盾構(gòu)掘進(jìn)過程中粒徑卵石和漂石的處理措施

4.3大粒徑卵石和漂石的處理處理措施大漂石通常是指粒徑大于200mm的大石塊，通常賦存在砂卵石地層或其他土層中，其空間分布具有較大的隨機性，很難找到規(guī)律，由于鉆探布孔密度的原因，地質(zhì)勘察時不易被發(fā)現(xiàn)，給盾構(gòu)施工造成極大困難。其影響主要表現(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；大漂石無法破碎，導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)受阻或偏離線路。盡管用盤形滾刀破碎大漂石常常是非常有效的方法，但在某些地質(zhì)條件下隧道中的大漂石不能被破碎，必須采取其他方式進(jìn)行處理，這就需要對大漂石所存在的地質(zhì)狀況進(jìn)行研究，以便列大漂石進(jìn)行預(yù)測，從而提高隧道的開挖效率。大漂石破碎原理在滾刀破碎卵石的過程中，以其通過線為起點，逐漸產(chǎn)生拉伸力，從而將卵石破碎。如果是較小的卵石，破碎過程就如用鋼釬打人一樣。大直徑卵石從表面出現(xiàn)細(xì)小的剝落開始，然后逐漸累積，根據(jù)切割連帶效果和滾刀的連續(xù)運轉(zhuǎn)帶來的沖擊，以刀尖為起點開始出現(xiàn)裂痕，最后實現(xiàn)破碎，見圖4-03.町表而出現(xiàn) b）斜酸部分対 c）W碎成 心持續(xù)破碎小塊剝落 剝落部分 27塊大塊圖4-03大漂石破碎示意圖大漂石對盾構(gòu)選型的影響盾構(gòu)穿越砂卵石地層時，刀具磨耗和大漂石的排出是影響盾構(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)過程中的換刀來解決。大漂石的排出問題比較復(fù)雜處理方式因地質(zhì)條件、盾構(gòu)的類型，以及刀盤和出渣裝置的結(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)計時，按可能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)的螺旋輸送機排出大卵石。對開挖堅實穩(wěn)定的地層可考慮采用輪輻式刀盤。當(dāng)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，另一方面也會因增大螺旋輸送機直徑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)人土壓艙，再通過螺旋輸送機或排泥管道排出。工作面破碎方式不僅能減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。盤形滾刀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(zhuǎn)動而滾動或滑過土層直接撞擊和切割遇到的大漂石。盤形滾刀以點荷載作用于大漂石，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)入機器；如果碎片仍就很大，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硬的大漂石。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是很牢固，地層松軟，當(dāng)?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(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)計軸線。盾構(gòu)選型上的針對性設(shè)計為保證大漂石地段盾構(gòu)的順利施工，根據(jù)大漂石的粒徑和分布特點，在盾構(gòu)的選型上做了針對性設(shè)計，對大漂石的破碎按照“破大放小”的原則進(jìn)行處理。盾構(gòu)刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)，并有多個開口槽，刀盤開口部分加焊隔柵及粒徑限制器，把300?400mm粒徑以上的卵石阻止在刀盤以外，只允許300?400mm以下粒徑的渣塊通過以利于渣土排出。刀盤上安裝有滾刀、撕裂刀、刮刀和切刀，被擋在刀盤外的大漂石靠滾刀滾壓破碎卵石。