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南京地铁机场线工程复合地层盾构隧道施工关键技术
引言
  近年来,随着我国各大中城市地铁的大量兴建,使得盾构隧道施工遇到的地层越来越复杂,并越来越多地面临需在复合地层施工的挑战 。
  与单一地层相比,复合地层盾构施工存在以下特点:①经常根据地层情况变换盾构施工模式;②盾构的配置需要做出适当的调整;③采用的施工工艺和施工参数也要根据地层的变化而变化;④某些复合地层可能需要采用一些辅助工法。
  同时,复合地层中采用盾构掘进时,经常会出现刀盘结泥饼、刀盘及刀具磨损(损坏)、螺旋输送机喷涌及施工导致地表过大变形、建(构)筑物损毁等,并加大施工的难度及加剧施工风险。
  应对目前复合盾构隧道建设量日益增长的趋势,开展基于地层和环境接口相适应的盾构掘进配套综合技术研究显得尤为迫切和必要。
  论文结合南京地铁机场线工程大规模、长距离复杂复合地层盾构隧道施工,提出了盾构适应性选型、改制的基本原则和方法,研发了盾构掘进综合配套技术。同时,总结了在几种典型地层施工时及穿越禄口国际机场滑行道的技术措施。
1.工程概况
  南京地铁机场线工程为南京至高淳城际轨道一期工程,线路南起禄口机场,北至南京南站,全长约35.8km。
  其中盾构区间双线总掘进长度约28km,共包含9个区间,区间长度1079~1999m,施工地层大多为复合地层。其中穿越土层主要为粉质黏土层;穿越岩层包括强~微风化安山岩及中~微风化粉细砂岩。其中安山岩岩石强度、风化破碎及富水程度呈现较大的变异性,粉细砂岩总体完整性好,但其对刀盘、刀具的磨损性较大。
  同时,盾构区间隧道线路主要沿车流量较大的将军大道主干道敷设,且多处穿越多幢老民房、市政管线等建(构)筑物,并下穿禄口机场滑行道,因此盾构施工环境保护要求高、难度大。
  此外,根据工程总体筹划,为确保“洞通”节点按时实现,需一次性投入18台复合盾构进行施工,且每个盾构区间隧道施工时间均需控制在12个月以内。考虑到施工过程中,可能需频繁进行设备检修、换刀处理,以及由于地质不确定性带来的各种施工风险,更是凸显了工期的紧张。
2.施工关键技术研究
  2.1盾构适应性选型与改制
  针对复合盾构施工,开展基于地层适应性和环境接口适应性的盾构设备选型显得尤为重要,也是决定工程成败的关键。
  由于本次需一次性投入18台复合盾构进行施工,考虑到国内闲置复合盾构较少,完全适用机场线地质条件更少,而重新定制盾构难以满足工期要求,为合理利用存量资产、节省成本,针对3台土压平衡盾构进行了适应性改制。
  1)盾构选型和改制原则盾壳和铰接系统:为避免盾构卡死、小半径转弯及纠偏方便选用锥形盾体及V形中折铰接。
  主驱动与推进系统的选择:使用长寿命轴承,一般要求驱动功率≥1100kW;为便于纠偏,尽量应用长行程油缸。
  排土和出渣系统:螺旋输送机扭矩须满足要求,其叶片应考虑耐磨设计;采用小角度皮带,带速≥2.5m/s,负载轻,运输量大,利于渣土含水量大时快速掘进。
  刀盘系统:刀盘面板具有足够的强度和刚度,并应采用有限元进行结构分析(见图1),刀盘具有合适的开口率(38%左右),刀盘具有良好的耐磨性能并尽可能配置耐磨监测系统。


图1 刀盘应力及位移云图 

  2)盾构适应性改制初步选定3台土压平衡盾构,在对其进行适应性评估的基础上,制定了改制方案,主要考虑了刀盘和盾体尺寸、刀盘驱动、推进系统、螺旋输送机等项目。如表1,2所示。
表1 海瑞克S-393盾构改制方案

