盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究

第３３卷第１期２０１３年１月魔篷建谨ＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＶ０１．３３

Ｎｏ．１

Ｊａｎ．２０１３

盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究李乾斌１，李文峰１，陈崎２，唐虎１

（１．北京城建集团有限责任公司，北京１０００８８；２．卡特彼勒中国投资有限公司，北京１０００２０）摘要：北京地铁九号线玉渊潭区间在富水条件下穿越砾岩及卵砾、圆砾地层，该区域间分布有连续、粒径超过１０００ｍｉｌｌ的漂石，可

见漂石粒径有１５００ｍｍ×１７００ｍｍ，且区间隧道大部分处十高透水地层中。为保证盾构在施工过程中能安全、顺利掘进，通过分析常规破岩机制和盾构破岩机制，最终选择了尖锐划割挤压破碎机制。通过对盾构设备进行改进、设定盾构推进参数、掘进管理及其他辅助技术的改革，解决了用盾构刀盘、刀具连续破碎漂石、孤石等技术难题。通过对进度、刀盘刀具磨损情况等推进情况进行分析，并对盾构刀盘刀具的磨损情况等进行仿真验证，可知撕裂刀在解决漂石破碎、孤石等起了重要作用，最后对盾构设备及刀盘刀具的优化等提出了建议。关键词：盾构；富水；地铁隧道；卵石；大粒径漂石；孤石ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１３．０１．００２中图分类号：Ｕ４５５文献标志码：Ｂ文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１３）０１—０００９—０８

ＳｔｕｄｙｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＳｈｉｅｌｄＢｏｒｉｎｇｉｎＷａｔｅｒ—ｒｉｃｈＬａｒｇｅ－ｄｉａｍｅｔｅｒＢｏｕｌｄｅｒＳｔｒａｔａＬＩＱｉａｎｂｉｎｌ，ＬＩＷｅｎｆｅｎ９１，ＣＨＥＮＱｉ２，ＴＡＮＧ

Ｈｕｌ

（１．ＢｅｉｊｉｎｇＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐＣｏ．，厶ｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ（Ｃｈｉｎａ）ＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＣｏ．，厶ｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｙｕｙｕａｎｔａｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅ９ｏｆＢｅｉｊｉｎｇＭｅｔｒｏｒｕｎｓｔｈｒｏｕｇｈｗａｔｅｒ－ｒｉｃｈｌａｒｇｅ．ｄｉａｍｅｔｅｒ

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ｔｉｍｉｚｅｄ，ｐｒｏｐｅｒｓｈｉｅｌｄｂｏｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｂｏｒｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄａｓｓｉｓｔａｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏ．

ｇｉｅｓａｒｅｕｓｅｄ，ＳＯｔｈａｔｔｈｅｂｏｕｌｄｅｒｓｃａｎｂｅｃｒｕｓｈｅｄｂｙｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｓｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ．

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ｒａｔｅａｎｄｔｈｅｗｅａｒｉｎｇｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒ

ｈｅａｄａｎｄ

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０引言北京地铁９号线玉渊潭区间采用盾构法穿越玉渊潭公园，玉渊潭地区为北京古金沟河的旧河道，拟建隧道有大量大粒径漂石。盾构法连续破碎大粒径漂石工艺较为复杂，一直是工程界的难点。工程筹备阶段调查隧道邻近正在开挖的大型基坑，基坑中密集分布直径超过１０００ｍｍ的漂石，且强度接近２００ＭＰａ，最大漂石粒径为１５００ｍｍ×１７００ｍｍ，漂石分布不规律，但可以推测隧道每掘进一环地层中遭遇粒径１０００ｍｍ以上漂石至少２块、粒径８００ｍｍ以上漂石至少４块，其中粒径５００ｍｍ以上漂石体积比超过５０％。随着工程的进行予以了验证，且单轴抗压试件强度已经超过３００ＭＰａ。漂石具有粒径大、强度高、分布密集且规律性差等特点，为盾构设备选型及施工筹划带来了前所未有的挑战，且隧道全断面还位于潜水下方。

收稿日期：２０１２—０９—０５；修回日期：２０１３—１１—１８作者简介：李乾斌（１９７ｌ一），男，河北邯郸人，１９９４年毕业于哈尔滨建筑大学市政与环境工程系环境工程专业，本科，高级工程师，现从事地下工程施］：管理工作。