其中滾刀和撕裂刀的刀座形式相同，根據(jù)不同的地質(zhì)類型，刀具可以互換。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300?400mm粒徑，巖石碎塊和砂卵石通過刀盤上的開口進(jìn)入泥水艙內(nèi)，在機內(nèi)進(jìn)行第一次破碎，在氣壓艙的底部，在排泥管的前面安裝一個雙顎板式破碎機（圖4-04），將卵石再次破碎后，才進(jìn)入排泥管。破碎機能破碎的卵石的最大尺寸為400mm，其后配有隔柵條，用來限制進(jìn)人排泥管的石塊尺寸。另外一種是工作面破碎+卵石分級，盤形滾刀將大漂石在工作面進(jìn)行破碎之后，利用在氣壓艙與排泥管之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)式分級器進(jìn)行卵石分級處理，將粒徑大于50?70mm的卵石分離出來，采用斗車等運輸工具運至洞外。泥水式盾構(gòu)一般可以連續(xù)輸送的卵石長徑應(yīng)小于排泥管直徑的1/3，通常排泥管直徑為100?200mm，因此被排除的卵石直徑最多為50?70mm。由上可見，在含有大粒徑砂卵石地層中采用泥水式盾構(gòu)，需要列卵石進(jìn)行兩次處理，出土效率降低。圖4-04雙顎板式破碎機土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機進(jìn)行排土，由于配備的螺旋機直徑受到盾構(gòu)機尺寸的限制，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，通過最大卵石粒徑為250mm.采用帶式螺旋輸送機雖然可以連續(xù)排除卵石的粒徑要大得多，但是對于少見的大于600mm的漂石輸送也有困難，所以仍需利用刀盤上的滾刀將大粒徑的漂石破碎至300?400mm,然后通過刀盤上的開口進(jìn)人機內(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(gòu)只進(jìn)行一次破碎，且破碎的數(shù)量較少，出土效率高。土壓平衡盾構(gòu)的螺旋輸送機采用了雙螺旋、軸式，不僅提供更大的內(nèi)徑以利于大卵石的通過，而且有效地防止噴涌。螺旋輸送機直徑800mm?？奢斔土叫∮?00mm的卵石。為了提高渣土的流動性，可以向螺旋輸送機上的預(yù)留孔注入膨潤土、泡沫或聚合物。大漂石處理措施清除大漂石的工作對于工作人員工程項目都狠危險。開挖面坍塌司能造成施工人員傷亡，也可能引起隧道頂部地面過大沉降。常壓進(jìn)入土艙或泥水艙的風(fēng)險極大，通常需要從地面注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。大漂石處理措施如下：加強地質(zhì)預(yù)報根據(jù)工程地質(zhì)詳勘資料，通過地質(zhì)調(diào)查結(jié)合補充地質(zhì)鉆探，進(jìn)一步確定大漂石可能存在的位置，以便提前采取有效措施處理。掘進(jìn)過程中出現(xiàn)走漂石的判斷在掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)下列情況之一時，初步判斷刀盤前方遇到大漂石：（1） 當(dāng)?shù)侗P前面出現(xiàn)異常聲音時。（2） 當(dāng)正常掘進(jìn)速度突然變小時。（3） 當(dāng)盾構(gòu)機推力、扭矩出現(xiàn)波動大時。（4） 當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)刀盤顛簸情況，無法繼續(xù)掘進(jìn)時。利用盾構(gòu)機掘削處理大漂石利用盾構(gòu)機掘削處理大漂石應(yīng)注意以下幾點：（1）在盾構(gòu)到達(dá)大漂石地段前應(yīng)做好刀盤刀具的檢查．保證刀盤刀具處于良好的地層中。（2）改變掘進(jìn)參數(shù)，適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)數(shù)，增大推力，將刀具的貫入量控制在10mm/r以下，同時刀盤采取正、反轉(zhuǎn)的方式緩慢掘削大漂石。同時注意控制刀盤的扭矩變化量在10%以內(nèi)。刀盤正、反轉(zhuǎn)的過程中應(yīng)有耐心，不得急躁。（3）土壓平衡盾構(gòu)在掘削大漂石時，應(yīng)盡可能多地向刀盤、土艙以及螺旋輸送機內(nèi)加人泡沫進(jìn)行潤滑。