趙先鵬,張 恒,陳壽根,楚興華

(1.西南交通大學(xué),四川成都 610031;2.中鐵一局城市軌道交通公司,陜西西安 710000)

盾構(gòu)穿越軟硬不均地層技術(shù)研究

趙先鵬1,張 恒1,陳壽根1,楚興華2

(1.西南交通大學(xué),四川成都 610031;2.中鐵一局城市軌道交通公司,陜西西安 710000)

隨著盾構(gòu)法施工技術(shù)在我國城市地鐵的發(fā)展,盾構(gòu)法越來越多的應(yīng)用到各種復(fù)合地層中,文章以深圳地鐵 5號線 5301標段前海灣～臨海站盾構(gòu)區(qū)間為工程實例,介紹了城市地鐵中軟硬不均地層的盾構(gòu)法施工技術(shù),對施工過程中刀具磨損、盾構(gòu)軸線偏移、地面沉降等施工難點作了分析,提出了解決方法,同時對類似工程有一定的借鑒作用。

軟硬不均地層; 盾構(gòu)施工; 隧道

通常在軟巖和硬巖分界處,較為堅硬巖層僅在隧道開挖面下半部分出露。由于巖石組成物質(zhì)不均勻、裂隙發(fā)育的差別以及地下水的作用等,使各巖層風(fēng)化帶中存在不同程度的不均勻風(fēng)化。由于地層巖性變化較大,軟硬不均地層多,軟硬不均現(xiàn)象明顯,局部存在不均勻風(fēng)化夾層,致使盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制困難,易發(fā)生盾構(gòu)機向上偏移事故且易造成刀口折斷,同時工況轉(zhuǎn)換頻繁也對地層產(chǎn)生擾動,易造成較大地表變形。因此,開展穿越軟硬不均地層的盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)研究是非常必要的。

國內(nèi)外就軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)進行了較多的研究,但成功的案例很少。新加坡地鐵CCL 1線隧道曾遇到軟硬不均的不穩(wěn)定地層,發(fā)生了地層坍塌事故,一再拖延工期[1]。日本青木公司采用土壓和泥水盾構(gòu)施工的廣州地鐵一號線,遇到部分軟硬不均地層,曾發(fā)生地層坍塌、地面四層樓房倒塌的事故。葡萄牙Oporto地鐵采用盾構(gòu)法施工的C線2.3 km隧道和S線2.7 km區(qū)間隧道,也曾遇到部分軟硬不均地層,終導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤刀具損壞。在我國,廣州地鐵在越三區(qū)間隧道施工中成功地實現(xiàn)了軟硬不均地層盾構(gòu)掘進。

圖1 五號線5301標地理位置

1 工程概況

前海灣站 ～臨海路站盾構(gòu)區(qū)間位于深圳市南山區(qū)前海灣東側(cè),連接南山區(qū)和寶安區(qū)(圖 1),隧道右線長 1 089.241 m,左線長1 066.825m,區(qū)間線路總長2 156.066m(包含長短鏈)。隧道埋深 12m,左右線中心間距12.5m。所在地區(qū)為海積平原,原地貌為瀕海漁塘,現(xiàn)已經(jīng)人工堆填,地形略有起伏,地面高程 0.60～11.63m。沿線附近主要建筑為在建深圳地鐵 1號線續(xù)建工程鯉魚門站、武警邊防七支隊、安樂碼頭等,市政管線稀少。

根據(jù)詳勘報告,前臨區(qū)間隧道開挖范圍內(nèi)主要以礫質(zhì)黏性土和砂層為主,左線在里程DK1+113.3～DK1+158.5范圍內(nèi)存在上浮基巖,基巖段長 45.2m,侵入隧道開挖范圍最高達5m,巖石抗壓強度最高103MPa,平均在56.6MPa。隧道上覆地層以雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏性土為主(圖 2)。

