南昌地鐵2號線隧道施工難點及盾構(gòu)適應性分析
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馮歡歡1,2，陳 饋2
（1．中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471000;2．盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）
[摘要]根據(jù)南昌地鐵2號線一期工程2標段隧道工程特點，針對盾構(gòu)施工過程近距離側(cè)穿公路橋、下穿地表多種管線、穿越上軟下硬復合地層及富水砂層等工程難點及可能出現(xiàn)的風險，從刀盤刀具配置、姿態(tài)控制技術(shù)、掘進參數(shù)優(yōu)化設計、同步注漿系統(tǒng)、自動導向系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)等方面進行適應性分析和針對性設計，有效確保了所選盾構(gòu)能夠較好地適應現(xiàn)有工程特點。
[關(guān)鍵詞]地下工程；地鐵；隧道；盾構(gòu)；施工技術(shù)
[中圖分類號] U455.3 [文章編號]1002-8498(2016)09-0098-04
1 工程概況
南昌市軌道交通2號線一期工程2標段位于南昌市紅谷灘新區(qū)，沿南北方向設置，起訖止里程為ZDK23+747. 300-ZDK27+246. 501。根據(jù)設計要求，本標段區(qū)間隧道采用3臺直徑為6. 25m復合式土壓平衡盾構(gòu)進行施工。
1.1 區(qū)間線路特點
該標段主要包含“3站3區(qū)間”，分別為國體中心站、嶺北三路站、前湖大道站、國體中心站一臥龍山站區(qū)間、臥龍山站一嶺北三路站區(qū)間、嶺北三路站一前湖大道站區(qū)間，各區(qū)間線路特點如表1所示。
1.2 工程地質(zhì)及水文條件
1)地形地貌 擬建工程基本呈南北走向，位于紅谷灘豐和南大道下方，屬贛江一級侵蝕沖積階地，地形開闊有起伏，地面標高19. 130~ 25. 320m。
2)工程地質(zhì)本標段沿線巖土層的分布，自上而下可劃分為人工填土層①2（以填砂為主，混夾碎石、少量卵石，層厚0. 70~15. 20m，平均5.44m）、粉質(zhì)黏土層②1（局部為軟塑或硬塑狀態(tài)）、淤泥質(zhì)黏土層②2（含少量有機質(zhì)、腐殖質(zhì)，偶夾薄層粉細砂，層厚0. 60~8.70m，平均2.98m）、細砂層②3（局部松散狀態(tài)，石英質(zhì)，混10%~30%黏性土）、中砂層②4（呈飽和、稍密狀態(tài)，石英質(zhì)，混10%~20%黏性土，分選性較差）、粗砂②5（局部中密狀態(tài)，石英質(zhì)，混1 0%~20%黏性土）、礫砂②6（顆粒成分多為石英，含粉粒、黏粒5%~20%）、圓礫②7（顆粒成分多為石英，含粉粒、黏粒5%~25%）、粉質(zhì)砂巖層⑤1（巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖，局部為泥巖或砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖礦物顯著風化）。
3)水文地質(zhì)地下水主要以潛水為主，局部存在基巖裂隙水。潛水水位在地下2~4m，裂隙承壓水位在11~17m，徑流性弱，補給性較差。
1.3工程重難點分析
本標段盾構(gòu)施工的重難點主要體現(xiàn)為以下幾個方面。
1)近距離側(cè)穿公路橋 ①本標段國體中心站一臥龍山站區(qū)間近距離穿越生米立交基礎橋樁，橋樁為直徑1m鉆孔灌注樁，樁長31m，樁底進入中風化泥巖，樁性質(zhì)為端承樁。隧道結(jié)構(gòu)與樁身最小凈距為2. 56m;②臥龍山站一嶺北三路站區(qū)間近距離穿越豐和南大道4號橋基礎橋樁，橋樁為直徑1m旋噴樁，樁長23. 7m，樁底進入中風化泥質(zhì)粉砂巖，樁性質(zhì)為摩擦樁。隧道結(jié)構(gòu)與樁身最小凈距為2. 67m；③嶺北三路站一前湖大道站區(qū)間近距離穿越豐和南大道3號橋，橋基礎距離隧道頂約11. 96m。
