盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨 (1)

     摘要:研究目的:盾构机目前已广泛应用于各种土建工程领域。利用盾构技术解决地铁工程中长距离硬岩掘进的工程实例不多见。本文主要研究运用盾构机在硬岩段掘进的适应能力以及在硬岩段掘进可能出现的问题和需采取的措施。
    研究方法:文章通过广州地铁1个长距离硬岩掘进的工程实例,收集施工过程中相关的数据、出现的问题以及所采取的对策等资料,并对这些信息进行分析。
    研究结果:根据该工程的施工过程得出盾构机在硬岩中的掘进是可行的,出现的问题能够通过采取相应的措施予以克服。
    研究结论:由于本段硬岩有极细小裂隙且裂隙多被石英细脉充填,因此盾构能够顺利掘进。可以得出结论:只要裂隙发育,即使岩石单轴抗压强度高,可以通过选用适宜的盾构机型、合理地进行刀盘和刀具配置,完全可以顺利地在硬岩中掘进,而且比其它工法掘进速度更高。
    关键词:盾构机;长距离硬岩;掘进;探讨

    盾构技术已广泛应用于软土地层和复合地层中修建地铁隧道,尤其是广州、深圳的复合地层可能遇到各种土类、岩类及其混合类。若遇到长距离(大于100m)的硬岩,通常采用传统工法即利用矿山法开挖隧道,盾构机拼装管片通过。这是建立在以往在硬岩中成洞速度与工法间的关系的统计基础的结论既连续硬岩段长度将近 100m以后,矿山法的成洞速度大于盾构法。本工程的硬岩在招标设计中同样是利用上述结论采用矿山法开挖,盾构机拼装管片。由于工期因素,无法按原定组合工法实施,只能尝试用盾构技术解决长距离硬岩掘进问题。

    1 工程概况
    1.1 工程范围
    广州轨道交通四号线大学城专线(仑大盾构区间),北起仑头后底岗盾构始发井始发,经仑头村穿越仑头海至官洲岛,到达官洲站,通过官洲站再次始发后经官洲村、官洲河,至大学城吊出井,矿山法施工到大学城站结束。总长为2826.5m,其中盾构法区间隧道为2301.3m,包括7个联络通道、2个废水泵房。其中始发段和仑头海底两段合计共有300多米〈9Z〉微风化混合岩的硬岩段。
    1.2 硬岩段施工招标设计
    始发段的硬岩在招标设计中考虑到盾构机破硬岩效率可能不及矿山法,所以招标设计的施工工法是按传统工法考虑既以钻爆法开挖,管片拼装通过,来攻克长距离硬岩段的。但工程在实施过程中,由于始发井围护结构地下连续墙入岩较深,而且没有出现地质剖面图中的〈7Z地层〉,完全是岩性较硬的〈9Z〉地层,因此地下连续墙施工进度十分缓慢,工期滞后十分严重,导致钻爆法开挖,管片拼装通过的组合工法难以按原招标设计施工工期目标实施,同时在仑头海底也存在〈9Z〉硬岩段,根据当时进度状况和为顺利快速通过仑头海积累硬岩掘进经验,经过多次方案研讨认为,通过选择耐磨性好的刀具以及加大刀具检查频率和更换刀具频率是有解决长距离硬岩掘进难题的,并同意始发段硬岩段由原来钻爆法开挖,管片拼装通过变更为盾构直接掘进通过。
    1.3 工程地质描述
    该工程盾构始发后处于直线上,始发线路坡度为27.75‰。从上至下地层依次为〈4-3〉坡积土层、〈5Z-2〉红层硬塑或中密状残积土层、〈6Z〉混合岩全风化带、〈7Z〉混合岩强风化带、〈8Z〉混合岩中等风化带和〈9Z〉混合岩微风化带,具体见《始发阶段地质剖面图》。其中有100多m,隧道洞身完全处于〈9Z〉混合岩微风化带,该套地层岩性为:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒结构,块状构造,裂隙多较发育,岩芯呈短柱状、碎块状为主,部分长柱状,岩石多破碎,敲击声脆。此段〈9Z〉微风化混合岩的硬岩段长度将近200m,根据地质补充勘察资料显示该段天然抗压强度平均值为78.2Mpa,岩样取芯的最大单轴抗压强度达到98.1MPa。
   
    盾构隧道结构主要穿越的相关各地层特性描述如下:
    〈7Z〉层混合岩强风化带:岩性为震旦系混合岩,呈褐黄、褐红及灰白等色,岩石已遭强烈风化,裂隙发育,岩芯多呈土夹碎块状,手捏易碎。
    〈8Z〉混合岩中等风化带:呈黄色、褐灰、青灰色等,岩石中粗粒结构,块状构造,矿物成分基本未变化,节理裂隙较发育,岩芯较新鲜,多呈碎块状,局部短柱状,裂隙面具褐色风化膜,锤击声较脆,轻击不易碎。
    〈9Z〉层混合岩微风化带:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒结构,块状构造,裂隙多较发育,岩芯呈短柱状、碎块状为主,部分长柱状,岩石多破碎,敲击声脆。