软硬不均地层是指在隧道开挖范围存在2种以上岩土力学性质、地质特征差异较大的地层, 是复合地层的一种典型表现^[1]。软硬不均地层盾构施工技术一直是盾构法隧道施工的一个难题, 影响盾构施工安全、进度、效益。许多工程技术人员针对这一问题开展了诸多方面研究。文献[2,3]总结了台山核电取水隧洞工程采用水下爆破法和袖阀管注浆加固相结合的方式处理软硬不均地层的施工方法, 文献[1]系统总结了国内盾构在软硬不均地层施工的历程, 从软硬不均地层的概念、对盾构施工的影响及作用机理和深孔爆破预破碎方案对盾构施工所带来的次生危害等方面进行分析, 提出了直接采用盾构机掘进通过软硬不均地层的方法;文献[4]针对深圳地铁7号线在软硬不均地层情况下盾构隧道下穿既有隧道及过街通道问题, 采用数值分析方法对盾构施工进行全过程模拟及掘进参数优化分析;文献[5]结合广深港狮子洋隧道从刀盘刀具配置、掘进参数、姿态控制、同步注浆等方面总结了大直径泥水盾构穿越上软下硬地层施工中应注意的主要方面。文献[6]结合广深港狮子洋隧道对软硬不均地层特征、刀盘刀具配置、盾构掘进参数的选取及盾构姿态控制进行了总结分析;文献[7]针对长株潭城际铁路湘江隧道工程, 研究了土压平衡盾构在浅埋高黏性上软下硬地层掘进施工技术;文献[8]总结了南京长江隧道工程盾构在软硬不均且差异性较大地层施工风险及对策;文献[9]总结了深圳地铁5号线各类复杂地层中盾构施工经验;文献[10]结合北京地铁4号线, 研究了软硬不均地层条件下的盾构掘进参数、盾构机姿态控制技术;文献[11]研究了双模式盾构在煤矿斜井施工时穿越软硬不均地层及破碎地层时的施工措施。

上述研究人员结合国内典型的盾构隧道工程, 总结了盾构在软硬不均地层施工时地层处理方式、掘进参数控制、掘进机针对性设计等方面的成功经验。但是这种方式是基于具体工程总结的, 一方面局限在工程地质、装备性能、建设条件等诸多因素, 在对后续盾构工程掘进参数选取方面具有一定的局限性;另一方面, 未曾见到针对具体工程开展软硬不均掘进试验研究的案例, 本文针对苏埃通道工程存在的盾构穿越主航道下方软硬不均地层的施工难题, 利用工程现场岩样, 开展软硬不均地层施工盾构关键参数模拟试验, 研究不同刀间距、不同掘进参数条件下滚刀受力变化情况及破岩效果, 研究贯入度、推力、扭矩在软硬不均地层的规律特征, 探讨软硬不均地层盾构与围岩之间的相互作用力对地层稳定性、盾构装备可靠性的影响, 为盾构刀盘设计及施工参数的选取提供参考。

汕头苏埃通道工程路线总长6.68km, 其中北岸接线长250m, 南岸接线长1 130m, 隧道长5 300m (其中北岸暗埋段长873m, 盾构段长3 047.5m, 南岸暗埋段长437.5m) , 开挖直径为15.03m, 盾构穿越的地层主要有淤泥、淤泥质土、粉质黏土、细砂～粗砂、砾砂、局部地段中～微风化花岗岩, 地质情况如图 1所示。其中, 顶部淤泥混砂、淤泥;洞身掘进段泥质混砂、中粗砂、粉质黏土、淤泥质土、砾质黏性土;底部中粗砂、淤泥质土、砾质黏性土段的掘进长度约为2.07km, 占总掘进长度的65.9%。盾构区间覆土厚度为8～17.2m, 盾构区间最小埋深在始发端头位于淤泥层中, 隧道埋深8m左右, 到达端头位于淤泥和砂层中, 隧道埋深14m左右, 盾构隧道最大埋深位于穿越海湾主航道处, 覆土厚度为13.7m, 位于海平面下21.3m (平均潮水线) , 理论洞顶水土压力约3.75bar (1bar=0.1MPa) 。

