王朝義
(中國(guó)中鐵六局集團(tuán)有限公司,北京 100036)
填海區(qū)富水砂層下覆基巖混合斷面盾構(gòu)施工技術(shù)
王朝義
(中國(guó)中鐵六局集團(tuán)有限公司,北京 100036)
結(jié)合深圳地鐵2號(hào)線工程實(shí)例,詳細(xì)介紹了填海區(qū)地鐵盾構(gòu)通過(guò)高強(qiáng)度基巖地質(zhì)區(qū)域的施工技術(shù),對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中遇到基巖地層加固、開倉(cāng)換刀、盾構(gòu)掘進(jìn)等處理措施進(jìn)行了全面闡述。采用洞內(nèi)、地面注漿加固,完成常壓進(jìn)倉(cāng)進(jìn)行刀具檢查更換。盾構(gòu)過(guò)基巖隆起區(qū)合理控制掘進(jìn)參數(shù)并采取必要的輔助措施,通過(guò)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的控制,加強(qiáng)了對(duì)刀具的保護(hù),順利通過(guò)了單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)110 MPa的38.4 m基巖隆起區(qū)。
盾構(gòu)掘進(jìn) 富水砂層 高強(qiáng)度基巖 參數(shù)控制
隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè),盾構(gòu)工法以其機(jī)械化程度高、施工速度快、安全可靠性高等優(yōu)勢(shì)在我國(guó)得到了普及型推廣。但是盾構(gòu)機(jī)由于自身的天然缺陷,其地質(zhì)適應(yīng)性太差,對(duì)掘進(jìn)地層變化非常敏感,在區(qū)間隧道掘進(jìn)過(guò)程中遇到地質(zhì)情況突變,面臨兩大難題:一是根據(jù)原有地質(zhì)資料配置的刀具難以滿足掘進(jìn)需要,需要解決刀具更換的問(wèn)題;二是需要解決如何通過(guò)軟硬不均地層的問(wèn)題。
深圳地鐵2號(hào)線科苑站—紅樹灣站盾構(gòu)區(qū)間左線盾構(gòu)機(jī)在518環(huán)(盾構(gòu)機(jī)所處位置地面為沙河高爾夫球會(huì)人工湖邊,前體與刀盤位于岸邊,中體和盾尾位于湖水下,岸邊為沙河高爾夫球會(huì)球道發(fā)球臺(tái)處)掘進(jìn)過(guò)程中遇到近40 m高強(qiáng)度基巖,屬粗?;◢弾r,微風(fēng)化巖最高凸入隧道開挖限界3.7 m,飽和狀態(tài)下最大單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)110 MPa,地質(zhì)斷面圖見(jiàn)圖1。施工過(guò)程采用地面注漿加固并輔助降水后,盾構(gòu)機(jī)直接破巖通過(guò)。
1)始發(fā)的刀具配置為滾刀+中心羊角刀,僅僅考慮了破除局部孤石的需要,且已經(jīng)掘進(jìn)了近800 m,刀具的現(xiàn)狀不具備直接通過(guò)基巖區(qū)的能力,必須就地檢查更換刀具。
2)現(xiàn)場(chǎng)不具備常壓開倉(cāng)或壓氣作業(yè)條件,場(chǎng)地為填海區(qū),地質(zhì)情況特殊,微風(fēng)化花崗巖與砂層間過(guò)渡不明顯,加固地層受潮汐影響明顯,動(dòng)壓富水地層,常規(guī)加固工藝難以保證地層加固質(zhì)量。
3)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地面為高爾夫球場(chǎng)的球臺(tái),地面加固占地、施工物資設(shè)備進(jìn)出、人員進(jìn)出、作業(yè)時(shí)間協(xié)調(diào)困難。
4)典型的上硬下軟地層掘進(jìn)參數(shù)難以控制,無(wú)法確保地面安全。
圖1 地質(zhì)斷面(高程單位:m)
