摘要：本文筆者結合工程實例,介紹其設計和施工要點、土壓平衡盾構技術、盾構隧道管片襯砌結構的截面內力計算、盾構刀具與欠壓推進處理技術等。
　　關鍵詞：地鐵工程，隧道施工，砂卵石地層，盾構法
　　1引言
　　砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層,在無水狀態下,顆粒之間點對點傳力,地層反應靈敏,刀盤旋轉切削時,刀盤與卵石層接觸壓力不等,導致刀頭震動,在頂進力作用下易產生坍塌,引起圍巖擾動和地層變形。當圍巖中的礫卵石越多、粒徑越大時,擾動就越大;當隧道頂部大塊卵石剝落時,極易引起上覆地層的突然沉陷。
　　2工程概況
　　廣州市軌道交通三號線北延段施工區間2標盾構工程位于廣州市白云山東側，線路從春蘭花園（南方醫院站南端）向南沿廣州大道北路行進，區間中部穿越梅賓街私人住宅樓群，到達怡新花園大門（梅花園站北端）；區間起止里程為Y（Z）DK-3-725.600～Y（Z）DK-2-544.300，右線隧道全長1181.3m，隧道埋深約20～26m，最大縱坡6‰。
　　3砂卵石地層盾構施工難點
　　3.1隧道開挖面穩定性控制問題
　　在砂卵石地層未受擾動情況下,土層顆粒倚靠直角的摩擦咬合作用維持區域土體穩定,盾構在砂卵石地層掘進過程中若開挖面壓力不足,或大塊卵石并排排出時,或螺旋輸送機的排土量大于刀盤切削土量,在刀盤前上方會產生較大的空洞區域,卵石或礫石將相繼松動,快速在開挖面上方引起較大的塌落區,繼而使得上覆砂性土和粘性土層產生的松動范圍加大,在隧道上方土層較薄處將引起較大的地表沉降。如果上覆土體的抗剪強度較低,還會引起空區上方土體突然冒落,產生砂卵石地層盾構隧道開挖面失穩現象。
　　3.2盾構機密封艙土壓平衡問題
　　盾構機密封艙內建立土壓平衡比較困難,甚至實現不了土壓平衡的功能,因為,砂卵石地層易坍塌,不易保持開挖面的穩定;大粒徑砂卵石不但切削或破碎難,而且切削下來的碴土經螺旋輸送機向外排出也十分困難。砂卵石處于密封艙內,螺旋輸送機內以及盾構周圍,對盾構機的擾動,振動很大,不利于掘進參數的調整,包括推進千斤頂的壓力,螺旋輸送機的轉速及排土門的開度,盾構機位置及姿態控制等。因此,砂卵石地層中盾構掘進時,須采用理想的添加材料,有效地解決切削土體的塑流化問題。
　　4砂卵石地層盾構施工技術
　　4.1土壓平衡技術
　　(1)土壓平衡工作原理
　　用于本區間的兩臺盾構機均由德國海瑞克公司生產，并由西門子的S7-PLC自動控制系統控制,配備了機電一體化的液壓驅動系統,同步注漿設備,泡沫設備,膨潤土設備及SLS-T璐直激光導向設備,可在地面監控室對盾構機的掘進進行實時監控。配套設備有龍門吊、電瓶機車、攪拌站、注漿泵、冷卻塔、隧道風機、電焊機、空壓機等。開挖土倉由刀盤、切口環、隔板及螺旋輸送機組成。土壓平衡盾構就是將刀盤開挖下來的土砂填滿土倉室,在切削刀盤后面及隔板之間裝有能使土倉室內土砂強制混合的攪拌臂。借助盾構推進液壓缸的推力通過隔板進行加壓,產生泥土壓,這一壓力作用于整個作業面使其穩定。刀盤切削下來的土渣量與螺旋輸送機向外輸送量相平衡,維持土倉內壓力穩定在預定的范圍內。土倉內的土壓力通過土壓傳感器測量,為保證一定的土壓力,可通過控制推進力、推進速度、螺旋輸送機轉速來控制。當土倉內的土壓力大于地層土和水壓力時,地表將會隆起;當土倉內的土壓力小于地層土和水的壓力時,地表將會沉陷;因此土倉內的土壓力應與地層的土壓力和水壓力相平衡。
　　(2)土壓平衡盾構模擬
　　為了深入分析盾構隧道施工引起的地層位移場、應力場及地表變形情況,建立了三維數值模型進行分析(見圖1)。
　　                                            
　　                                                               圖1雙線盾構計算模型
　　通過模擬分析發現,盾構開挖推進時,周圍土體位移具有明顯的三維特征。在縱向方向上,盾構開挖面前方隆起,盾構開挖面后方沉降,在盾尾沉降速率加大,在盾尾后方約20m后沉降值趨于穩定。橫向方向,土體沉降形成沉降槽,沉降槽寬度從開挖面向后逐漸增大,在盾尾處趨于穩定。盾構開挖面后,隧道拱頂至地表及其擴散影響區域豎向位移方向均向下,其橫截面沉降曲線近似反向正態曲線,中心處地表沉降值最大,兩邊隨距離增大逐漸減小;隨著盾構開挖推進,開挖面后方地表豎向位移變化趨勢不會受到影響,盾尾后方斷面橫向擴展變緩;在底拱及其向外擴散影響區區域豎向位移方向向上,即底土體隆起,底拱中心處隆起量與中心地表處沉降量相當(圖2~圖5)。