隧道盾构段在海中主航道下方存在有3段硬岩突起, 长约182m, 侵入隧道最大高度约6m, 如图 2所示。基岩突起段主要是微风化花岗岩块状构造, 裂隙较发育, 局部存在强度较大的微风化花岗岩, 该段上部为极软的淤泥质土层, 盾构掘进作业面地层上下差异性十分严重, 刀盘刀具受力将非常不稳定, 若掘进参数设置不合理, 在交变荷载影响下, 可能引起隧道上部软土塌陷;同时, 交变荷载对盾构刀盘刀具也会产生不利影响, 可能造成刀具失效或者降低盾构驱动系统的工作稳定性。

利用滚刀岩机作用综合试验台开展试验, 试验台结构如图 3所示。3把盘形滚刀及刀箱安装在移动架上, 推进油缸驱动移动架在竖直方向移动, 模拟盾构推进过程;岩样按照设计尺寸浇筑在岩箱内, 岩箱可按照设定转速旋转, 实现滚刀与岩样之间的相对运动, 模拟盾构刀盘旋转破岩过程。试验前调整好3把滚刀的刀间距 (试验计划的刀间距为90, 100, 120mm) , 设定好岩箱转速和掘进速度, 参数设置如表1所示, 试验中记录推力、总扭矩变化情况。利用汕头苏埃通道工程现场取回的花岗岩与水泥砂浆 (体积比1∶1) 搭配浇筑岩样来模拟软硬不均地层 (见图 4) 。

当滚刀间距分别为90, 100, 120mm时均能有效破岩, 岩样表面无岩脊。岩石破碎情况如图 5所示, 每种刀间距情况下, 尽管掘进参数有所不同, 但是滚刀轨迹之间的岩石均能破碎且破碎区贯通。

对每种刀间距情况下破碎的硬岩岩渣进行收集, 筛分和称重, 所得不同刀间距条件下不同粒径的岩渣分布数据如表2和图 6所示。从图6中可以看出, 同一种刀间距下, 粒径在40～50mm块状岩渣和粒径在2.5mm以下的粉状岩渣所占比例比其他粒径下的岩渣要高, 其中90mm刀间距下的粉状岩渣比例高达31.94%, 其他两种刀间距下的粉状岩渣比例≤30%, 分别为26.53%和27.87%, 3种刀间距下粒径在40～50mm块状岩渣占比均在约12%, 其中90mm刀间距下的为15.82%, 100mm刀间距下的为10.01%, 120mm刀间距下的为12.73%。对于粒径在50mm及以下的岩渣, 其分布趋势受刀间距的变化影响较小, 分布趋势均比较相似;对于粒径在50mm以上的岩渣, 其分布趋势受刀间距的变化较大, 尤其是对于粒径为100mm以上的岩渣, 影响尤为明显:刀间距为90mm时未产生100mm以上粒径的岩渣;刀间距为100mm时, 该粒径下的岩渣占比为1.15%;刀间距为120mm时, 所占比例为4.85%。这说明刀间距增大后, 有利于产生大块岩渣。

将刀间距分别调整为90, 100, 120mm, 调整掘进参数, 获取每种刀间距不同掘进参数下的推力、扭矩值变化曲线, 刀间距为100mm时不同掘进参数下的推力扭矩与时间的关系曲线如图 7所示。从图中可以看出, 在软硬不均地层条件下破岩时, 无论掘进参数如何选取, 推力和扭矩总是周期性波动, 结合试验过程观察发现, 当有滚刀进入硬岩区域时, 推力在波动的过程中逐渐增大, 当3把滚刀完全进入硬岩区时, 推力达到最大, 当有滚刀离开硬岩区进入软岩区时, 推力逐渐减小, 当滚刀全部进入软岩区域后, 推力达到最小值。随着岩箱的转动, 推力周而复始呈现周期性波动, 此周期与岩箱转速有关, 从图 7a～7f中对比发现, 刀盘转速越大, 波动的频率越大。总扭矩的波动步调与推力的基本保持一致, 这种周期性变化的荷载作用在开挖面上时, 将对开挖面的稳定性造成不利影响, 易引起上部软土液化, 带来冒浆、海水贯入等风险, 也恶化刀盘刀具的受力状态, 可能造成盾构刀盘刀具的疲劳损坏, 降低刀盘刀具使用寿命。