1)刀盤回縮:盾構(gòu)機(jī)在硬巖段掘進(jìn)主要破巖機(jī)理在于滾刀對(duì)圍巖的碾壓破碎,掘進(jìn)過(guò)程中往往出現(xiàn)偏磨、崩裂等非正常磨損,滾刀劃過(guò)的軌跡深淺不一,此時(shí)掌子面并不平整,部分刀具在實(shí)施換刀之前已嵌入巖面之中,須采取措施將刀盤回縮至少50 mm,給換刀作業(yè)留出必要的空間,以避免換刀時(shí)刀具拆卸困難,以及換刀后刀盤啟動(dòng)時(shí)貫入度過(guò)大而導(dǎo)致崩刀。刀盤回縮的具體措施是:①盾尾鉸接設(shè)置為放松狀態(tài),盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)使鉸接伸長(zhǎng)至120 mm;②在盾尾間隙內(nèi)塞入木楔子,關(guān)閉PLC,在尾盾上緊貼管片端面焊接鋼擋塊;③每次放松千斤頂10~20 mm,正常情況下盾體在土倉(cāng)壓力下會(huì)回縮;④累計(jì)回縮50 mm即可,如果回縮量不足,可通過(guò)泡沫管向刀盤內(nèi)注入泡沫,增大土倉(cāng)壓力,進(jìn)行回頂。⑤回縮過(guò)程中密切關(guān)注土倉(cāng)壓力,確保土壓平衡,避免地面塌陷。
2)盾體保護(hù):通過(guò)前盾和中盾處球閥注入聚氨酯來(lái)保護(hù)整個(gè)盾體。通過(guò)氣動(dòng)泵將聚氨酯注入盾體內(nèi),每個(gè)孔注3桶,共13個(gè)孔。完成后注入黃油以潤(rùn)滑盾體,并保證聚氨酯的效果??膳c螺旋輸送機(jī)保護(hù)方案同時(shí)進(jìn)行。
3)主軸承密封保護(hù):采用惰性漿液填充土倉(cāng)。采用同步注漿泵,由土倉(cāng)上部預(yù)留孔注入水泥砂漿。注入過(guò)程中,由下至上打開倉(cāng)壁上各個(gè)預(yù)留孔,進(jìn)行泄壓并觀察填充情況,以保證填充效果。整個(gè)過(guò)程中通過(guò)土倉(cāng)內(nèi)土壓傳感器嚴(yán)格控制倉(cāng)內(nèi)壓力,不超過(guò)0.35 MPa。水泥砂漿配比為水泥∶膨潤(rùn)土∶砂∶水=400∶300∶700∶560,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初凝時(shí)間為14 h。
基巖段地層表現(xiàn)為上軟下硬,不同類別圍巖單軸抗壓強(qiáng)度相差過(guò)于懸殊,其差值在20~110 MPa,巖面在縱橫斷面上均存在較大的起伏。盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)時(shí)可能由于下部基巖強(qiáng)度高,掘進(jìn)效率低,長(zhǎng)時(shí)間原位轉(zhuǎn)刀盤導(dǎo)致對(duì)軟弱圍巖的過(guò)分?jǐn)_動(dòng)而失穩(wěn),刀盤頂部地層被嚴(yán)重掏空,上部地層將會(huì)形成一個(gè)以刀盤為中心的漏斗狀塌空區(qū),強(qiáng)行掘進(jìn)可能導(dǎo)致掘進(jìn)過(guò)程中地面連續(xù)坍塌。必須采取有效的措施對(duì)軟弱地層進(jìn)行必要的加固處理,增強(qiáng)地層本身的自穩(wěn)能力。
1)微型樁配合袖閥管注漿:填海區(qū)砂層動(dòng)壓富水,地層加固過(guò)程中容易出現(xiàn)塌孔、堵管,漿液進(jìn)入地層后受動(dòng)水影響,配比變化大,擴(kuò)散無(wú)規(guī)律等。采用微型樁強(qiáng)制成樁施工注漿帷幕再在內(nèi)部區(qū)域配合進(jìn)行袖閥管注漿有效地解決了類似地層注漿加固費(fèi)工費(fèi)時(shí)的問(wèn)題,保證了加固質(zhì)量。
2)洞內(nèi)水平注漿:在完成密封保護(hù)后,開始實(shí)施水平注漿,注漿范圍為倉(cāng)壁4點(diǎn)、8點(diǎn)位以上10個(gè)超前注漿孔,注漿深度為8 m,確保注漿直接加固范圍達(dá)到掌子面前方3 m。
1)從土倉(cāng)閘門開始,對(duì)土倉(cāng)的土體進(jìn)行清理。
2)清理刀盤正面:將土倉(cāng)內(nèi)換填的砂漿清理干凈后,由下至上開始清理切口環(huán)、刀盤開口和刀箱,然后通過(guò)刀盤開口清理基巖面土體及刀盤外輪廓周邊。清理標(biāo)準(zhǔn)為將土倉(cāng)內(nèi)整個(gè)基巖區(qū)土體全部清透,使巖面與刀盤之間留有40 cm空隙。清理過(guò)程中要密切關(guān)注基巖面上刀痕情況以便確定刀具磨損情況。清理完一個(gè)區(qū)域后將拆卸的刀具及時(shí)全部裝好。
