论文部分内容阅读
摘要：在城市建筑密集区域下方采用土压平衡盾构机进行全断面硬岩地层盾构隧道施工时，存在盾构掘进速度慢、姿态控制难度大、刀具磨损严重、频繁开仓换刀、建筑沉降控制困难等问题。结合实际工程，介绍了土压平衡盾构机选型、刀盘配置、掘进模式和参数、姿态控制、渣土改良、沉降控制等关键技术措施，确保在建筑密集区域下方盾构机安全顺利进行全断面硬岩掘进。
关键词：建筑密集区域;硬岩;敞开式;沉降。
1工程概况
昆明市轨道交通4号线小屯站～金鼎山站区间位于明日城市花园、昆明氧气厂、金鼎山科技园等建筑密集区域下方，区间单线长1459.326m，穿越一段长186m的全断面硬岩——玄武岩，岩体完整、强度较高，硬岩段玄武岩芯样最大饱和单轴抗压强度最大值为131MPa，隧道范围内平均值为62.8MPa，区间埋深10～70m，周边环境及地质条件复杂。
2盾构机选型
根据小屯站～金鼎山站区间穿越较长距离的全断面硬岩的地质特征，选择性能适应地质条件的盾构机非常关键，盾构机选型主要注意以下几个方面。
1）功率
根据全断面硬岩的特点，选择具有大推力、大扭矩和高转速的盾构机。
2）刀盘
用于硬岩掘进的刀盘应以配置滚刀为主;刀箱和刀座应具有足够的抗变形能力;为方便出渣，刀盘开口率应适当增大。
3）盾构机有耐磨设计和措施。
4）盾体中盾与尾盾之间采用铰接连接，方便在小半径曲线上掘进。
5）盾构机有人仓设计，位于中隔板上部，便于刀具更换。
小屯站～金鼎山站区间盾构机采用海瑞克S589、S590，总推力为40000kN、最大扭矩为5340kN.m，满足全断面硬岩掘进的功能要求。
3刀盘配置
小屯站～金鼎山站区间掘进前，两台土压平衡盾构机掘进适应土层为软土和硬素黏土，采用的是36刃滚刀的原装刀盘，正面滚刀轨迹间距100mm，开口率是34%，渣土改良管道4组，刀盘厚度550mm。
这种刀盘及刀具配置在硬岩段掘进时，存在的问题是：
1）开口率偏小，遇到大块渣石容易堵塞、卡刀盘，或是大块渣石不能进入土仓，随着刀盘在掌子面转动，影响盾构机掘进效果，设备损耗较大。
2）盾构机在掘进硬岩时主要依靠滚刀对岩面碾压破碎，这种刀盘滚刀数量偏少、刀中心距偏大，与岩面的有效接触面积偏小，遇到强度高的硬岩时掘进效率低下，形成的渣石较大不利于出渣，影响掘进效果。
3）渣土改良管道偏少，在硬巖掘进时不利于渣土改良，影响出渣效率，并延长坚硬的岩石碎粒停留在土仓内的时间加快刀具磨损，从而增大开仓换刀频率带来更多的安全风险并延长施工周期、降低工效。
因此硬岩段由于岩层单轴抗压强度高，选择合适的刀盘配置才能保证盾构机在硬岩段的连续施工，加快盾构在该段的掘进速度。针对软土段采用的刀盘在硬岩段掘进存在的问题，根据小屯站～金鼎山站区间硬岩段的地质特点，重新设计、加工适用于硬岩掘进的新刀盘。
硬岩段刀盘配置44刃滚刀，正面滚刀轨迹间距80mm，边缘滚刀超出盾体直径2cm，滚刀从刀盘中心向外呈螺旋线布置。开口率是38%，渣土改良管道6组，刀盘厚度650mm。
这种刀盘及刀具配置在硬岩段掘进时相对于软土段使用的刀盘，具有以下优点：
开口率较大，避免大块渣石堵塞、卡刀盘或是大块渣石不能进入土仓随着刀盘在掌子面转动，提高了盾构机掘进效果;
2）刀盘滚刀数量较多、刀中心距较小，滚刀从刀盘中心向外呈螺旋线布置，与岩面的有效接触面积较大，提高了对岩面碾压破碎的速度，形成的渣石较小利于出渣，并且边缘滚刀超出盾体直径2cm，可降低周边岩层卡住盾壳的现象发生。
