江底长距离上软下岩复合地层超大直径 泥水盾构综合掘进施工工法
江底长距离上软下岩复合地层超大直径泥水盾构
综合掘进施工工法
1.前言
随着盾构隧道的不断发展，各线城市的地下空间不断发展，盾构穿越的地层种类越来越多，从单一的砂层、卵石层、硬岩层不断发展.相对单一地层的掘进对盾构机的制造及掘进参数控制相对单一，技术相对成熟，但随着盾构隧造的不断增多，所见地层也各不相同，这样就对盾构施工技术增加了挑战，尤其针对各种软硬岩交互的地层断面，对盾构机和掘进技术要求更高.武汉地铁8号线越江隧道江底穿越的地层多种既有硬岩又有软岩和上软下硬，因此盾构施工对掘进施工提出了更高的要求，如何实现盾构掘进与地层的适应是本工程的重难点之一.
中铁十四局集团有限公司根据承建施工的武汉地铁8号线越江隧道等工程，针对项目采用大直径泥水盾构进行隧道施工，江中长距离穿越上软下硬的复合地层，在总结武汉地铁8号线大直径越江隧道工程成功完成的基础上形成该工法.
该工法解决了掘进过程中的各种参数异常和设备据进效率低等诸多难题，保证了盾构掘进的安全可靠和工程进度.该工法成熟可靠，可以确保工程安全质量，加快生产进度，创造良好的经济效益.该工法在泥水盾构施工领域上软下硬地层掘进方面具有良好的推广价值.
武汉地铁8号线越江隧道盾构段穿越的地层主要为粉细砂、粉质黏土、圆砾土、强风化砾岩、弱胶结砾岩和中等胶结砾岩，其中1365米范围穿越上软下硬的强风化及胶结砾岩层.
盾构在411-1093环穿越上软下硬复合地层，地层穿越断面主要分布为上部粉细砂层，下部强风化砾岩层弱胶结砾岩中等胶结砾岩.隧道埋深11.4米-20米，水深15米-23米.
其中强风化砾岩（1365m）：紫红、灰黄色，多已风化成卵砾石土状，局部夹弱胶结岩块：2cm以上卵砾石含量超过20%，最多可达60%左右，最大粒径20cm，卵砾石成分以灰岩、白云岩为主，质硬（单体抗压强度>60Mpa），最大侵入盾构断面9米；
15b-2弱胶结砾岩（750m）：灰色、褐红色，砾状碎屑结构，泥质孔隙式或基底式弱胶结，层厚状，裂隙不发育：2cm以上卵砾石含量约45%，粒径多为25cm，最大粒径达20cm左右，卵砾石成分以灰岩、白云岩为主，租颗粒间连接弱，岩芯易崩断，最大侵入断面4.5米：
15b-3中等胶结砾岩（430m）：灰色、灰紫色及褐红色，砾状碎屑结构，泥质孔隙式或基底式胶结，胶结较差，巨厚层状构造，裂隙不发育，岩体完整性较好：2cm以上骨架颗粒含量约60%左右，粒径多为2~5cm，最大粒径可达10cm以上；成分以灰岩、白云岩等硬质岩为主，岩芯多为15~40cm柱状，岩质较软，天然单轴抗压强度平均值14.88Mpa，最大值24.4Mpa，最大侵入断面4.2米.
2.工法特点
2.1工效高：该工法的应用使得该地层的掘进效率提高，尽量保障盾构的掘进连续性.
2.2安全性高：该工法有效的避免了大直径盾构上软下硬复合地层穿越引起的卡机、刀盘磨损、刀具破坏等带压进仓修复的施工风险，大大提高了生产的安全性.
2.3.经济效益好：该工法的使用保障了盾构掘进的效率，减少了停机检修的频率、大大降低了刀具更换的频率，壁后注浆质量一次成型质量稳定，降低了二次注浆的成本.