3)更換刀具:根據(jù)掌子面穩(wěn)定情況采用邊清理邊更換確保作業(yè)安全。
1)清理土倉(cāng):土倉(cāng)清理后放入人倉(cāng)和皮帶機(jī)之間架設(shè)的溜槽上滑向皮帶機(jī),再由皮帶機(jī)送往渣土車。
2)脫困:盾構(gòu)機(jī)脫困的過(guò)程中,采取了分三步走的方式,首先保證刀盤能順利轉(zhuǎn)起來(lái);然后通過(guò)土倉(cāng)胸壁上的預(yù)留孔及盾殼上的徑向孔注入膨潤(rùn)土,在緩轉(zhuǎn)刀盤的情況下放松鉸接,推動(dòng)中前體50 mm,繼續(xù)注入膨潤(rùn)土,回收中前體,以上過(guò)程循環(huán)往復(fù),待推力明顯降低后可適當(dāng)增大行程(注意確保鉸接不超限);最后是盾尾脫困,由于盾構(gòu)機(jī)鉸接油缸能夠承受的總拉力不超過(guò)10 000 kN,經(jīng)過(guò)計(jì)算,盾尾脫困需要的拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有鉸接油缸的承受范圍,盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸自身的推力在盾尾脫困的過(guò)程中受到制約。采用在盾尾上焊接支座通過(guò)增加4臺(tái)200 t輔助油缸配合小型泵站,在管片上借力,直接頂推盾尾的辦法順利的使盾尾脫困。
3.5.1 掘進(jìn)速率
軟硬不均斷面掘進(jìn)時(shí)滾刀作用硬巖上的荷載要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作用于軟弱地層的荷載,而理論上承受荷載大的滾刀產(chǎn)生的掘進(jìn)速率應(yīng)該高于承受荷載小的滾刀。但是由于掌子面軟硬不均,強(qiáng)度相差過(guò)于懸殊,盾構(gòu)掘進(jìn)的機(jī)理完全不同。硬巖部分掘進(jìn)遵從滾刀破巖機(jī)理,軟弱部分速率則完全受推力影響,混合斷面的特殊構(gòu)成決定了此類地層掘進(jìn)推力的極限受硬巖控制,而扭矩的極限受軟弱部分控制。借鑒數(shù)學(xué)模型可以考慮對(duì)混合斷面的不同強(qiáng)度地層進(jìn)行簡(jiǎn)單的修正,現(xiàn)有的研究認(rèn)為:①由計(jì)算或?qū)崪y(cè)得到的均勻斷面條件下的參數(shù)(主要指凈掘進(jìn)速率I或基本掘進(jìn)速率I0)是混合斷面條件下相應(yīng)參數(shù)的比例強(qiáng)度因子。②混合斷面中的堅(jiān)硬地層限制了總推力的大小。③混合斷面條件下的I/I0的降低是因總推力的降低而引起的,其值是均勻斷面條件下的比例函數(shù)。
3.5.2 速率修正系數(shù)
軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)的效率與掌子面不同強(qiáng)度的各地層本身的性質(zhì)及其在掌子面所占面積比例高度相關(guān),這在施工過(guò)程中感受是非常直觀的。
混合斷面不同強(qiáng)度地層對(duì)掘進(jìn)速率的影響可由如下修正系數(shù)KAB表示
式中,A代表堅(jiān)硬地層,B代表軟弱地層。IA為盾構(gòu)在堅(jiān)硬地層中掘進(jìn)速率;IB為盾構(gòu)在軟弱地層中掘進(jìn)速率;a為堅(jiān)硬地層在混合斷面上所占面積的百分比;b為軟弱地層在混合斷面上所占面積的百分比;AB為混合斷面;KAB為修正系數(shù)。
假設(shè)盾構(gòu)在該考察混合斷面的最佳掘進(jìn)速度是一定的并可供量化,分別取其所占面積的極限,則可得出如下結(jié)論:①無(wú)論混合斷面的組成地層所占比例如何,其凈掘進(jìn)速率均小于IA。②當(dāng)混合斷面的組成地層所,I;,I。占比例一定時(shí)越大AB越小越小AB越大
3.5.3 掘進(jìn)參數(shù)的理論計(jì)算