圖2 前臨區(qū)間左線地質(zhì)剖面圖

2 盾構(gòu)施工主要難點及原因分析

2.1 地面沉降

在軟硬不均地層中開挖時,軟巖強度小,穩(wěn)定性差,易于切削;硬巖部分強度較高不易切削。當(dāng)上部軟巖自穩(wěn)能力很差時,由于掘進對地層的擾動,使軟土地層容易液化,導(dǎo)致掌子面坍塌,引起地面不均勻沉降。施工時可適當(dāng)降低盾構(gòu)機推力及刀盤扭矩,減小對地層的擾動,可采用半敞開模式或土壓平衡模式掘進,然后向土倉注入壓縮空氣或泡沫等人工材料輔助進行開挖,既可以防止上部掌子面坍塌又利于檢查清理刀盤和更換刀具。同時,加強沉降監(jiān)測和出碴量管理,保證掘進順利進行。

2.2 刀具磨損

在軟硬不均地層中采用盾構(gòu)法施工時,刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞,刀盤受到的沖擊力很大,容易造成局部刀具受力超載,刀盤和軸承受偏心荷載作用致使主軸承受損或主軸承密封被破壞[2]。同時,由于切削所釋放的熱量高,導(dǎo)致刀盤刀具溫度升高,加速了刀盤刀具的磨損速度,對盾構(gòu)機工作狀態(tài)非常不利。為此,在確保掌子面穩(wěn)定的前提下,需要進入碴倉內(nèi)了解工作面軟硬不均程度,以確定掘進推力的大小,避免刀具超載工作而受破壞。盾構(gòu)機掘進時,應(yīng)注入足量的泡沫或膨潤土改良渣土,增加渣土的流塑性,減輕對刀具的磨損,減少換刀頻率,提高掘進效率。

2.3 隧道軸線偏離設(shè)計軸線

在軟硬不均地層中,土體性質(zhì)極不均勻,致使盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制困難,容易引起盾構(gòu)施工軸線偏離設(shè)計方向,盾構(gòu)掘進控制難度大。引起軸線偏離的主要原因有:⑴地質(zhì)條件。開挖斷面內(nèi)巖石軟硬不均,在軟硬巖交界處推力和扭矩變化較大,盾構(gòu)機有向地層較軟一側(cè)偏移的慣性[3]。因此,應(yīng)根據(jù)掘進面地層變化情況,設(shè)定合理的掘進參數(shù);(2)滾動偏差。刀盤切削土體的扭矩主要由盾構(gòu)殼體與洞壁之間的摩擦力矩來平衡。當(dāng)摩擦力矩?zé)o法平衡刀盤扭矩時將引起盾構(gòu)體的滾動,過大的滾動會引起隧道軸線的偏斜[3];(3)測量誤差。主要由儀器及人為因素引起的,可通過多級測量復(fù)核予以消除。

3 穿越軟硬不均地層盾構(gòu)施工技術(shù)措施

為了避免在盾構(gòu)掘進過程中發(fā)生刀具嚴重磨損、盾構(gòu)軸線偏移、地面沉降等現(xiàn)象,采取了基巖加固、合理布置刀具、氣壓換刀、設(shè)定合理的施工參數(shù)等措施,確保盾構(gòu)機能夠順利通過軟硬不均地層。

3.1 基巖加固

前臨區(qū)間左線基巖長度45.2m,里程為DK1+113.3～DK 1+158.5。根據(jù)以往軟硬不均土層的掘進經(jīng)驗和地質(zhì)情況,在上浮基巖段DK 1+116.3、DK 1+131.3、DK 1+146.3進行高壓單重管旋噴加固,并進行換刀。通過旋噴注漿,固化盾構(gòu)隧道頂部的淤泥層,降低淤泥的流塑性、透氣性,增加氣壓模式下地層的自穩(wěn)能力,為換刀工作創(chuàng)造條件。