　　                  
　　　　                               圖3盾構開挖面及盾構機身斷面地表土體豎向位移曲線
　　
　　                              
　　
　　4.2盾構刀具改進
　　(1)刀具選材及結構形式
　　在砂卵石地層中,刀具的磨損形勢主要包括石英砂對刀具產生的磨耗磨損和卵石對刀具的撞擊損傷。因此,在這種地質條件下進行盾構施工,就對刀具的硬度、耐磨性有了更高的要求。
　　在那個區間將兩臺盾構機的刀具全部進行了更換,采用碳化鎢合金替代硬質鈦合金鋼做為刀頭,即在刀口部分及切削土砂(卵石)沿刀具向后流動所經過的刀具表面,嵌入硬度高達3000HV的碳化鎢合金。S294盾構機的8組鏟刀(邊緣刀),每一組上都有7~8塊整體合金塊。整體合金塊在砂卵石地層鏟切土體時,極易大塊碎裂、整體脫落。因此,要求海瑞克公司對這種鏟刀進行了改進。新刀具上改進后的合金塊,則是用大量直徑2、3mm的合金顆粒堆積而成。由于合金顆粒塊在受到卵石撞擊時,只是在撞擊部位可能造成合金顆粒小部分脫落,不易斷裂,延長了刀具的使用壽，所以與整體合金塊相比,更適合用于廣州地鐵北延段盾構施工,命。
　　(2)刀具在刀盤上的分布改進刀具的同時,設計出了一種超前刀(先行刀)切削土體的方式。從學~花區間用過的廢舊切削刀(齒刀)中,挑選部分焊接刀盤上,(S206,21把;S294,12把)突出標準切削刀20mm,起到了超前刀(先行刀)的作用。刀具切削土體時,超前刀與切削刀組合協同工作(見圖7)。超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體,將土體切割分塊,為切削刀創造良好的切削條件。
　                                   　            
　　                                                                 圖7切削刀與標準刀協同切削土體示意
　　采用超前刀后,刀具切削土體的流動性顯著增加,大大降低切削刀的扭矩,提高了刀具切削效率。同時,由于超前刀比切削刀高出20cm,只有當超前刀的高度磨損大于20mm后,切削刀才直接切削土體,從而有效的保護了這些標準刀具,延長了刀具的磨損長度,大大提高了刀具整體抗磨損(耗)能力。
　　4.3泡沫技術應用
　　(1)泡沫技術原理
　　盾構機在砂卵石地層中掘進時,僅僅通過加水或膨潤土液往往不能有效改善土體的流塑性,
　　致刀盤扭矩增大,螺旋機出土不暢,掌子面失穩。泡沫注入一方面能夠改善土體的流動性及透
　　性,達到穩定掌子面的效果;另一方面細密的泡沫布刀盤周圍和土體之間,大大降低了扭矩,有效保了刀具。通過泡沫技術的應用(見圖8),盾構在個區間砂卵石地層中掘進時,推進速度、刀盤扭矩地面沉降均得到良好改善。
　　                           
　　(2)泡沫加注參數
　　①S206的膨脹率(FER)值在1∶10~1∶15之間,注入比(FIR)值在15%~20%。
　　②S294由于較S206油脂注入系統缺少2個點位,漏漿現象相對出現較多。通過增大FER值,減少盾尾周圍氣體壓力,緩解漏漿,故FER值一般取在1∶6~1∶8之間;FIR值也因刀盤主驅動較小比S206要大,一般取在20%~30%。實際應用中,根據刀盤扭矩的變化和出土情況,不斷優化FER、FIR等泡沫注入系統的參數,合理調整泡沫劑用量。
　　4.4密封油脂配方
　　盾構機在穿越砂層的過程時,因受承壓水的作用,出現盾尾漏漿、漏水的情況,使用目前國際上公認密封效果最好的國外某品牌油脂,也不能解決問題,嚴重地制約了施工進度。通過對漏漿及油脂使用情況的調查,結合以往廣州地鐵盾構施工的經驗,經過研究分析,得出結論,此種地質條件要采用泵送性好、粘度高、坍落度大以及流動性好的盾尾密封油脂。鑒于此種情況,要求國內生產廠家針對這種地質條件更改配方,提高油脂的粘度和坍落度。新型油脂經使用表明,其泵送性及流動性均良好,盾尾漏漿的情況得到明顯的好轉,施工立即轉入正常。
　　4.5欠壓推進技術