3）渣土改良管道较多，在硬岩掘进时利于渣土改良，提高出渣效率，减少坚硬的岩石碎粒停留在土仓内的时间降低刀具磨损，并降低开仓换刀频率。
4掘进模式及掘进参数
根据全断面硬岩岩体完整、开挖断面相对稳定不会出现掌子面失稳的情况，硬岩段掘进参数采用盾构总推力较小、刀盘扭矩较低、刀盘转速较高的“小推力，低扭矩，高转速”敞开式掘进模式。这种掘进模式大幅度降低了盾构机推进阻力和刀盘旋转阻力，有效地提高了盾构机在硬岩地层中的掘进工效。
硬岩段主要掘进参数平均值为：
盾构总推力：6500KN
刀盘扭矩：1500KN·M
刀盘转速：1.7转/min
推进速度：20mm/min。
5姿态控制
在硬岩掘进过程中，盾构机姿态纠偏较为困难，掘进过程中应严格控制盾构机姿态，水平偏差控制在设计线路曲线转向内侧，最大偏差控制在30mm以内。考虑到管片上浮的影响，垂直偏差控制在-20～-30mm以内。硬岩掘进时盾构机振动较大，经常会引起VMT导向系统出现测量错误，因此在掘进过程要测量系统多检查、勤校核，及时纠正错误。
6渣土改良
硬岩段掘进采用泡沫剂进行渣土改良。泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具等作用。
对于中风化玄武岩，由于滚刀将岩体的一部分磨成粉尘沉积在土仓内，具有一定的粘结力和吸附力，在盾构掘进施工中，易附着于刀盘上造成刀盘扭矩增大，或进入土仓后被压密固化，可能造成掘进、排渣均无法正常进行的情况，宜采用泡沫剂进行改良，泡沫起着界面活性剂分散的作用，可有效防止粉尘附着于刀盘上和土压仓内壁，防止出现泥饼现象，降低刀盘扭矩，使掘进工作顺利进行。泡沫配置浓度为3%～5%。
7沉降控制
1）地面沉降原因分析
盾构机推进引起的地面沉降包括五个阶段： 第一阶段：最初的沉降。距隧道掌子面2.5倍隧道直径以外的地面沉降，是随盾构机掘进造成的地下水流动和水位降低产生的。
第二阶段：掌子面前的变形。自掌子面至距掌子面2.5倍隧道直径范围内的沉降，多是由于土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用而产生的地基塑性变形。
第三阶段：盾尾沉降。盾构机盾体通过的过程中所产生的沉降，主要是盾构扰动土体导致的。
第四阶段：盾尾空隙沉降。盾构机的尾部通过后产生的沉降，是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形。
第五阶段：后续固结沉降。由于施工过程中对周围土体的扰动，土中孔隙水压力上升，随着盾构机通过后孔隙水压力降低，地层会发生主固结沉降;在孔隙水压力趋于稳定后，土体骨架仍会蠕变，即次固结沉降。
盾构施工引起的地面沉降主要集中在第二、三、四阶段，主要由盾尾同步注浆及二次注浆、覆土厚度、管片宽度、掌子面顶进压力、土体弹性模量和盾构直径等六个方面的因素引起。
2）地面沉降控制方法
小金区间全断面硬岩段埋深约65m～70m，对于埋深较深的自稳性较高的全断面硬岩掘进，覆土厚度、管片宽度、土体弹性模量及盾构直径等因素引起的地面沉降微小，因此主要从掌子面顶进压力、盾尾同步注浆及二次注浆两方面来控制地面沉降。