高壓單重管旋噴樁直徑600mm,樁間距600mm,梅花狀布置。高壓單重管旋噴加固采用 42.5R普通硅酸鹽水泥配漿,水泥摻入量 150～200 kg/m3,漿液水灰比為 0.8～1.0,提升速度15～20 cm/min,旋轉(zhuǎn)速度為20 r/min;旋噴樁的孔位偏差小于50mm,樁體垂直度小于1.5%。同一樁體需數(shù)次噴射時,上下樁體的搭接大于 200mm。

旋噴加固范圍為:在加固點位置沿隧道縱向注漿 4m,隧道線路兩側(cè)向外各2m,加固深度至隧道底板,高度至頂板以上約4m.。

3.2 刀具的選擇及布置

根據(jù)施工地質(zhì)條件,選擇由德國海瑞克公司根據(jù)施工地質(zhì)條件制造的復(fù)合盾構(gòu)機,并配備了復(fù)合式刀盤。復(fù)合式刀盤:19把雙刃滾刀(其中 6把為中心滾刀),64把切刀,32把刮刀,如圖 3所示。雙刃滾刀用于擠壓、切削硬巖,保護齒刀和刮刀;切刀用于切削被滾刀擠壓破碎后的硬巖或軟巖及粘性土層;刮刀用于收集疏松的石碴并通過刀盤開口導(dǎo)入開挖倉的內(nèi)部[4]。為使刀具能一次掘進更長的距離,應(yīng)嚴格控制刀具質(zhì)量。

圖 3 盾構(gòu)刀盤刀具布置

3.3 氣壓換刀

由于前臨區(qū)間地質(zhì)條件差,隧道上覆土層存在軟塑狀淤泥,如果常壓換刀,存在一定風(fēng)險。為確保安全,加固區(qū)采用氣壓換刀。根據(jù)隧道埋深,倉壓控制在0.18～2.0MPa。換刀主要步驟如下:

(1)盾構(gòu)機推進至指定的加固區(qū)里程,準備好換刀人員和設(shè)備;

(2)在開啟壓力自動補償系統(tǒng)的情況下,一邊出土一邊向土倉內(nèi)充氣;

(3)待出土至隧道一半的位置后停止出土,換氣保壓工作繼續(xù)進行,檢查土倉保壓效果;

(4)如土倉保壓情況良好,溫度降低后人員即可進倉作業(yè)。

3.4 掘進參數(shù)

在基巖區(qū)盾構(gòu)掘進速度慢,對土體擾動大,很容易造成地面沉降或坍塌,其關(guān)鍵原因在于施工過程中未穩(wěn)定控制土倉壓力。根據(jù)前臨基巖區(qū)的線路埋深和地層情況,掘進參數(shù)選取如下:

(1)掘進土倉壓力:0.18～2.0MPa;

(2)扭矩:刀盤油壓在10～12MPa之間,扭矩引起油壓波動在2 MPa之內(nèi);

(3)推進貫入度:4～6mm/min;

(4)注漿:注漿材料要采用活性漿液,每方水泥含量不小于150 kg,注漿壓力不小于0.25MPa。

3.5 掘進姿態(tài)控制

軟硬不均地層,軟硬不均現(xiàn)象明顯,在掘進過程中,由于盾構(gòu)機受力不均勻,容易引起盾構(gòu)施工的實際軸線偏離設(shè)計方向。因此,盾構(gòu)機掘進時,要充分利用 VMT導(dǎo)向系統(tǒng)控制盾構(gòu)機的掘進方向。如果盾構(gòu)線路偏離設(shè)計線路,及時調(diào)整各項掘進參數(shù),遵循“長距離,緩糾偏”的思想,對盾構(gòu)姿態(tài)進行調(diào)整,避免糾偏過猛,引起盾構(gòu)機蛇形前進,造成刀具磨損和管片拼裝困難。

3.6 其它措施

盾構(gòu)掘進時,必須保證同步注漿系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、密封油脂系統(tǒng)正常運行。