从图7中可以看出, 推力峰值基本保持在600～700kN, 扭矩峰值保持在3 000～5 000N·m。对于17in (1in=2.54cm) 盘形滚刀, 其刀具设计承载力为250kN, 实际工作时, 一般将工作荷载保持在其设计承载力的80%左右, 即200kN左右。试验中, 滚刀破硬岩时的平均推力已达600kN以上, 峰值推力达到790kN以上, 试验台的3把滚刀实际受力已达到并超过其设计荷载, 这种工况容易损坏滚刀, 降低其使用寿命, 因而, 对于苏埃通道工程, 应选用更高承载力的滚刀轴承或选择更大直径的滚刀。

分析不同刀间距和掘进速度下滚刀均在硬岩区时的推力和扭矩的试验值, 汇总如表3所示, 得到不同刀间距下贯入度与推力、扭矩的关系曲线如图 8所示。从图中可看出, 在软硬不均地层情况下, 随着贯入度的增加, 滚刀破岩时的推力与扭矩呈波动式增长。对于推力, 当刀间距为90mm和100mm时, 其波动范围较小, 主要在550～650kN;当刀间距为120mm时, 其波动范围较大, 主要集中在 430～607kN, 对于总扭矩, 3种刀间距情况下, 扭矩的波动范围比较集中, 为2 400～3 200N·m。从总的趋势分布来看, 刀间距为90mm和100mm时的推力-贯入度曲线与扭矩-贯入度曲线位于刀间距为120mm时的推力-贯入度曲线和扭矩-贯入度曲线之上, 即说明前者破岩时所需的推力和扭矩大于后者。此现象说明, 在能保证有效破岩、滚刀之间不形成岩脊的前提下, 增加刀间距, 更有利于实现高效掘进, 因为滚刀破岩过程中, 各滚刀是顺次滚压, 刀间距比较大时, 有利于岩石裂纹的扩展及贯通, 形成大块岩渣, 有利于维持当前水平的贯入度;当刀间距变小后, 不利于裂纹贯通, 大块岩渣难以形成, 为维持当前的贯入度, 推进系统以提高推力来弥补。因此, 在能保证有效破岩的前提下, 应增大刀间距, 充分利用滚刀群协同作用, 形成大块岩渣, 实现高效破岩, 尽量避免以提高推力的方式来提高破岩效率, 避免刀具过载。

1) 对于苏埃通道工程软硬不均地层, 当刀间距为90, 100, 120mm时, 所选的掘进参数均能有效破岩, 刀具轨迹线之间的硬岩能够完全贯通, 无岩脊产生;从不同刀间距条件下获取的岩渣粒径分布情况来看, 刀间距增大, 将提高粒径在50mm以上的大块岩渣的占比, 有利于提高破岩效率。

2) 当掘进速度在3～5mm/min, 破碎硬岩时的推力均值保持在600～700kN, 单把滚刀 (17in) 平均受力均在200kN以上, 可以此为参考在盾构掘进时设定掘进参数。

3) 试验过程中, 17in盘形滚刀峰值推力已超过其承载力, 因此为提高刀具使用寿命, 对于苏埃通道工程而言, 建议选用更高承载力的滚刀轴承或选择更大直径的滚刀。

4) 试验过程中推力和扭矩呈现周期性大幅度波动, 且随着贯入度的增加而逐渐增大, 为降低这种交变荷载对地层稳定性和刀盘刀具可靠性的不利影响, 盾构在掘进过程中建议刀盘转速控制在1r/min以内, 贯入度控制在5mm/r以内。