盾構(gòu)近距離穿越橋樁過程中存在公路橋結(jié)構(gòu)不均勻沉降而造成無法正常使用的風險。
2)下穿地表多種管線 該區(qū)間隧道下穿DN600污水管（混凝土，YCK26+641. 55）、DN1 000
雨水管（混凝土，YCK26+670. 265）、DN600雨水管（混凝土，YCK26+765. 355）、DN200煤氣管(PE，YCK27 +208. 04)。盾構(gòu)在此區(qū)段掘進過程中，容易引起地面不均勻沉降、路面塌陷而造成管線損壞等風險。
3)上軟下硬復合地層 本標段隧道洞身上部穿越黏土、砂層，下部穿越中風化泥砂巖，且此區(qū)段巖面起伏，于隧道洞身范圍內(nèi)形成“上軟下硬”。盾構(gòu)在此區(qū)段掘進過程中存在刀具易損壞且換刀風險較大，以及掘進姿態(tài)難以控制、掘進困難等風險。
4)富水砂層透水性強 本標段盾構(gòu)區(qū)間部分地段隧道洞身及洞頂范圍分布砂層，且砂層富水，透水性強，盾構(gòu)掘進過程中容易產(chǎn)生噴涌、刀具磨損快、換刀風險大等風險。
2盾構(gòu)設計概況
所選盾構(gòu)由主機、連接橋和5節(jié)臺車組成，總體外形尺寸：直徑6 250mm，長80m。主機分為刀盤、前盾、中盾、盾尾、皮帶機、拖車、液壓系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)，壓縮空氣系統(tǒng)組成。主機外形尺寸：盾體總長8m，前體、中體、盾尾的直徑分別為6 250,6 240，6 230mm。
1)刀盤設計 刀盤直徑6 250mm，裝刀開挖直徑6 280mm，其主要結(jié)構(gòu)特征：①刀盤開口率為37%；②刀盤表面設有5個注射口，可以注射泡沫添加劑。在刀盤連接板中心區(qū)域增加1個泡沫注入口，增加刀盤中心內(nèi)黏性土的流動性，在掘進時可以有效防止刀盤中心泥餅的產(chǎn)生，每個泡沫注射口裝有注射口保護刀；③刀盤使用的材質(zhì)為Q345C；④刀盤背部焊有4個攪拌棒；⑤刀盤周邊焊有耐磨條，刀盤的面板焊有格柵狀的Hardox耐磨材料，充分保證刀盤在硬巖掘進時的耐磨性能。
2)刀具配置 ①刀盤設計可安裝38把滾刀，共38個刀刃；②刀盤設計弧形刮刀32把，切刀52把，外緣保護刀6把；③刀盤上使用的刀具距面板高度為滾刀175mm、切刀140mm。
3)主要動力配置 ①刀盤主驅(qū)動采用液壓驅(qū)動形式，共有8個液壓馬達，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)功率945kW，提供工作扭矩5 000kN.m，脫困扭矩6 000kN. m;②推進油缸由32個組成，沿盾殼圓周分4個區(qū)，頂部3對油缸1組、左側(cè)4對油缸一組、右側(cè)4對油缸一組、底部5對油缸一組。通過調(diào)整每組油缸的不同推進壓力和速度來對盾構(gòu)進行糾偏和調(diào)向。推進系統(tǒng)功率90kW，其可提供最大推力為42 575kN；③螺旋輸送機直徑820mm，功率200kW，可提供220kN -m的最大扭矩，轉(zhuǎn)速為0～21 r/min無級調(diào)速，最大出渣能力可達380m3／h。
3 盾構(gòu)適應性分析及針對性設計
3.1 近距離側(cè)穿公路橋及下穿管線
1)同步注漿系統(tǒng) 盾構(gòu)采用同步注漿系統(tǒng)，可以使管片外面的間隙及時得到充填，有效保證隧道的施工質(zhì)量及防止地面沉降。盾構(gòu)配有4臺液壓驅(qū)動系統(tǒng)的注漿泵，通過盾尾的注漿管道將砂漿注入開挖直徑和管片外徑之間的環(huán)形空腔。注漿壓力及流量可連續(xù)調(diào)整，并通過注漿同步監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測其壓力變化。單個注漿點的注入量和注漿壓力信息可以在主控制室看到。在數(shù)據(jù)采集和顯示程序的幫助下，隨時可以儲存和檢索砂漿注入的操作數(shù)據(jù)。