同步注漿系統(tǒng)使?jié){液填充管片與周圍土體的間隙。待漿液凝固后,與管片結(jié)為一體,管片可盡早支撐地層,防止地層變形過大,還可以起到防水和加固結(jié)構(gòu)的作用。為提高注漿層的防水性及密實度,可進行二次注漿。

泡沫系統(tǒng)可改良渣土的力學(xué)性質(zhì),經(jīng)過改良后的土體具有很好的流塑性、止水性,螺旋輸送機出土順暢,更好地形成土塞效應(yīng)來控制土倉內(nèi)的土壓力。還可以減小與刀盤之間的摩擦力,延長刀具的使用壽命[5]。

密封油脂系統(tǒng)保證盾尾密封性能,避免因漏漿造成地表沉降超限。同時,向刀盤軸承壓注密封油脂,可避免刀盤軸承處因滲入土渣而影響刀盤的正常轉(zhuǎn)動。

3.7 施工注意事項

(1)在條件允許下,經(jīng)常有計劃地進入土倉了解工作面軟硬不均程度和檢查刀具狀態(tài),以確定掘進推力的大小,避免刀具超載工作受損。

(2)當(dāng)盾構(gòu)機處在軟硬不均地層時,盡量避免在土倉上部地層差的地段換刀。必須在這樣的地段更換刀具時,根據(jù)刀具的磨損情況準確定出更換刀具的位置,提前對該位置地層進行加固處理,待加固體達到強度要求后,再進行氣壓換刀作業(yè)。

(3)同步注漿過程中,注漿量必須足量。如果漿液過少,地面將會引起地層不均勻沉降,必要時還要進行二次注漿。

(4)針對防“泥餅”問題:盾構(gòu)機必須配置泡沫注入系統(tǒng),向刀盤前面、土倉和螺旋輸送機注入泡沫,改善渣土流塑性,利于渣土進入土倉[6]。

4 結(jié)束語

本文以深圳地鐵五號線前海灣站 ～臨海站區(qū)間盾構(gòu)穿越軟硬不均地層為工程依托,通過對現(xiàn)場資料的分析和提煉,得出了如下主要結(jié)論。

(1)在復(fù)雜地層施工時,根據(jù)地質(zhì)變化情況,嚴格控制出土量,注射足量的同步漿液,確保盾尾刷有良好的密封性,可有效避免地面不均勻沉降。

(2)盾構(gòu)掘進時,采取加泡沫或膨潤土的方式,加強渣土改良,使渣土具有良好的流塑性,減輕對刀具的摩損,延長刀具的使用壽命。

(3)盾構(gòu)施工時,根據(jù)地層的變化情況,設(shè)定合理的掘進施工參數(shù),加強測量工作,盾構(gòu)軸線的偏差能控制在允許范圍內(nèi)。

只要工程實施前期做好詳細的地質(zhì)勘查工作,摸清工程地質(zhì)條件,通過有計劃地更換刀具,在施工中選擇合理的掘進參數(shù),在軟硬不均地層采用盾構(gòu)法施工是完全可行的。

[1] 曾華波.復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)施工應(yīng)用技術(shù)研究[D].河海大學(xué),2006

[2] 尤顯明,楊書江.短距離硬巖及軟硬不均地層盾構(gòu)法施工技術(shù)[J].城市軌道交通,2007(5):32-34

[3] 譚中盛,洪開榮,萬姜林,等.軟硬不均地層盾構(gòu)姿態(tài)控制及管片防裂技術(shù)[J].中國工程科學(xué),2006,8(12):92-96

[4] 劉招偉.城陵磯穿越長江水下軟硬不均地層隧道修建技術(shù)[J].中國鐵道科學(xué),2006,27(3):139-144

[5] 馬亮.淺談發(fā)泡劑在盾構(gòu)施工中的使用[J].山東建材,2006 (4):24-26

[6] 譚中盛,洪開榮,萬姜林,等.軟硬不均地層復(fù)合盾構(gòu)的研究及掘進技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(增2)

U455.43

B

2010-03-05

趙先鵬(1985～),男,碩士研究生。