如何處理盾構(gòu)施工大漂石

1、泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)在過去的幾十年里獲得了巨大的技術(shù)進(jìn)步。然而，在盾構(gòu)隧道施工中仍有許多需要解決的難題，土壤中混有大漂石就是其中的一個重要問題。如成都地鐵1號線區(qū)間隧道大部分地段通過中密密實(shí)的砂卵石地層，具卵石含量高，且大粒徑卵石含量較多，據(jù)試驗(yàn)段地質(zhì)詳勘報(bào)告和全線地質(zhì)咨詢報(bào)告，已發(fā)現(xiàn)最大漂石粒徑670mm,在局部地段大粒徑漂石富集成群。大漂石對地鐵的施工構(gòu)成了影響，因此必須研究大漂石對盾構(gòu)機(jī)選型的影響和對大漂石的處理問題。1大漂石對盾構(gòu)選型的影響大漂石通常是指地下粒徑大于200mm的大石塊，通常賦存在砂卵石地層或其他土層中，具空間分布具有較大的隨機(jī)性，很難找到規(guī)律，不易被鉆探發(fā)現(xiàn)，

2、故給盾構(gòu)施工造成極大困難。對施工和設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在：刀具磨損嚴(yán)重、刀座變形、刀具更換困難；刀盤磨耗導(dǎo)致刀盤強(qiáng)度和剛度降低，引起刀盤變形；刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞；刀盤堵塞，盾構(gòu)機(jī)負(fù)載加大等，更有甚者是大漂石無法破碎，致使盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離線路。盾構(gòu)穿越砂卵石地層時(shí)，刀具磨耗和大漂石的排曲是影響盾構(gòu)掘進(jìn)的兩個主要問題。刀具磨耗通常通過提高刀具耐磨性和掘進(jìn)中途換刀來解決。大漂石的排生問題比較復(fù)雜，處理方式因地質(zhì)條件、盾構(gòu)的類型以及刀盤和由渣裝置的結(jié)構(gòu)和形式而有所不同。一般對于最大卵石直徑不超過200mm的砂卵石地層，可采用常規(guī)排除方式，即要求在盾構(gòu)選型和刀盤設(shè)計(jì)時(shí)，按可能

3、通過的最大卵石直徑確定刀盤開口率和開口寬度，并配備與上述卵石直徑條件相適應(yīng)的螺旋輸送機(jī)排由大卵石。對開挖堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的地層可考慮采用輪輻式刀盤。圖【大需石破碎的有限元網(wǎng)幅當(dāng)最大卵石直徑超過200mm時(shí)（即為大漂石），如果采用常規(guī)排除方式就必須增大刀盤開口，增大螺旋輸送機(jī)的直徑。這一方面會因刀盤開口增大影響開挖面穩(wěn)定，另一方面也會因螺旋輸送機(jī)直徑增大引起排渣裝置成本增加并造成盾構(gòu)空間布置困難。因此必須考慮工作面破碎方式。工作面破碎方式要求在盾構(gòu)刀盤上設(shè)計(jì)安裝可對大漂石或卵石進(jìn)行破碎的刀具，對石塊進(jìn)行先行破碎，破碎后的小塊巖渣經(jīng)刀盤開口進(jìn)入土壓倉，再通過螺旋輸送機(jī)或排泥管道排由O工作面破碎方式不僅能減

4、小刀盤面板的開口率和開口寬度，而且可盡量減小開挖大漂石引起的土壤松動，從而有利于開挖面的穩(wěn)定。用于破碎的刀具可選用盤形滾刀或齒式刀頭。齒式刀頭依靠沖擊力破巖，盤形滾刀則是依靠擠壓和沖擊破巖，這就要求地層提供足夠的反作用力。如果大漂石在圍巖中壓埋不很牢固，地層松軟，當(dāng)?shù)额^碰到大漂石時(shí)大漂石僅會簡單地偏移或被彈開。由于不能傳遞破碎力，因此達(dá)不到破碎的目的。而且被刀盤推向隧道側(cè)面的大漂石甚至?xí)?dǎo)致盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，使盾構(gòu)偏離隧道設(shè)計(jì)軸線。2隧道開挖過程中大漂石的行為預(yù)測盡管用盤形滾刀破碎大漂石常常是非常有效的方法，但是一些工程的實(shí)際情況表明在莫些地質(zhì)條件下隧道中的大漂石不能被破碎，必須采取其他方式處理。這就

