盾构机穿越花岗岩全风化地层的掘进管理

　　摘要：全风化花岗岩地层中的掘进管理是盾构法隧道施工中一项非常重要的工作。所采取的施工措施是否适当对盾构掘进的顺利开展起着至关重要的作用。本文对南方某市地铁三号线盾构区间在以全风化花岗岩为主，夹杂粘土的复合地层中掘进时遇到的问题及解决措施进行分析介绍，为类似工程提供参考。
　　关键词：全风化花岗岩地层，泡沫，膨润土液，渣土改良
　　一、概述
　　某市轨道交通三号线［XX站北～XX广场站］盾构区间土建工程，在盾构机空推过中间风井重新始发后，掘进情况即出现异常：推力增大（1500t-1800t），刀盘工作油压增高180bar-260bar，掘进速度很慢1~8mm/rpm,而且刀盘经常被卡和出渣困难。为保证地面不产生大的沉降，又不得不保持较高的土仓顶部压力，于是掘进情况始终非常困难，给项目部的生产带来诸多不便。
　　二、工程地质和水文地质条件（论文网）
　　工程地质：右线隧道穿过地层以〈6H〉为主，其中中部以残积土层和全风化土层为主，北部隧道顶部出现了含水砂层。岩石全风化带：按岩性分为两个亚层：花岗岩全风化带(γy3)，岩石风化强烈，岩芯呈坚硬土状，呈灰黄、灰白、肉红、暗红等色，中粗粒结构，遇水易软化及坍塌，厚度0.60～19.30m，分布广泛，代号为“<6H>”。硬质变质岩全风化带(Z)，岩石风化强烈，岩芯呈碎斑状，呈棕红、灰白、肉红、暗红等色，中粗粒结构，遇水易软化及坍塌，厚度0.80～6.70m，分布广泛，代号为“<6Z-2>”。
　　水文地质：地下水位埋深0.30~3.50m。本段地下水主要为第四系的孔隙水及基岩裂隙水，第四系孔隙水主要赋存在冲洪积砂层及海陆交互相砂层中，砂层分布广泛，厚度大，赋水条件好，属中等透水，砂层渗透系数为3.43~5.14m／d，透水性不均。淤泥、淤泥质粉土、粘土、残积土，具微弱透水性，透水性差。基岩强及中风化岩裂隙发育至较发育，其透水性稍大，渗透系数为0.11~0.65m／d。总的来看，场地地下水丰富，平均每100m基坑涌水量约216.3m3／d。本标段地下水对钢筋混凝土为无或弱腐蚀性。
　　三、掘进困难的原因分析
　　1、刀盘及中心回转体上有泥饼
　　刀盘表面的刀具，如滚刀、刮刀和齿刀被完全包裹。正常情况下由刀具破入地层刮下土体，这时却变成了刀盘整个表面和地层摩擦，必然需要更大的掘进推力和增加刀盘工作油压。中心回转体上的泥饼使得刀盘运转阻力增大和渣土流动不良无法及时排出也必然使得掘进情况变坏。见下图
　　
　　2、选择的掘进模式不当
　　本盾构工程采用的是广州海瑞克隧道机械有限公司制造的EPB土压平衡盾构机。掘进中为保证地层压力和仓内压力的平衡，确保地表稳定和地面建筑物的安全，选用了仓内填满渣土维持土压的办法，即以实土压模式掘进。但由于仓内土压较高，全风化岩层的颗粒之间及其和刀盘表面之间缺少润滑和冷却，摩阻力大且长时间掘进后易产生高温。这样一来，既导致掘进过程中刀盘工作油压很大，电机过载而经常跳闸；又造成地层中的粘土受挤压后和颗粒状的全风化岩层在仓内高温的作用下于刀盘表面上、土仓内壁及中心回转体上形成泥饼，引发出渣不畅、推力增大、扭矩过高、速度缓慢的不利情况。
　　3、渣土改良效果差
　　1）在发现向土仓内注水的4长管路中有3条堵塞后未能及时处理，导致加入的工业水数量不足，导致仓内渣土不能及时被水浸润而降温和变软，在不断挤压和高温的作用下岩石颗粒和粘土成块状并附着在刀盘表面、仓壁及中心回转体处，刀盘转动时相互间的摩擦会产生很大的阻力。
　　2）作为添加剂注入的膨润土液未完全发酵，其静止流限和运动流限未达到发挥作用所要求的限值。造成的原因主要是在台车上的浆斗内搅拌发酵时间不足。
　　4、发泡系统有故障
　　1）在发现向刀盘前方注泡沫的管路有一半堵塞后未能及时处理，导致添加剂注入位置不均匀和注入量不足。这样，渣土在与足量的添加剂混合之前，即由散状体改良为流塑体，便进入了土仓。
　　2)发泡系统管路打出的泡沫效果不佳，起泡较大、起泡不充分且液体较多。见下图
　　
　　3）发泡系统的参数设置不合理，不适用于花岗岩全风化地层中的掘进。
　　四、应对措施
　　1、压气作业进仓清除泥饼
　　在保压模式下，人员进仓清除刀盘表面及仓内中心回转体上的结硬泥块。清除后的刀盘见下图：
　　
　　2、选择适当的掘进模式
　　考虑到隧道通过地层为以全风化为主，夹杂粘土，可将掘进模式由实土压改良为气压、土压相结合的掘进模式，即仓内留置一定量渣土，同时通过气压维持土仓顶部压力，使之维持在设定范围内。这样既能保证地表稳定、减小沉降，还能减小盾构机的前进阻力和刀盘转动摩擦力，起到降低总推力、减小刀盘工作油压和提高掘进速度的作用。
　　3、加强渣土的改良
　　1）加大仓内工业水的注入量。停机打通2条堵塞的注水管路，保证4条注水通道的正常工作。
　　2）将仓壁上3点和9点位置的预留口位置改为膨润土液的注入通道，这样注入的膨润土液能及时浸润进入土仓的渣土，同时通过搅拌棒的搅动与仓内土体充分拌合，使渣土从散状土体改良为溶胶状流塑体，从而增加土体的流动性。这样就能减小仓内土体与刀盘及仓壁间的摩擦力，降低刀盘扭矩。
　　3）提前拌制膨润土液，确保充分发酵后再使用。
　　4、修复发泡系统及选用优质发泡剂
　　1）利用设备维修保养时间，使用高压油打通刀盘表面上堵塞的泡沫注入孔，保证8个注入孔均可用。
　　2)选用优良的CONDAT发泡剂，保证能产生足量、细密、稳定的泡沫。见下图
　　
　　3）有针对性的调整泡沫系统设置参数，使之适用于全风化地层中的掘进。
　　五、调整后的掘进情况
　　从以上四方面采取措施应对后，掘进情况明显改善。总推力下降到800t～1200t,刀盘工作油压下降到120bar～180Bar，速度增加到20～30mm/min，仓顶压力保持在1.5bar。这样一来，易于保持仓顶压力的稳定性，盾构机的工作状况明显改善，不再出现卡刀盘的现象。同时，从螺旋机出来的渣土不再是烫手的块状硬质挤压体，而是易于带出的流塑体。见下图：

 1/2    1 2 下一页 尾页