3.适用范围
本工法适用于复杂地质条件下的隧道工程中采用盾构法施工的软硬不均地层掘进工艺.
4.工艺原理
软硬不均地层的掘进是盾构施工的一大难点，施工时存在的难题有以下几点：1)刀盘、刀具在地层中的磨损严重：
2）掘进推力大、扭矩大，盾构姿态控制难度大；
3)壁后注浆受不同地质条件影响填充不均匀形成后期管片变形：
针对以上特点，确定采用相应的处理方法，以克服上述风险.首先是在盾构机的选型上确定适应地层的刀盘刀具配置，既要满足硬岩切削又要满足软岩掘进需要，还要尽量保证刀盘的开口率，以满足渣土外排的需要.其次在刀盘刀具配置、刀具适应性层次配置及更换管理上适应全线的不同地层针对性的设计.据进过程中通过掘进参数控制、和同步注浆质量控制，保证在上软下硬复合地层的顺利实施.
5.施工工艺及操作特点
5.1盾构选型配置
为了满足整个隧道的掘进地层及设计断面的需求，在上软下硬地层的江中地段、首要考虑既要满足全线的软土地层的掘进又要满足硬岩地层的掘进.其次在盾构机设计的推力和扭矩及耐压程度满足该工程软硬不均地层的需要.武汉地铁8号线越江隧道泥水盾构机的主要参数见下表
项目 盾构设备参数 备注（本工程设计参数）最小转弯半径 650m最大耐压 8bar 6. 74bar最大坡度 5% 2.7%开挖直径 12540mm 12100mm最大掘进速度 60mm/min 60mm/min最大推力 156753kN@350bar 140000kN最大扭矩 18373~24620kN. m 17194~20312kN. m开口率 28.5%
5.2盾构刀盘刀具配置
整个掘进过程中主要的矛盾集中体现在，由于软土刀盘掘进硬岩地层对刀具的磨损严重，且刀盘的扭矩推力会随硬岩地层侵入的比例提高而持续增高，不能保证盾构掘进效率，而12米级直径全断面滚刀的配置方案使得刀盘的开口率非常小，对掌子面渣土的流动和外排造成局限性，且可能造成刀盘在软土层掘进过程中的刀盘结饼现象，不能
满足距离较长的软土地层的掘进需求，在综合软土刀盘和硬岩刀盘的掘进效率及适应
性分析，确定了保证较大开口率及常压换刀技术的前提下，在软土刀盘的设计基础上，应用部分常压可更换滚刀的设计，最终刀盘开口率设计为28.5%，由于滚刀的设计主要为应对中等胶结砾岩，在考虑绝大部分断面占比和开口率的综合条件下，设置半断面滚刀15把，可切削半径为外半径上2.4米.
刀盘幅条面板式6个臂，设置12个高压冲刷口.刀具共347把其中可更换双刃滚刀：
15把（边缘3.5米范围）：可更换先行刀：8把：可更换刮刀：43把；中心可更换刀：10把；固定先行刀：8把：固定刮刀：123把：边缘刮刀，12套（78把）；
5.3刀具适应性层次配置及更换管理
盾构机的刀盘刀具配置主要为常压下可更换的滚齿互换和常压可更换刮刀，刀具设计有3层高度中心刀、正面撕裂刀、常压可更换滚齿互换齿刀的刀高225mm为第一层：焊接式撕裂刀205mm为第二层：常压下可更换刮刀、螺栓固定式刮刀185mm为第三层.
在掘进过程中，刀盘刀具起关键作用的主要是刀高为225mm和185mm的两层常压可更换的刀具，
据地层切入硬岩地层的断面尺寸和据进参数数据，将15把滚刀根据由外及里的顺序进行由齿刀逐渐代替为滚刀，不宜更换过早，否则导致滚刀的启动扭矩不足，无法转动，而形成滚刀的偏磨，造成刀具的浪费.