（1）优化掘进参数，避免因推力过大或偏小引起地面隆起或沉降，根据试推，优化掘进参数为：盾构总推力6500KN，刀盘扭矩：1500KN·M，刀盤转速：1.7转/min，推进速度：20mm/min。通过掘进参数优化，既能保证掘进工效，又能避免因掌子面顶进压力引起的地面沉降。
（2）严格控制盾构姿态，避免因纠偏引起地表沉降。
（3）选择合理配比的注浆材料，控制好浆液稠度值。
（4）控制注浆压力和注浆量。根据试注，中风化全断面玄武岩中盾构同步注浆压力控制在1.0～1.2MPa。做好二次注浆，二次注浆注浆压力控制在0.8～1.0MPa。一般情况下，实际注浆量为理论值得1.2倍。
（5）从盾尾5～10环开始，选择合适的位置每5环注浆做一道止水环，直到掌子面涌水量得到有效控制为准，避免因地下水流失过多而引起地面沉降。
8结语
盾构施工遇到密集建筑群下的全断面硬岩时，存在掘进速度慢、姿态控制难度大、刀具磨损严重等问题外，还存在影响地面建筑物沉降的问题。在选择合适的盾构设备、掘进模式的基础上，加强掘进参数和盾构姿态的控制，加强对洞内和地表的监测控制，是确保盾构安全通过建筑物顺利推进的关键。探讨了硬岩掘进盾构选型、刀盘配置、掘进模式、姿态控制及沉降控制等参数及相关措施，保证了盾构机在密集建筑群下的全断面硬岩中的顺利掘进，对类似工程有较大的参考价值。
参考文献
[1]《盾构法隧道施工与验收规范》 GB 50446-2008
[2]《地铁设计规范》 GB 50157-2003
[3]《土压平衡盾构全断面硬岩施工技术》 作者：闫建城《施工技术》2014年5月上第43卷第9期
[4]《地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析》作者：吴张中，李丽平，陈少华《路基工程》2007（4）：46-48
[5]《土压平衡盾构施工地表沉降分析及控制方法》 作者：高文《建筑工程技术与设计》2015（33）
（作者单位：中铁开发投资集团有限公司）
关键词：建筑密集区域;硬岩;敞开式;沉降。
1工程概况
昆明市轨道交通4号线小屯站～金鼎山站区间位于明日城市花园、昆明氧气厂、金鼎山科技园等建筑密集区域下方，区间单线长1459.326m，穿越一段长186m的全断面硬岩——玄武岩，岩体完整、强度较高，硬岩段玄武岩芯样最大饱和单轴抗压强度最大值为131MPa，隧道范围内平均值为62.8MPa，区间埋深10～70m，周边环境及地质条件复杂。
2盾构机选型
根据小屯站～金鼎山站区间穿越较长距离的全断面硬岩的地质特征，选择性能适应地质条件的盾构机非常关键，盾构机选型主要注意以下几个方面。
1）功率
根据全断面硬岩的特点，选择具有大推力、大扭矩和高转速的盾构机。
2）刀盘
用于硬岩掘进的刀盘应以配置滚刀为主;刀箱和刀座应具有足够的抗变形能力;为方便出渣，刀盘开口率应适当增大。
3）盾构机有耐磨设计和措施。
4）盾体中盾与尾盾之间采用铰接连接，方便在小半径曲线上掘进。
5）盾构机有人仓设计，位于中隔板上部，便于刀具更换。
小屯站～金鼎山站区间盾构机采用海瑞克S589、S590，总推力为40000kN、最大扭矩为5340kN.m，满足全断面硬岩掘进的功能要求。
3刀盘配置
小屯站～金鼎山站区间掘进前，两台土压平衡盾构机掘进适应土层为软土和硬素黏土，采用的是36刃滚刀的原装刀盘，正面滚刀轨迹间距100mm，开口率是34%，渣土改良管道4组，刀盘厚度550mm。
这种刀盘及刀具配置在硬岩段掘进时，存在的问题是：