5、需要對大漂石的行為及其所存在的地質(zhì)狀況進(jìn)行研究，以便對大漂石的行為進(jìn)行預(yù)測，從而提高隧道的開挖效率。2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)大漂石的行為當(dāng)認(rèn)為大漂石位于隧道軸線上時(shí)，必須采用混合式刀盤。這種形式的刀盤使用切刀、刮刀、齒刀和盤形滾刀等刀具。盤形滾刀通常能破碎過大、不適合進(jìn)入盾構(gòu)渣土處理系統(tǒng)的大漂石。這里存在這樣的問題，盤形滾刀在一些工程中破碎大漂石極為有效，而在另外一些工程中卻根本無效。在硬土層中對大漂石破碎通常比較有效，此時(shí)盤形滾刀隨著刀盤的轉(zhuǎn)動而滾動或滑過土層直接撞擊和切割遇到的大漂石。盤形滾刀以點(diǎn)載荷作用于大漂石，使巖石碎片剝落,直到大漂石破碎。如果巖石碎片較小，它們就可以穿過刀盤進(jìn)入機(jī)器。如果

6、碎片仍就很大，它們就必須由盤形滾刀進(jìn)一步破碎。只要石頭是埋在土層中被牢牢地固定在其位置上，盤形滾刀就能夠沖擊和破壞任何形狀且非常堅(jiān)硬的大漂石。有時(shí)盤形滾刀破碎不了大漂石，此時(shí)大漂石往往被刀盤的旋轉(zhuǎn)推力彈開或被推向隧道旁邊。若大漂石處在盾構(gòu)的外側(cè)，它們實(shí)際上可能會擠壓盾構(gòu)使其偏離方向。如果隧道左側(cè)土壤軟弱，而右側(cè)是堅(jiān)硬的大漂石，機(jī)器將轉(zhuǎn)向阻力最小的左側(cè)，如果這種情況過大，隧道的軸線將偏斜。若土質(zhì)太軟弱，固定不住大漂石，不能產(chǎn)生足夠的破碎反力，大漂石就會隨著土體的破壞而移動或被刀具彈開，而且會在刀盤前面循環(huán)，擋在排土口并損壞刀具。這種情況下，操作工人必須進(jìn)入開挖面人工清除大漂石。清除大漂石的工作對

7、于工作人員和工程項(xiàng)目都很危險(xiǎn)，開挖面崩塌可能會使施工人員傷亡，也可能引起隧道頂部地面過大的沉降。在這種情況下進(jìn)入開挖面是不可能的，解決的辦法是提高周圍土壤的剪切強(qiáng)度，通常是從地面泵入漿液或通過刀盤向開挖面地層注入漿液對土體進(jìn)行加固。這個方法非常有效，但要求隧道暫停掘進(jìn)。因此造成時(shí)間耽擱和成本增加。2.2 大漂石行為的預(yù)測方法雖然適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)調(diào)查能夠揭示由盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)是否會遭遇大漂石，但是隧道開挖時(shí)大漂石的許多行為以及它對盾構(gòu)掘進(jìn)的影響仍然是未知的。常用的預(yù)測方法有簡單承載能力法和有限元法。2.2.1 簡單承載能力法通常大漂石的切削計(jì)算用簡單承載能力法，即將盤形滾刀施加的力以點(diǎn)載荷到條形載荷作用于大

8、漂石，如果最終的壓力值超過土壤的承受能力，大漂石將移動。該法簡單實(shí)用,但也有一些不足。首先，刀具上的載荷難以確定。雖然盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏κ且阎?，但盾殼表面摩擦引起損失的確切數(shù)值是未知的，該力轉(zhuǎn)換到每個刀具上的確切數(shù)值也是未知的。而且在硬巖上只有盤形滾刀與開挖面接觸，但在軟土隧道中，整個刀盤的表面都推向了土壤，盡管盤形滾刀被安裝凸前于其他刀具，可以假設(shè)它作用于大漂石上的力將比刀盤表面其他部分作用的推力的比率更大。但是同樣難以確定盤形滾刀上力的確切數(shù)值。止匕外，簡單承載能力法有概念上的弱點(diǎn)，該法是為淺基礎(chǔ)而開發(fā)的，因此沒有考慮剪切強(qiáng)度方面的限制，在埋深大的隧道中會造成巨大的差異。承載能力法也不能揭

