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、設(shè)計(jì)線路、隧道長(zhǎng)度、工期要求、突發(fā)情況、成本投入等多方面的內(nèi)容。

3.2選型依據(jù)

以工程特點(diǎn)（地質(zhì)條件、質(zhì)量要求、工期要求、經(jīng)濟(jì)效益要求等）為依據(jù)，細(xì)化盾構(gòu)機(jī)的選型細(xì)則，選型主要需考慮以下依據(jù)：（1）隧道單端掘進(jìn)長(zhǎng)度＞2.75km。（2）地下水位埋深21～60m，外水壓力0.6MPa，最大值0.7MPa。（3）隧道覆土厚度20～46.7m，最大坡度39.1‰。（4）隧道內(nèi)凈空5.4m，管片外徑6.3m，管片厚度0.45m、寬度1.5m。（5）正常工況下單月掘進(jìn)量應(yīng)達(dá)到180m。（6）盾構(gòu)施工期間的特殊地段主要有：強(qiáng)度較高的鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層、易失穩(wěn)的全斷面砂質(zhì)黏土層以及隧道頂砂層。（7）掌子面施工期間，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)維持壓力平衡的狀態(tài)，遇黏土層等穩(wěn)定性欠佳的地層時(shí)，應(yīng)有效加固掌子面。（8）遇含有豐富石英砂的地層時(shí)，鑒于其硬度較大的特點(diǎn)，應(yīng)保證盾構(gòu)刀具滿足耐磨、強(qiáng)度的雙重要求，最大限度降低換刀頻率。（9）部分地層存在鐵質(zhì)和鈣質(zhì)結(jié)核現(xiàn)象，該部分致密性較好且硬度加大，應(yīng)配置高強(qiáng)度刀具。（10）在海水下掘進(jìn)，施工期間盾構(gòu)刀具等相關(guān)結(jié)構(gòu)易受到地下水的腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性下降，要求刀具具有較高的強(qiáng)度和抗腐蝕性能。

3.3最終選型

以盾構(gòu)頭部的結(jié)構(gòu)形式為依據(jù)，可以分為開(kāi)放式和密封式兩類盾構(gòu)機(jī)，各自又可細(xì)分為多種形式。其中，開(kāi)放式盾構(gòu)機(jī)較為常見(jiàn)的類型有人工式、半機(jī)械式、機(jī)械式；密封式盾構(gòu)機(jī)則包含泥水平衡式、土壓平衡式等。各類盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)各異，開(kāi)放式盾構(gòu)機(jī)常用于穩(wěn)定性較好的工作面（不存在氣壓及水壓作用），或是在此基礎(chǔ)上輔以其他手段，例如氣壓法、土體加固等，以達(dá)到提高施工技術(shù)水平的效果，全面確保工作面的穩(wěn)定性。根據(jù)該工程的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，為滿足安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，宜采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（圖1）。盾構(gòu)機(jī)自始發(fā)以來(lái)，已累計(jì)掘進(jìn)近l000m，創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺20m的記錄，設(shè)備整體運(yùn)行狀況良好。結(jié)合工程應(yīng)用情況，驗(yàn)證了設(shè)備各系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)項(xiàng)目工程地質(zhì)有良好的適應(yīng)性，滿足設(shè)計(jì)施工需求。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，市政工程建設(shè)經(jīng)常涉及到盾構(gòu)施工作業(yè)，但由于施工環(huán)境較為復(fù)雜，需配置與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相適應(yīng)的高性能盾構(gòu)機(jī)。以工程實(shí)例為背景，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況作為立足點(diǎn)，提出盾構(gòu)施工設(shè)備的選型方法，希望作為類似工程的參考，發(fā)揮出盾構(gòu)機(jī)在市政工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

［1］劉允剛，景德洲，潘冰春，等.復(fù)雜地質(zhì)條件盾構(gòu)設(shè)備選型及關(guān)鍵參數(shù)選擇［J］.施工技術(shù)，2013（S2）：220-222.

［2］王全華.富水含砂軟土地層軌道交通盾構(gòu)選型及施工效果［J］.都市快軌交通，2017（5）：78-82.

［3］楊雪芳，倪鴻斌，王濤，等.淤泥軟土地質(zhì)土壓盾構(gòu)的選型與技術(shù)應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2019（8）：69-72.

作者：李友良 單位：中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司