1）开口率偏小，遇到大块渣石容易堵塞、卡刀盘，或是大块渣石不能进入土仓，随着刀盘在掌子面转动，影响盾构机掘进效果，设备损耗较大。
2）盾构机在掘进硬岩时主要依靠滚刀对岩面碾压破碎，这种刀盘滚刀数量偏少、刀中心距偏大，与岩面的有效接触面积偏小，遇到强度高的硬岩时掘进效率低下，形成的渣石较大不利于出渣，影响掘进效果。
3）渣土改良管道偏少，在硬巖掘进时不利于渣土改良，影响出渣效率，并延长坚硬的岩石碎粒停留在土仓内的时间加快刀具磨损，从而增大开仓换刀频率带来更多的安全风险并延长施工周期、降低工效。
因此硬岩段由于岩层单轴抗压强度高，选择合适的刀盘配置才能保证盾构机在硬岩段的连续施工，加快盾构在该段的掘进速度。针对软土段采用的刀盘在硬岩段掘进存在的问题，根据小屯站～金鼎山站区间硬岩段的地质特点，重新设计、加工适用于硬岩掘进的新刀盘。
硬岩段刀盘配置44刃滚刀，正面滚刀轨迹间距80mm，边缘滚刀超出盾体直径2cm，滚刀从刀盘中心向外呈螺旋线布置。开口率是38%，渣土改良管道6组，刀盘厚度650mm。
这种刀盘及刀具配置在硬岩段掘进时相对于软土段使用的刀盘，具有以下优点：
开口率较大，避免大块渣石堵塞、卡刀盘或是大块渣石不能进入土仓随着刀盘在掌子面转动，提高了盾构机掘进效果;
2）刀盘滚刀数量较多、刀中心距较小，滚刀从刀盘中心向外呈螺旋线布置，与岩面的有效接触面积较大，提高了对岩面碾压破碎的速度，形成的渣石较小利于出渣，并且边缘滚刀超出盾体直径2cm，可降低周边岩层卡住盾壳的现象发生。
3）渣土改良管道较多，在硬岩掘进时利于渣土改良，提高出渣效率，减少坚硬的岩石碎粒停留在土仓内的时间降低刀具磨损，并降低开仓换刀频率。
4掘进模式及掘进参数
根据全断面硬岩岩体完整、开挖断面相对稳定不会出现掌子面失稳的情况，硬岩段掘进参数采用盾构总推力较小、刀盘扭矩较低、刀盘转速较高的“小推力，低扭矩，高转速”敞开式掘进模式。这种掘进模式大幅度降低了盾构机推进阻力和刀盘旋转阻力，有效地提高了盾构机在硬岩地层中的掘进工效。
硬岩段主要掘进参数平均值为：
盾构总推力：6500KN
刀盘扭矩：1500KN·M
刀盘转速：1.7转/min
推进速度：20mm/min。
5姿态控制
在硬岩掘进过程中，盾构机姿态纠偏较为困难，掘进过程中应严格控制盾构机姿态，水平偏差控制在设计线路曲线转向内侧，最大偏差控制在30mm以内。考虑到管片上浮的影响，垂直偏差控制在-20～-30mm以内。硬岩掘进时盾构机振动较大，经常会引起VMT导向系统出现测量错误，因此在掘进过程要测量系统多检查、勤校核，及时纠正错误。
6渣土改良
硬岩段掘进采用泡沫剂进行渣土改良。泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具等作用。
对于中风化玄武岩，由于滚刀将岩体的一部分磨成粉尘沉积在土仓内，具有一定的粘结力和吸附力，在盾构掘进施工中，易附着于刀盘上造成刀盘扭矩增大，或进入土仓后被压密固化，可能造成掘进、排渣均无法正常进行的情况，宜采用泡沫剂进行改良，泡沫起着界面活性剂分散的作用，可有效防止粉尘附着于刀盘上和土压仓内壁，防止出现泥饼现象，降低刀盘扭矩，使掘进工作顺利进行。泡沫配置浓度为3%～5%。
7沉降控制
1）地面沉降原因分析
