如何處理盾構施工大漂石

1、泥水盾構和土壓平衡盾構施工技術在過去的幾十年里獲得了巨大的技術進步。然而，在盾構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)試驗段地質詳勘報告和全線地質咨詢報告，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成了影響，因此必須研究大漂石對盾構機選型的影響和對大漂石的處理問題。1大漂石對盾構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性，很難找到規(guī)律，不易被鉆探發(fā)現(xiàn)，

2、故給盾構施工造成極大困難。對施工和設備的影響主要表現(xiàn)在：刀具磨損嚴重、刀座變形、刀具更換困難；刀盤磨耗導致刀盤強度和剛度降低，引起刀盤變形；刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞；刀盤堵塞，盾構機負載加大等，更有甚者是大漂石無法破碎，致使盾構掘進受阻或偏離線路。盾構穿越砂卵石地層時，刀具磨耗和大漂石的排曲是影響盾構掘進的兩個主要問題。刀具磨耗通常通過提高刀具耐磨性和掘進中途換刀來解決。大漂石的排生問題比較復雜，處理方式因地質條件、盾構的類型以及刀盤和由渣裝置的結構和形式而有所不同。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，即要求在盾構選型和刀盤設計時，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的螺旋輸送機排由大卵石。對開挖堅實穩(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)幅當最大卵石直徑超過200mm時（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直徑增大引起排渣裝置成本增加并造成盾構空間布置困難。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刀盤上設計安裝可對大漂石或卵石進行破碎的刀具，對石塊進行先行破碎，破碎后的小塊巖渣經(jīng)刀盤開口進入土壓倉，再通過螺旋輸送機或排泥管道排由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?shù)额^碰到大漂石時大漂石僅會簡單地偏移或被彈開。由于不能傳遞破碎力，因此達不到破碎的目的。而且被刀盤推向隧道側面的大漂石甚至會導致盾構轉向，使盾構偏離隧道設計軸線。2隧道開挖過程中大漂石的行為預測盡管用盤形滾刀破碎大漂石常常是非常有效的方法，但是一些工程的實際情況表明在莫些地質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狀況進行研究，以便對大漂石的行為進行預測，從而提高隧道的開挖效率。2.1 盾構掘進時大漂石的行為當認為大漂石位于隧道軸線上時，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、不適合進入盾構渣土處理系統(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，此時盤形滾刀隨著刀盤的轉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入機器。如果

6、碎片仍就很大，它們就必須由盤形滾刀進一步破碎。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硬的大漂石。有時盤形滾刀破碎不了大漂石，此時大漂石往往被刀盤的旋轉推力彈開或被推向隧道旁邊。若大漂石處在盾構的外側，它們實際上可能會擠壓盾構使其偏離方向。如果隧道左側土壤軟弱，而右側是堅硬的大漂石，機器將轉向阻力最小的左側，如果這種情況過大，隧道的軸線將偏斜。若土質太軟弱，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目都很危險，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行加固。這個方法非常有效，但要求隧道暫停掘進。因此造成時間耽擱和成本增加。2.2 大漂石行為的預測方法雖然適當?shù)牡刭|調(diào)查能夠揭示由盾構掘進時是否會遭遇大漂石，但是隧道開挖時大漂石的許多行為以及它對盾構掘進的影響仍然是未知的。常用的預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算用簡單承載能力法，即將盤形滾刀施加的力以點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。該法簡單實用,但也有一些不足。首先，刀具上的載荷難以確定。雖然盾構千斤頂?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，該法是為淺基礎而開發(fā)的，因此沒有考慮剪切強度方面的限制，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、示大漂石的破碎機理。因此應考慮預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)點位移來模擬。每一位移之后，有限元程序可通過巖石破壞標準檢驗大漂石的應力水平，當超過其強度極限時，將引起大漂石破壞。程序也可以檢查和計算地基的反力。隨著盾構的推進,當?shù)鼗姆戳Σ辉僭黾訒r則意味著土壤已經(jīng)發(fā)揮了其強度的所有能力以抵抗位移。當土壤不能抵抗任何更大的位移時，巖石將在持續(xù)的載荷作用下移動。這種巖石運動說明了土壤已經(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、元計算可將巖石和土壤之間的關系量化，即根據(jù)大漂石與土壤的剪切強度比率預測盤型滾刀能否有效破壞大漂石。研究還表明當大漂石的剪切強度比土壤大600倍時,大漂石將表現(xiàn)由無限強大。它不會被破碎，但會像固體物體一樣移動。有限元計算還可預測當大漂石富集成群或分散分布時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，盾構選型通常主張選用密閉式泥水式盾構或加泥式土壓平衡盾構。3.1 泥水式盾構泥水式盾構處理大漂石方式有兩種，一種是工作面破碎+機內(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入機內(nèi)，在機內(nèi)進行第二次破碎，其破碎設

11、備可放在土壓倉內(nèi)，如圖2。也可設在后方排泥管之前，將礫石再次破碎后，才進入排泥管。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行破碎之后，利用在土壓倉與排泥管之間設置的旋轉式分級器進行礫石分級處理，將粒徑大于5070mm的礫石分離由來，采用斗車等運輸工具運至洞外。泥水式盾構一般可以連續(xù)輸送的礫石長徑應小于排泥管直徑的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。可見，在含有大粒徑砂卵石地層中采用泥水式盾構，需要對礫石進行兩次處理，生土效率降低。3.2 加泥式土壓平衡盾構加泥式土壓平衡盾構采用螺旋輸送機進行排土，由于配備的螺旋機直徑受到盾構機尺寸

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直徑為700mm時,通過最大礫石粒徑為250mm,采用帶式螺旋輸送機雖然可以連續(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入機內(nèi)后采用帶式螺旋輸送機排土，所以采用加泥式土壓平衡盾構只進行一次破碎，且破碎的數(shù)量較少，生土效率局。4結論1）大漂石的存在影響盾構機的選型。在盾構機選型前必須首先掌握隧道掘進線路的地質資料和數(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測。計算結果表明大漂石與土壤的剪切強