9、示大漂石的破碎機(jī)理。因此應(yīng)考慮預(yù)測大漂石行為的另一種方法。2.2.2 有限元法有限元法是一種數(shù)值方法，如圖1所示。有限元程序可以模擬位于盾構(gòu)刀盤前面的一塊材料（如大漂石）和地基。在有限元模型中盤形滾刀對大漂石的作用以一個節(jié)點(diǎn)位移來模擬。每一位移之后，有限元程序可通過巖石破壞標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)大漂石的應(yīng)力水平，當(dāng)超過其強(qiáng)度極限時(shí)，將引起大漂石破壞。程序也可以檢查和計(jì)算地基的反力。隨著盾構(gòu)的推進(jìn),當(dāng)?shù)鼗姆戳Σ辉僭黾訒r(shí)則意味著土壤已經(jīng)發(fā)揮了其強(qiáng)度的所有能力以抵抗位移。當(dāng)土壤不能抵抗任何更大的位移時(shí)，巖石將在持續(xù)的載荷作用下移動。這種巖石運(yùn)動說明了土壤已經(jīng)破壞，不能固定住大漂石。國2，1；：力倉內(nèi)二次破碎有限

10、元計(jì)算可將巖石和土壤之間的關(guān)系量化，即根據(jù)大漂石與土壤的剪切強(qiáng)度比率預(yù)測盤型滾刀能否有效破壞大漂石。研究還表明當(dāng)大漂石的剪切強(qiáng)度比土壤大600倍時(shí),大漂石將表現(xiàn)由無限強(qiáng)大。它不會被破碎，但會像固體物體一樣移動。有限元計(jì)算還可預(yù)測當(dāng)大漂石富集成群或分散分布時(shí)對大漂石破碎的影響。3大漂石的處理方法開挖混有大漂石的砂卵石地層時(shí)，盾構(gòu)選型通常主張選用密閉式泥水式盾構(gòu)或加泥式土壓平衡盾構(gòu)。3.1 泥水式盾構(gòu)泥水式盾構(gòu)處理大漂石方式有兩種，一種是工作面破碎+機(jī)內(nèi)破碎，即在工作面利用刀盤上布置的盤形滾動刀將大漂石破碎至300400mm，巖石碎塊和砂卵石通過刀盤上的開口進(jìn)入機(jī)內(nèi)，在機(jī)內(nèi)進(jìn)行第二次破碎，其破碎設(shè)

11、備可放在土壓倉內(nèi)，如圖2。也可設(shè)在后方排泥管之前，將礫石再次破碎后，才進(jìn)入排泥管。另外一種是工作面破碎十礫石分級，盤形滾刀將大漂石在工作面進(jìn)行破碎之后，利用在土壓倉與排泥管之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)式分級器進(jìn)行礫石分級處理，將粒徑大于5070mm的礫石分離由來，采用斗車等運(yùn)輸工具運(yùn)至洞外。泥水式盾構(gòu)一般可以連續(xù)輸送的礫石長徑應(yīng)小于排泥管直徑的1/3。通常排泥管直徑為100200mm,因此被排除的礫石直徑最多為5070mm?？梢姡诤写罅缴奥咽貙又胁捎媚嗨蕉軜?gòu)，需要對礫石進(jìn)行兩次處理，生土效率降低。3.2 加泥式土壓平衡盾構(gòu)加泥式土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)進(jìn)行排土，由于配備的螺旋機(jī)直徑受到盾構(gòu)機(jī)尺寸

12、的限制，所以可能排除的卵石直徑受到限制，如中軸式螺旋輸送機(jī)直徑為700mm時(shí),通過最大礫石粒徑為250mm,采用帶式螺旋輸送機(jī)雖然可以連續(xù)排除礫石的粒徑要大得多，但是對于少見的大于600mm的漂石輸送亦有困難，所以仍需利用刀盤上的滾刀將大粒徑的漂石破碎至300400mm，然后通過刀盤上的開口進(jìn)入機(jī)內(nèi)后采用帶式螺旋輸送機(jī)排土，所以采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)只進(jìn)行一次破碎，且破碎的數(shù)量較少，生土效率局。4結(jié)論1）大漂石的存在影響盾構(gòu)機(jī)的選型。在盾構(gòu)機(jī)選型前必須首先掌握隧道掘進(jìn)線路的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，確定大漂石的存在和分布情況以及它的直徑和數(shù)量，以決定盾構(gòu)和刀盤的選型以及盤形滾刀的布置。2）大漂石的行為可以預(yù)測。計(jì)算結(jié)果表明大漂石與土壤的剪切強(qiáng)