泡沫添加時減少泡沫摻入量，即注入量較大，其中水含量較多，泡沫相對正常掘進(jìn)時加入的比例要小。帶壓進(jìn)艙處理采取上述措施后，若未能破碎大漂石，優(yōu)先考慮帶壓處理。中鐵隧道集團在富水砂卵石地層中已成功實施泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙技術(shù)。作業(yè)人員進(jìn)人泥水艙（或土艙）利用液壓錘或靜態(tài)爆破進(jìn)行大漂石的處理。地層加固后常壓進(jìn)艙處理在帶壓進(jìn)艙條件不允許時，考慮從地面進(jìn)行地層加固，待掌子面有足夠的自穩(wěn)能力后，進(jìn)入泥水艙（或土艙）利用液壓錘進(jìn)行大漂石處理。常壓進(jìn)艙地層加固應(yīng)綜合考慮地質(zhì)情況、隧道埋深、地面環(huán)境等因素，確定加固措施。地層加固方面的工程實例較多，在此不做詳細(xì)介紹。深孔爆破處理（1）在地表鉆孔爆破處理深孔爆破是指孔深在5m以上的鉆孔爆破技術(shù)，可根據(jù)大漂石的形狀、大小來具體確定孔徑、深度和裝藥量大小，對厚度較大的大漂石可實施分層爆破?？紤]盾構(gòu)機的出渣能力，爆破后石塊的單邊長度控制在300mm以下，以利于螺旋輸送機順利出渣。爆破后石塊的大小通過調(diào)整爆破孔間距和用藥量來進(jìn)行控制。鉆孔直徑為110mm，間距和排距均為800mm，孔內(nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，起爆雷管選用順發(fā)電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標(biāo)準(zhǔn)直徑為60mm。（2）水下爆破處理結(jié)合物探和鉆探探明隧道開挖范圍內(nèi)存在孤石群，采用水下爆破方法處理孤石。采用地質(zhì)鉆機垂直鉆孔，土層鉆孔徑為100mm，進(jìn)入巖層鉆孔直徑為89mm，孔內(nèi)雷管選用毫秒導(dǎo)爆管雷管，起爆雷管選用瞬發(fā)電雷管，炸藥選用乳化炸藥，標(biāo)準(zhǔn)直徑為60mm。由于巖石厚度不均，考慮到測量以及藥包吊裝過程中產(chǎn)生的誤差（誤差累計不得超過10cm）,孤石爆破時，單孔單體爆破裝藥長度與巖石厚度相同；多孔單體爆破相鄰兩個炮孔中的一個炮孔鉆至孤石底面（即鉆穿），裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10cm不裝藥，其鄰孔孔底距離孤石底面10cm，裝藥至炮孔底部，孤石頂面留10cm不裝藥。另外由于起爆體上方有約15m高的水柱，壓強相當(dāng)大，因此在起爆體下方懸掛一個金屬吊裝體用于抗浮。由于孤石埋層較深，體積較大，厚度不均等原因，從而導(dǎo)致其一次性爆破破碎難度較

大。為了便于施工及提高爆破破碎效果，采取首先對前排孔進(jìn)行爆破，然后利用前排孔爆破擠壓周圍土層產(chǎn)生的自由面，再對后排孔進(jìn)行逐個起爆的方法。炮孔間排距均為0.8?1.2m,具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖4-05。每塊孤石均鉆至無巖石為止，從而可確定孤石的邊界，布孔形式采用矩形或梅花樁形，孤石爆破布孔平面見圖4-06。削度2.0mtlT 卑世以上削度2.0mtlT 卑世以上圖4-05圖4-05孤石爆破布孔示意圖圖4-06孤石爆破布孔平面圖人工挖孔樁或沖孔樁破碎對個別體積較大的大漂石，采用地表人工挖孔樁或沖孔樁的方法破碎，設(shè)計挖孔直徑1.5m。人工挖孔至孤石位置，采用風(fēng)鉆打眼，間距300mmX300mm,梅花狀布置，孔徑40mm。鉆孔結(jié)束后使用巖石劈裂機對大漂石進(jìn)行破碎，破碎后渣塊被清理吊出，破除至盾構(gòu)機周身范圍以外15cm。大漂石破碎后，對孔洞進(jìn)行黏土回填，并隨填隨夯，保證密實度，同時在孔中埋設(shè)注漿管，回填完畢后對其進(jìn)行注漿加固。準(zhǔn)確判定大漂石的位置后，用沖孔鉆機從地面沖孔破碎也是一種有效的處理方法。在實際盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，基本未出現(xiàn)因盾構(gòu)掘削未能破碎大漂石而采取帶壓進(jìn)艙或常壓進(jìn)艙處理的情況，這充分證明按照“破大放小”的原則