万方数据ｌＯ隧道建设第３３卷

在深圳、广州等地曾经有处理孤石的先例，但由于数量较少，采用了传统方法一破碎处理盾构再通过的工艺¨也１，文献［３］采用液压劈裂机技术对孤石进行了处理。文献［４］根据不同的地质条件和不同工况条件采用了地下深孑Ｌ爆破、冷冻、地面冲孔和人工挖孔、地表注浆以及盾构直接切削等方法。本区间受巨石数量连续及密集所困，不具备对漂石单独预处理的可能。成都地铁盾构在砂卵石地层中穿越时，卵石粒径２０ｅｍ，含量大、强度高，对盾构刀具和刀盘的磨损严重，工程前期需频繁更换刀具、加固刀盘，采用加固土体及临时竖井的方式组织换刀。广州地铁施工时也曾在个别标段遇到球状风化体，造成掘进困难、频繁卡住刀盘、盾构姿态难以控制、盾构刀具磨损严重、刀座刀盘变形、掘进时振动等问题。处理球状风化体采用地面对隧道范围钻探，找到球状风化体具体位置后，加固土体，洞内开仓爆破破岩后再继续推进。广佛线曾因操作失误造成盾构机体旋转。国外隧道工程如都灵、西雅图、温哥华隧道中也曾经有利用盾构处理大粒径漂石的情况，但工程实践中均出现了严重问题。加拿大温哥华、美国俄亥俄盾构隧道也曾先后在含漂石的地层中进行施工，掘进极其困难，多次变更刀盘形式并更换刀具配置，盾构损耗极大。目前，施工所遇到的漂石及地层均无法与玉渊潭区间的连续、大密度、高硬度地层进行类比，盾构始发井漂石如图１所示。文献［５—６］主要介绍了隧道通过富水砂卵石地层，且含有少量大粒径漂石时针对大漂石处理方案、刀盘刀具的耐磨性、喷涌防治等进行了分析和探讨。文献［７一１０］主要介绍了刀具的防耐磨技术。受盾构设备构造的限制，盾构驱动系统与螺旋机在前盾中的位置关系限定了直径６ｉｎ的地铁盾构设置的螺旋机直径难以超过ｌ０００ｉＴｌｍ，也就造成盾构无法排出直径超出１０００ｍｍ的漂石，加之刀盘结构设计所限，盾构在地下连续破碎漂石并通过排渣系统有效输送一直被认为是难以实现的工作。图１盾构始发井漂石照片Ｆｉｇ．１Ｂｏｕｌｄｅｒｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｉｎｌａｕｎｃｈｉｎｇｓｈａｆｔ玉渊潭区间需要先后穿越近５００ｍ的水面，且区间隧道大部分处于渗透系数超过４×１０。ｍ／ｓ的高透水层。根据工程实施过程中进一步揭示地层，如采用明挖、暗挖工法将无法在可控的工程周期、工程造价条件下完成区间，仅盾构法具备解决诸如工程难度、工程安全性等诸多问题的可能。以玉渊潭区间盾构施工为例，通过采用面板式高强度刀盘、新型重型撕裂刀体系配合有效渣土改良系统及特定的掘进参数施工，以解决在富水、高压环境下大直径、连续破碎的难题。１工程概况北京地铁九号线玉渊潭区间位于军事博物馆站一白碓子站，区间长１２０７．１５ｎｌ（单线）。盾构在位于中心城区的军事博物馆北侧始发后连续穿越超过７０ｍ宽的永定河引水渠及３４０ｍ宽的玉渊潭东湖及近１００ｍ宽的引水湖等水面。隧道底板标高为３１．０～３４．４Ｉｎ，隧道的左右线间距为１０～１５ｍ，隧道在水面下覆土厚２１．０—２７．０Ｉｎ，其中，穿越玉渊潭东湖段盾构完全位于潜水水位以下２ｍ。

该段区间采用卡特彼勒盾构施工，如图２所示。

图２土压平衡盾构机Ｆｉｇ．２ＥＰＢｓｈｉｅｌｄ１．１地质水文情况本区间段地下水类型主要为潜水，局部地段存在上层滞水。水位标高３８．４９—３８．７７ｍ，水位埋深１３．３０～１３．８０ＩＴＩ，含水层为卵石和圆砾层。本工程区间隧道范围内地层大量接受引水渠及湖水的补给，水量稳定，且水位有明显潮汐规律。根据现场多处盾构换刀井施工情况，地层中均发现有大量粒径超分过１０００ｍｍ的漂

石，不排除有更大粒径漂石存在，大粒径漂石含量较杂，局部孤立且富集成群。经现场随机取样检测，卵石强度因石英含量的不同而有很大差异，石英＋长石含量７０％一９５％，石英含量为１０．２８％一４８．５４％，点荷载强度为０．６３～１０．１５ＭＰａ，硬度２５００～６