1)土倉(cāng)壓力計(jì)算:土倉(cāng)壓力的控制值主要受地下水壓力及隧道埋深的影響,土壓越高,推力越大,此類地層噴涌的幾率也越高。由于基巖段進(jìn)行了適當(dāng)加固,使地層具有一定的自立性,并在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí),隧道兩側(cè)進(jìn)行降水,將地下水位盡可能降低并保持穩(wěn)定。所以土倉(cāng)壓力計(jì)算的理論值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地下水位實(shí)測(cè)值選取。
2)扭矩計(jì)算:刀盤扭矩一般情況下主要受設(shè)備性能控制,但是實(shí)際操作中需與地層情況相協(xié)調(diào),本工程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并保守考慮不大于2 000 kN·m。
3)速度計(jì)算:根據(jù)勘察情況,基巖面突入隧道開挖限界最大取3.80 m,盾構(gòu)開挖限界取6.28 m,取堅(jiān)硬巖在掌子面面積中所占比率為60%,軟弱地層在掌子面面積中占40%;考慮前期砂層掘進(jìn)速度取60 mm/min,根據(jù)調(diào)查類似強(qiáng)度全斷面硬巖掘進(jìn)速度取20 mm/min;刀盤轉(zhuǎn)速1 rab/min。
凈掘進(jìn)速率
過(guò)基巖掘進(jìn)的要點(diǎn)在于連續(xù)、平穩(wěn)的掘進(jìn),在配備強(qiáng)有力的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)隊(duì)伍的同時(shí),需要配備有經(jīng)驗(yàn)的工程師加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理、技術(shù)能力,提高盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)異常情況的響應(yīng)能力。
3.5.4 掘進(jìn)過(guò)程的控制要點(diǎn)
1)控制貫入度在10 mm/rad、刀盤扭矩不超過(guò)1 500 kN·m,刀盤轉(zhuǎn)速1轉(zhuǎn),推力根據(jù)地面監(jiān)測(cè)及出渣情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。
2)注意渣土改良,保證足夠的泡沫注入量,根據(jù)渣土情況注入膨潤(rùn)土、聚合物等。
3)保持土倉(cāng)壓力基本穩(wěn)定,合理控制螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速,及時(shí)將進(jìn)入土倉(cāng)的巖塊排出。
4)密切關(guān)注鉸接油壓,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)整漿液類型。
5)雙液漿及時(shí)跟進(jìn),防止管片上浮。
基巖區(qū)的掘進(jìn)是盾構(gòu)施工的一大難點(diǎn),填海區(qū)復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)過(guò)基巖尤甚,采用上述措施實(shí)現(xiàn)了動(dòng)壓富水砂層開倉(cāng)換刀,并在未損傷一把刀具的情況下一次性順利完成科苑站—紅樹灣站區(qū)間38.4 m基巖隆起區(qū)掘進(jìn)。此類工況在廣深地區(qū)盾構(gòu)施工具有典型意義,進(jìn)一步研究地層加固措施、掘進(jìn)參數(shù)控制,尤其是不同強(qiáng)度基巖情況下掘進(jìn)扭矩、貫入度等參數(shù)的極限控制值有利于將特殊工況常規(guī)化。
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U455.43
B
1003-1995(2011)02-0076-03
2010-10-08;
2010-11-20
王朝義(1964—),男,四川南充人,高級(jí)工程師。
(責(zé)任審編 王紅)