盾构机推进引起的地面沉降包括五个阶段： 第一阶段：最初的沉降。距隧道掌子面2.5倍隧道直径以外的地面沉降，是随盾构机掘进造成的地下水流动和水位降低产生的。
第二阶段：掌子面前的变形。自掌子面至距掌子面2.5倍隧道直径范围内的沉降，多是由于土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用而产生的地基塑性变形。
第三阶段：盾尾沉降。盾构机盾体通过的过程中所产生的沉降，主要是盾构扰动土体导致的。
第四阶段：盾尾空隙沉降。盾构机的尾部通过后产生的沉降，是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形。
第五阶段：后续固结沉降。由于施工过程中对周围土体的扰动，土中孔隙水压力上升，随着盾构机通过后孔隙水压力降低，地层会发生主固结沉降;在孔隙水压力趋于稳定后，土体骨架仍会蠕变，即次固结沉降。
盾构施工引起的地面沉降主要集中在第二、三、四阶段，主要由盾尾同步注浆及二次注浆、覆土厚度、管片宽度、掌子面顶进压力、土体弹性模量和盾构直径等六个方面的因素引起。
2）地面沉降控制方法
小金区间全断面硬岩段埋深约65m～70m，对于埋深较深的自稳性较高的全断面硬岩掘进，覆土厚度、管片宽度、土体弹性模量及盾构直径等因素引起的地面沉降微小，因此主要从掌子面顶进压力、盾尾同步注浆及二次注浆两方面来控制地面沉降。
（1）优化掘进参数，避免因推力过大或偏小引起地面隆起或沉降，根据试推，优化掘进参数为：盾构总推力6500KN，刀盘扭矩：1500KN·M，刀盤转速：1.7转/min，推进速度：20mm/min。通过掘进参数优化，既能保证掘进工效，又能避免因掌子面顶进压力引起的地面沉降。
（2）严格控制盾构姿态，避免因纠偏引起地表沉降。
（3）选择合理配比的注浆材料，控制好浆液稠度值。
（4）控制注浆压力和注浆量。根据试注，中风化全断面玄武岩中盾构同步注浆压力控制在1.0～1.2MPa。做好二次注浆，二次注浆注浆压力控制在0.8～1.0MPa。一般情况下，实际注浆量为理论值得1.2倍。
（5）从盾尾5～10环开始，选择合适的位置每5环注浆做一道止水环，直到掌子面涌水量得到有效控制为准，避免因地下水流失过多而引起地面沉降。
8结语
盾构施工遇到密集建筑群下的全断面硬岩时，存在掘进速度慢、姿态控制难度大、刀具磨损严重等问题外，还存在影响地面建筑物沉降的问题。在选择合适的盾构设备、掘进模式的基础上，加强掘进参数和盾构姿态的控制，加强对洞内和地表的监测控制，是确保盾构安全通过建筑物顺利推进的关键。探讨了硬岩掘进盾构选型、刀盘配置、掘进模式、姿态控制及沉降控制等参数及相关措施，保证了盾构机在密集建筑群下的全断面硬岩中的顺利掘进，对类似工程有较大的参考价值。
参考文献
[1]《盾构法隧道施工与验收规范》 GB 50446-2008
[2]《地铁设计规范》 GB 50157-2003
[3]《土压平衡盾构全断面硬岩施工技术》 作者：闫建城《施工技术》2014年5月上第43卷第9期
[4]《地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析》作者：吴张中，李丽平，陈少华《路基工程》2007（4）：46-48
[5]《土压平衡盾构施工地表沉降分析及控制方法》 作者：高文《建筑工程技术与设计》2015（33）
（作者单位：中铁开发投资集团有限公司）