2)自動導向系統(tǒng) 盾構(gòu)安裝了一套自動導向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Χ軜?gòu)在掘進中的各種姿態(tài)以及盾構(gòu)的路線和位置關(guān)系進行精確測量和顯示。操作人員可以及時根據(jù)導向系統(tǒng)提供的信息，快速、實時地對盾構(gòu)的掘進方向及姿態(tài)進行調(diào)整，進而有效保證盾構(gòu)掘進方向。該系統(tǒng)具體組成如下：①自動全站儀 Leica TCA1202-S型自動全站儀具有更穩(wěn)定操作系統(tǒng)、更出色的自動測量功能，更廣闊的工作溫度；②壁掛式工業(yè)計算機 工業(yè)觸摸式壁掛計算機，高分辨率顯示，高耐磨屏，更低能耗，更高穩(wěn)定性；③設計的R型和B型控制箱控制箱可以進行穩(wěn)定的無限通信，并且內(nèi)置電池可給全站儀持續(xù)供電達10d;④盾構(gòu)姿態(tài)自動測量軟件 適用于DS2000盾構(gòu)自動導向系統(tǒng)。
3)渣土改良系統(tǒng) 刀盤面板上共有6個泡沫出入口，包括在刀盤內(nèi)部的中心設置1個泡沫入口，各注入口為獨立管路，一旦堵塞能夠及時發(fā)現(xiàn)，可以通過中心旋轉(zhuǎn)體接通高壓油路進行疏通。土倉周邊設有4個膨潤土注入孔，可以添加膨潤土或加水。添加材料既可以通過中隔板注入土倉內(nèi)，也可以通過布置在刀盤面上的泡沫孔直接注入開挖面。通過調(diào)整這些添加材料的注入，可以達到很好的渣土改良效果，從而增加渣土的流動性，有效防止渣土固結(jié)成團形成泥餅。盾構(gòu)配有2套渣土改良系統(tǒng)：泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)。兩者各用1套輸送管路，能夠高效完成盾構(gòu)在土層、殘積土層及全風化帶掘進過程中的渣土改良工作，有效防止“泥餅”形成。①泡沫系統(tǒng)盾構(gòu)配有4套泡沫發(fā)生系統(tǒng)，用于對渣土進行改良。泡沫系統(tǒng)主要由泡沫泵、高壓水泵、電磁流量閥、泡沫發(fā)生器、壓力傳感器、管路組成。在盾構(gòu)采用半敞開模式掘進的過程中，泡沫系統(tǒng)不僅可以改良渣土，而且可以通過泡沫及氣壓平衡掌子面水壓，從而阻擋掌子面來水，起到穩(wěn)定掌子面的作用；②膨潤土系統(tǒng) 在確定不使用泡沫劑的情況下，關(guān)閉泡沫輸送管道，同時將膨潤土輸送管道打開，通過輸送泵將膨潤土壓入刀盤、土倉和螺旋輸送機內(nèi)，達到改良渣土的目的。根據(jù)實際需要，可以在膨潤土箱內(nèi)裝入泥漿注入土倉內(nèi)。
4)超前注漿系統(tǒng) 在中部盾殼圓周上設有12個預留管道供超前鉆機鉆孔及注漿用。根據(jù)地質(zhì)情況和需要，可在管片安裝機頭部安裝超前鉆機，對盾構(gòu)前方進行鉆孔和注漿作業(yè)，加固地層。
3.2 上軟下硬地層掘進適應性
1)刀盤刀具 刀盤的周邊有耐磨條，刀盤的面板焊有格柵的H ardox耐磨材料，刀盤周邊設有24把保護刀，充分保證刀盤在泥巖或石英含量較高的沙層中掘進時的耐磨性能，充分適應掌子面軟硬不均對刀盤造成的局部偏磨。刀盤上的滾刀刀座和齒刀刀座相同，安裝方式也相同。這樣的設計可以滿足滾刀和齒刀的互換性要求。滾刀高出面板175mm，切刀及刀盤保護刀高出面板135mm，滾刀與切刀相差40mm充分保證了滾刀先破巖、刮刀切削軟土的效果。135mm的高出量能夠使刀盤面板前的渣土順利進入刀盤內(nèi)，提高開挖效率（見圖1）。
盾構(gòu)的單刃滾刀刀具可以開挖200MPa以下的各種巖石，遠高于本項目巖石的最高強度，滿足在上軟下硬地層的正常掘進，且刀盤的刀具可根據(jù)具體地層進行組合，刀盤的前面及后面設置泡沫注入口，在硬巖掘進時可以注入適量的泡沫、水或膨潤土，以降低刀盤的扭矩、減小刀盤、刀具的磨損和提高出渣效率。