项目

原有参数

评估结果

改制方案

刀盘/盾体

开挖直径6280mm

不符合

改成6450mm

刀盘驱动

额定扭矩470kN·m,

符合

最大扭矩530kN·m,

转速0~6r/min

推进系统

最大推力3400kN

不符合

为满足出渣及
同步注浆要求,
推进速度改成
0~60mm/min

额定推力2700kN

推进速度0~80mm/min

行程2200mm

螺旋
输送机

最大转速22r/min,

符合

额定扭矩19kN·m,

出土量285m3/h

 表2 深圳号、珠海号三菱盾构改制方案

项目

原有参数

评估结果

改制方案

刀盘/盾体

开挖直径6280mm

不符合

改成6450mm

刀盘驱动

额定扭矩500kN·m,

符合

最大扭矩620kN·m,

最大转速6r/min

推进系统

最大推力3900kN

不符合

根据管片分
块需改制为
长、短行程
油缸

额定推力3000kN

推进速度0~60mm/min

行程1700mm

螺旋输送机

最大转速15.8r/min,

不符合

更换驱动
系统

额定扭矩6.5kN·m,

出土量285m3/h

  具体改制方案如下。
  1)刀盘:对3台盾构刀盘重新进行制作,并对刀盘局部采用加斜撑板的方法进行加强。
  2)前壳体:为减少工期和成本,对3台改制盾构采用在前壳体外部进行包壳处理以满足开挖隧道直径要求,对壳体采用24根40mm厚纵向筋板和6根50mm厚的环向筋板组成网状支撑结构(见图2)。

图2 前壳体网状支撑结构

  3)后壳体、盾尾:对3台盾构后壳体重新制作,内部布置环形筋板用于推进油缸托架安装和固定。盾尾重新制作,铰接油缸也重新布置,并设计制造4条内置式同步注浆、盾尾油脂一体式管道。原有的球形铰接改为平面铰接。
  4)螺旋输送机:对2台三菱盾构螺旋输送机更换驱动系统,确保额定扭矩满足需求。
  2.2刀具管理
  1)刀具配置原则
  针对不同的盾构掘进地层,针对性地采用不同的刀具配置方式:针对以软土为主,同时岩石风化破碎严重、强度低的情况,主要配置贝壳刀和刮刀;对以岩层为主地层,刀具配置以滚刀为主;对上软下硬地层,则需同时配置滚刀和刮刀。刀具配置方面,需考虑刀具的互换性,以确保施工的机动性。
  为保护齿刀,要求滚刀与齿刀高差≥45mm。滚刀的刀间距随岩石强度的增加而减少,最小至11cm。
  2)滚刀选用
  滚刀的选用需要综合考虑刀具破岩效率和耐磨性能。
  对安山岩,主要考虑刀具的破岩效率,特别对于中风化及微风化安山岩,由于岩石强度大、呈脆性,采用了刀圈材质硬度较大的滚刀。
  对粉细砂岩,虽然强度不高,但由于富含石英砂,对普通滚刀的磨损较为严重,一般掘进40~50环即需要换刀。试验了2种合金刀圈,一种为镶嵌合金齿刀圈、一种为镶嵌整圈合金刀圈,如图3所示。与普通刀圈相比,2种刀圈耐磨性均有较大提升,换刀距离可延长至120~150环。同时,镶嵌合金齿刀圈在合金齿之间盘体磨损后,成锯齿状,有利于滚刀转动,提高掘进效率;而镶整圈合金刀由于缺少挤压应力释放空间,部分滚刀易发生合金块剥落现象,影响滚刀使用寿命。因此,后续工程中主要使用镶嵌合金齿形式滚刀。
  3)刀具磨损规模研究
  针对刀具磨损、破坏情况进行了统计分析(见图4),研究结果表明:周边滚刀磨损较快,需加大检测频率,及时更换;同时需保证刀盘中心土体改良效果(如加密泡沫注入口设置、提高注入量),避免结泥饼导致滚刀偏磨。
  4)刀具磨损判断及刀具更换根据刀盘扭矩、推进速度、岩渣温度等判断刀具磨损情况,条件具备时开仓检查。仓内出现异味时,可能是刀具严重磨损的表现,主要是由于滚刀轴承密封失效,润滑油在持续高温环境下产生CO气体。结合对沿线地质情况的分析及刀具磨损情况的预测,尽量避免在不良地层条件下被动换刀。磨损量超过10mm和边缘滚刀及磨损量超过5mm的刀具应进行更换。
 

  图3 试验刀圈

图4 滚刀磨损规律统计分析

  2.3土体改良技术
  1)泡沫参数设定
  为合理制定土体改良施工参数,进行了泡沫试验,研究了不同浓度、不同发泡率、不同注入率对渣土改良效果的影响。主要考虑了不同注入参数对渣土经时坍落度的影响,研究表明:土体经时坍落度损失随泡沫浓度、发泡率及注入率的提高而减小,即泡沫浓度越高、发泡率越高、注入率越高,泡沫的稳定性也越好,对土体的改良效果也越好。
  根据试验结果选用的参数:泡沫浓度取3%~5%,发泡率取15~20倍,泡沫注入率取100%~200%。
  2)改良方式
  在某些地段,尝试对泡沫系统的管路进行改进,将部