　　當盾構機在通過隧道上方沒有重要建筑物結構,即在對控制地表沉降要求不是很高的地段,采用欠壓推進技術,既有效地保護了刀盤、刀具,又加快了施工進度。欠壓推進工作原理:由于土倉外正面土體的穩定通過推力、推進速度和出土速度3個參數控制,而刀盤、刀具的損耗由推進過程中土體摩擦造成,即推力越大,刀盤、刀具受到的摩擦力越大,磨損就越大。所以在欠壓推進過程中,加快出土速度,保持土倉壓力比通過計算得到壓低0.2~0.3bar,既保證了推進速度不受影響,又小了總推力,刀盤切削土體時的摩擦力也因此隨之小,降低了刀具的磨耗,延長了刀具的使用壽命。通過反復試驗,根據現場監控量測的數據反饋,優化了欠壓推進時的技術參數,盾構機通過的地表沉降值均控制在0~12mm以內,小于規范要求的30mm允許沉降值。
　　4.6采用“3+2+1”模式
　　(1)設計要點
　　目前國內普遍使用直線、左轉、右轉3套管片來實現隧道直線和曲線掘進,該工程采用“3+2+1”模式單層通用裝配式管片襯砌,只需套管片就可以實現隧道直線掘進和曲線掘進。所謂“3+2+1”模式單層通用裝配式管片襯即每環六片編號為L1、L2、B1、B2、B3、F,其中三塊標準塊(B1、B2、B3)、兩塊鄰接塊(L1、L2)和一塊封頂塊(F),每片平均寬度為1.2m,厚0.3m,每塊管片都有不同的楔形量,其中F管片的楔形量最小,最大楔形量值為51mm,施工中通過這個楔形量實現隧道的轉向及盾構機的輔助控制;通過管片的不同拼裝組合實現隧道在一定范圍內的轉向,隧道最小平面曲線半徑300m,曲線間水平夾直線最小長度為20m,最小豎曲線半徑3000m,最大坡度為3%。每片管片之間和每環管片之間通過彎曲螺栓緊固連接。針對盾構隧道管片襯砌結構的截面內力計算,國內多以經驗簡化計算法為主。為保證計算準確靠,采用精確計算法計算出截面內力(考慮各類頭位置與剛度、錯縫時的環間相互咬合效應,及隧道與周圍土體的實際相互作用關系)。
　　(2)考慮接頭位置與剛度的精確計算法在一襯砌圓環中,具體考慮環向接頭的位置和接頭的剛度,用曲梁單元模擬管片的實際狀況,用頭抗彎剛度Kθ來體現環向接頭的實際抗彎剛度為錯縫式拼接時,因縱向接頭將引起襯砌圓環間的相互咬合作用,此時根據錯縫拼裝方式,除考慮計算對象的襯砌圓環外,將對其有影響的前后的襯砌圓環也作為對象,采用空間結構進行計算,并用圓環徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現縱向接頭的環間傳力效果。本計算中,根據采用的彎螺栓接頭的受力情況,參照國內外相關試驗研究結果;認為各環管片在縱向接頭處不產生錯動條件下,縱向接頭的徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt均取無窮大。
　　(3)襯砌圓環與周圍土體的相互作用襯砌圓環與周圍土體的相互作用通過設置在襯砌全環只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現,這些單元受拉時將自動脫離,彈簧單元的剛度
　　由襯砌周圍土體的地基抗力系數決定。
　　(4)荷載模式
　　在確定作用在隧道上方的土層壓力方面,國內外視地層情況,主要采用卸拱理論(太沙基公式為主體)和按全部地層壓力計算土層壓力的方法,但均帶有較大近似性。故國外也有取最小土壓力不小于2D(當計算土壓力小于此值時)的經驗法。考慮到本次標段的最大和最小埋深分別在14m左右和9m左右,地層以粘性土層為主體,無單獨從隧道底部貫通至地表的砂性土地層,故偏于安全地將上覆土體自重完全作用在隧道上進行計算分析,即計算中豎向地層壓力按全部地層壓力計算。而側壓力當隧道處于粘性土中時按水土和算考慮,在砂性土地層時按水土分算考慮。除土水壓力外,實際的計算荷載按施工和使用階段可能出現的其它最不利荷載組合進行結構強度、變形計算,同時對混凝土裂縫寬度進行驗算。
　　5結語
　　當今世界已把地下空間開發利用作為解決城市人口、環境、資源三大危機、實施可持續發展的重要途徑。廣州市軌道交通三號線北延段施工區間2標段砂卵石地層地鐵隧道施工中,通過分析地質特征、調研掘進參數、優化施工方案,成功地采用盾構法施工,保證了盾構機安全、連續、快速的推進,順利通過了各個風險點,解決了工程項目中的難題,提高了工程質量,有效的降低了工程造價,并為砂卵石地層地質條件下盾構法地鐵隧道施工提供一定的參考價值。
　　參考文獻
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