2)姿態(tài)控制適應性 盾構(gòu)掘進過程中上軟下硬導致刀盤受力不均而導致姿態(tài)不易控制，對此盾構(gòu)具有以下適應性：推進系統(tǒng)的油缸在圓周方向分為4組，每組可以單獨調(diào)整其推進速度而改變盾構(gòu)的掘進方向；盾構(gòu)的中盾和盾尾為鉸接連接，這樣可以減小盾構(gòu)的長徑比，從而使盾構(gòu)的姿態(tài)容易改變。盾構(gòu)采用自動導向系統(tǒng)，盾構(gòu)的姿態(tài)可以隨時反映在操作室內(nèi)，從而可以對盾構(gòu)的姿態(tài)隨時進行靈活調(diào)整，保證盾構(gòu)在上軟下硬等軟硬不均地段保持正確的姿態(tài)。
3)帶壓換刀裝置 盾構(gòu)掘進過程中上軟下硬地層極易造成刀具損壞，本標段隧道上部開挖地層多位于黏土層、砂層。常壓換刀容易造成塌方，為了降低換刀風險，本盾構(gòu)中設置帶壓換刀裝置，以有效確保盾構(gòu)停機換刀期間的地面安全。
3.3 富水砂層掘進適應性
1)配置齒刀 刀盤上設有軟土及軟巖開挖的切刀及刮刀，滿足中砂層地質(zhì)條件下的掘進要求，而且滾刀可以更換為齒刀（見圖2），滿足砂層的開挖。
2)完備的土壓控制功能 盾構(gòu)在土倉壓力隔板的不同高度位置安裝5個土壓傳感器（底部左右各1個，中部左右各1個，頂部1個）可以對土倉內(nèi)不同位置的土壓隨時進行監(jiān)控；螺旋輸送機的出土速度實現(xiàn)無級變速，容易精確控制出土量。盾構(gòu)在土壓平衡模式下掘進時有嚴格的土倉壓力管理規(guī)定，通過控制系統(tǒng)可以對土倉壓力、掘進速度、螺旋輸送機出渣速度、泡沫等填加材料的注入量及參數(shù)進行全自動或手動控制，確保在掘進過程中能達到良好的動態(tài)壓力平衡效果。
3)掘進參數(shù)設計選擇合理的掘進參數(shù)，以減少盾構(gòu)掘進對砂層的擾動而引起地表過量沉降。在本地層施工時，盾構(gòu)的推力≤15 000kN，扭矩≤3 000kN.m，刀盤轉(zhuǎn)速1.2~1.8r/min，根據(jù)渣樣的變化和刀盤扭矩的變化調(diào)整泡沫的參數(shù)和注入量，保證渣土的改良，盾構(gòu)的出土量必須與掘進速度相匹配。
4)嚴控注漿量 嚴格監(jiān)控同步注漿的質(zhì)量，保證同步注漿的質(zhì)量和數(shù)量，每環(huán)≥6m3漿液，控制注漿壓力≤0. 4MPa，必要時利用1號拖車前的二次注漿系統(tǒng)，進行二次補注雙液漿。保證同步注漿質(zhì)量縮短漿液膠凝時間，減少地層應力損失，以控制地表沉降。
5)預防噴涌 盾構(gòu)在螺旋機上安裝4個450mm球閥，可以通過這幾個球閥向螺旋機內(nèi)添加聚合物，在螺旋機內(nèi)形成“土塞”，使渣土得到改良，且控制好螺旋機后閘門開度，以防止噴涌。盾構(gòu)上還裝有膨潤土系統(tǒng)，它是獨立的管路控制，通過在場地上發(fā)酵的膨潤土，通過電瓶車運入隧道轉(zhuǎn)入罐內(nèi)，通過該系統(tǒng)控制注入土倉與渣土相攪拌，形成“泥膜”，進行渣土改良，防止水噴。設置好泡沫參數(shù)，在連接橋調(diào)試泡沫質(zhì)量，通過泡沫發(fā)生器打出來的泡沫形成“鋸齒狀”能夠黏附于管片上，再打進土倉，通過氣泡膜能夠?qū)λ纬梢欢ㄗ枇�，防止噴涌�?
4 結(jié)語
該區(qū)間內(nèi)隧道洞身穿越黏土地層時易造成刀盤和土倉結(jié)泥餅，要充分考慮渣土流動性問題，進一步加強渣土改良；另外，要高度重視盾構(gòu)推進油缸的分區(qū)控制，以避免盾構(gòu)叩頭，引起地表不均勻沉降。基于盾構(gòu)適應性分析結(jié)果可知，所選復合式土壓平衡盾構(gòu)性能優(yōu)越。由盾構(gòu)工程施工情況來看，通過采取相應的措施后，基本能夠適應該工程特點。同時，為進一步降低盾構(gòu)施工風險，提出如下建議。
1)采用滾刀與撕裂刀可互換型刀箱，刀盤盤面適當增加貝殼刀，適當減小滾刀啟動扭矩，并進一步完善刀具磨損檢測措施。
2)穿越軟弱砂層和上部不能自穩(wěn)的上軟下硬地層時，采用土壓平衡模式掘進，并采用優(yōu)質(zhì)泡沫和膨潤土泥漿進行渣土改良，以避免結(jié)泥餅和噴涌。
3)在松散的軟弱地層施工時，要合理進行推進油缸分區(qū)控制以避免盾構(gòu)叩頭。
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