１００

ＭＰａ，样本的

单轴抗压强度超过３００ＭＰａ。

万方数据第１期李乾斌，等：盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究

２００９年６月２日，在盾构始发井基坑开挖过程进行了现场跟踪，对地层进行了详细分析，再次形成勘查报告，对盾构隧道结构深度范围内卵石粒径调查情况进行了描述，由于该地层中卵石粒径超过３００ｍｍ的卵石含量超过４０％，且超过１０００ｍｍ的漂石较普遍，提出了卵漂石地层的概念。１．２卵石物理力学性质现场开挖换刀井取样试验表明，卵石强度随岩性不同差异很大，卵石岩性以花岗岩、闪长岩及火山碎屑岩等为主，矿物成分以石英、斜长石和碱性长石等为主，强度因卵石岩性的不同而有很大差异，现场开挖使用“破碎炮”也难以破碎。由于盾构隧道穿越湖底埋深在地下２３ｍ，且需要在区间范围连续穿越永定河引水渠及玉渊潭２处湖面、机要管理区等，加之隧道埋置较深，绝大多数地面基本无法采取辅助施工措施解决盾构连续推进难题，要求盾构施工做好充分准备，减少施工风险。２存在的主要问题根据地层情况可知，玉渊潭湖底富水且富含漂石，漂石分布随机，由推进参数变化可以判断，大粒径漂石密集、孤立等的状态都存在，该情况为盾构设备选定及掘进管理过程带来了非常大的风险。１）设备风险。除需保证不停机情况下具备连续、间隔破石能力外，还需克服来自隧道上方稳定的潜水。在富水卵漂石地层掘进盾构设备易出现如下问题：刀盘、刀具、土仓隔板、螺旋机不均匀磨损；刀盘、螺旋机易卡死，刀盘需要较大扭矩；土压平衡建立困难，易发生开挖面失稳；盾构推进姿态控制困难；扭矩较大易发生机体（盾构本体）扭转；在硬岩推进采取“小推力、小扭矩、低转速”的原则难以在密集的卵石地层推进。２）掘进管理面临的主要问题。渣土改良体系在富水下的状态适应性；刀具布置与渣土改良、设备扭矩匹配；刀盘转速、推力、螺旋开度等掘进管理参数选择。根本目的是延缓刀具损耗，减少刀具更换频率，节能降耗。３破石机制３．１常规破石机制岩石破碎在工程界及矿山、地质界公认的方法主要有爆破破岩、机械破岩、流体破岩和热能破岩。其中，流体破岩有高压水射流、高压泥浆射流、电子束射流、高能加速器共４种；热能破岩有火焰喷射破岩、激光破岩、红外线破岩、微波破岩、高频破岩共５种。流体及热能２种破岩由于盾构土仓空间小、操作环境多水等环境影响及破岩设备体积、作业环境要求高等限制，无法在隧道中应用。３．２盾构破岩机制目前盾构普遍认可的有冲击破岩、刮削破岩和挤压破岩３种方式。冲击破岩方法有盘型滚刀、钎头破岩、潜孑Ｌ钻头破岩、射弹冲击破岩。刮削破岩有锯齿切割破岩、刮刀破碎、金刚石钻头、环形取芯钻头破岩等。挤压破岩有牙轮钻头、盘型滚刀、齿形滚刀等，牙轮钻头分单牙轮、双牙轮、三牙轮、多牙轮等；盘型滚刀有单刃和双刃；齿形滚刀有铣齿滚刀、铸齿滚刀、镶齿滚刀等。目前地下工程普遍采用滚刀破岩。滚刀破岩是靠滚刀滚动产生冲击压碎和剪切的作用达到破碎岩石，属滚压破岩；当地层中母岩对卵石缺少约束力时，地层无法给滚刀提供足够的转动力矩和滚刀破岩的支撑力，会导致滚刀不转，破岩效果下降。３．３破石机制选择此次采用的破石机制初步可以概括为尖锐部划割挤压机制，即由刀盘提供高速旋转产生的较大冲击惯性带动重型撕裂刀对卵石、漂石进行“锤击”，尖锐合金点划割产生损伤裂痕、刀具有效的导流促成石块间挤压配合面板挤压，大粒径漂石开裂变小。刀具配置理念是中心先行刀剥离，对掘进地层进行中心松动，稳定掘进方向；重型撕裂刀对掘进面较大漂石进行破碎，较小卵石随导流作用随刮刀收集至格栅口排入土仓，刀盘外沿滚刀保证刀盘开挖直径并降低工作扭矩。经多次采集螺旋机的排渣进行统计分析，综合盾构刀具损耗，对照推进参数变化，整理盾构破石的机制。初步推测破石过程为：盾构刀盘面板持续挤压，刀具随刀盘转动不断碰撞漂石，刀具刀冠上突出尖锐合金类似尖锤碰撞漂石，卵石局部受力出现裂纹等压碎裂隙，在强压过程中撒裂刀刀冠镶嵌的合金划割形成岩石破裂面，在多个破裂面均受压状态下，坚石沿划伤的破裂面开裂。在破碎漂石过程中，较小的卵石通过刀具间隙布置形成导流，避免刀具过多参与破碎较小（直径