鄭清君
(中鐵隧道股份有限公司,鄭州 450003)
近年來,隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,我國修建的盾構(gòu)隧道工程越來越多,相應(yīng)施工難度也越來越大,國內(nèi)外盾構(gòu)法隧道工程在穿越建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件復(fù)雜地層時造成施工事故的教訓(xùn)不少,能否安全穿越建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件復(fù)雜地層關(guān)系到整個盾構(gòu)法隧道施工的成敗。穿越建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件復(fù)雜地層是盾構(gòu)施工技術(shù)發(fā)展的一個重要方向,同時施工中面臨的安全風(fēng)險也越來越嚴峻,特別是大直徑泥水盾構(gòu)破碎地層中穿越零沉降要求的建(構(gòu))筑物,更是給予了我們更嚴峻的挑戰(zhàn)。
以往對盾構(gòu)法施工、復(fù)雜地層中盾構(gòu)施工、盾構(gòu)穿越構(gòu)(建)筑物風(fēng)險分析與控制等已做了大量的研究工作:文獻[1]對盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)進行了全面論述;文獻[2]總結(jié)分析了獅子洋隧道主要技術(shù)難點;文獻[3]詳細研究了盾構(gòu)掘進控制、地表滯后坍塌控制、泥水平衡盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定技術(shù)、盾構(gòu)通過重要建(構(gòu))筑物施工技術(shù)等富水砂卵石地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù);文獻[4]總結(jié)分析了繁華城區(qū)富水砂卵石地層大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工中掘進參數(shù)控制、泥水處理等關(guān)鍵技術(shù);文獻[5]研究了繁華城區(qū)大直徑泥水盾構(gòu)掘進沉降控制技術(shù);文獻[6]總結(jié)分析了廣州地區(qū)復(fù)雜變化地質(zhì)條件下斷裂帶地層盾構(gòu)施工風(fēng)險及控制技術(shù);文獻[7]對粉細砂地層盾構(gòu)施工進行了風(fēng)險分析并制定了應(yīng)對措施;文獻[8]對富水軟弱地層淺埋大直徑泥水盾構(gòu)泥水循環(huán)管理及控制進行了研究,提出了防止管路及環(huán)流系統(tǒng)堵塞措施;文獻[9]歸納了地鐵盾構(gòu)工程事故的類型及特點;文獻[10]對獅子洋隧道進行了風(fēng)險源的分析和風(fēng)險辨識;文獻[11]對盾構(gòu)隧道施工引起的地面變形計算方法進行了研究;文獻[12]研究分析了盾構(gòu)施工引起地面沉降的因素,與地層條件、掘進速度、注漿時間等密切相關(guān)。
我國已建或在建的下穿重要建(構(gòu))筑物盾構(gòu)隧道,大多數(shù)采用土壓平衡盾構(gòu)施工,并且是在砂卵石地層、粉細砂地層、軟弱地層等單一均質(zhì)地層中,或是在全斷面巖石中修建的,有關(guān)大直徑泥水盾構(gòu)在地層破碎段下穿重要建(構(gòu))筑物施工介紹很少。本文針對獅子洋隧道虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進施工,針對泥水盾構(gòu)掘進施工中掌子面穩(wěn)定、環(huán)流系統(tǒng)、刀盤被卡、刀具損壞等易發(fā)生變化的邊界條件,依據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報,研究并制定了針對性技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施,有效保證了安全、順利施工。
獅子洋隧道是廣深港鐵路客運專線的控制性工程,下穿珠江主航道——獅子洋水道,隧道工程全長10.8 km,盾構(gòu)段長9 340 m,最大縱坡20‰,最小縱坡3‰,設(shè)計時速350 km,是我國首座水下鐵路盾構(gòu)隧道,首次在軟硬不均地層和巖層中采用大直徑氣墊式泥水盾構(gòu)施工。投入4臺直徑φ11.18 m氣壓調(diào)節(jié)式泥水平衡盾構(gòu)機,采用“相向掘進,地下對接,洞內(nèi)解體”方式組織施工。盾構(gòu)隧道采用預(yù)制拼裝式管片襯砌,管片采用“5+2+1”雙面楔形通用環(huán)管片,錯縫拼裝。管片內(nèi)徑9.8 m、外徑 10.8 m、管片環(huán)寬 2.0 m。
獅子洋隧道分為進出口2個標段,中鐵隧道集團承擔(dān)獅子洋隧道出口SDIII標段的施工任務(wù),左線長4 450 m,右線長4 750 m,SDIII標2臺盾構(gòu)機從獅子洋隧道東莞側(cè)出口盾構(gòu)井始發(fā)。在完成SDIII標段掘進施工任務(wù)后,本著不見不散原則向進口方向掘進,共完成獅子洋盾構(gòu)隧道左線隧道5 200 m、右線隧道5 168 m施工,在獅子洋底與對面標段盾構(gòu)對接后在洞內(nèi)將盾構(gòu)解體。
左線掘進從1 248環(huán)開始,進入虎門港沙田港區(qū)軟硬夾雜及巖石破碎區(qū)域,開始出現(xiàn)糊刀盤及堵塞出漿泵現(xiàn)象,1 335環(huán)后,掌子面及其上部巖層破碎程度及區(qū)域加大,掘進較困難。
虎門港沙田港區(qū)位于珠江東岸,獅子洋隧道從碼頭基礎(chǔ)下方33.5 m處穿過,碼頭先于隧道施工。碼頭基礎(chǔ)與隧道之間的位置關(guān)系見圖1。
虎門港沙田港區(qū)碼頭采用拋石基床上的沉箱基礎(chǔ)?;驳讟烁撸?6.5 m,拋石基床(10~100 kg)厚4.0 m,沉箱基礎(chǔ) 8.12 m ×9.0 m ×12.8 m,碼頭前場地采用中粗砂回填。碼頭設(shè)置QU100軌道,其中后軌道梁采用φ600 mmPHC管樁(間距5 m),樁基最低標高 -26.2 m。
虎門港沙田港區(qū)地層破碎段根據(jù)鉆探揭露地層情況顯示:隧道上部從上至下分別為第四系新近期填土層、第四系海陸交互相,第四系上更新統(tǒng)沖積、殘積層,基巖為白堊系下統(tǒng)基巖類。
洞頂埋深約為51 m,洞頂?shù)貙訌纳现?.8 m為人工填土層,屬于可塑-軟塑黏土層;1.8~16.6 m為淤泥層、淤泥質(zhì)粉細砂層,屬于流塑、軟塑、飽和、松散等穩(wěn)定性極差地層;16.6~28.5 m為粉細砂互層、中粗砂層,屬于軟塑-可塑-稍密及飽和等穩(wěn)定性較差地層;28.5 m以下為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,屬于泥質(zhì)膠結(jié)、砂狀結(jié)構(gòu)、巖石輕微風(fēng)化巖層。28.5 m以下至50 m為細砂巖,巖層較破碎。掌子面范圍上部5 m為泥質(zhì)粉砂巖,較破碎,下部泥質(zhì)粉砂巖稍顯破碎。1 355環(huán)處掌子面范圍上部地質(zhì)斷面圖見圖2。
隧道下穿虎門港碼頭港區(qū),地面為硬化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見圖3)。地面從上至下為38 cm厚素混凝土硬化、20 cm厚水穩(wěn)層、20 cm厚級配碎石、150 cm吹填砂墊層,地基承載力≥180 kPa,砂墊層壓實度0~80 cm≥95%、80~150 cm≥94%、150~180 cm≥92%。
由于基巖中有軟弱夾層,含泥量較大,造成本段施工頻繁堵倉。在此29環(huán)的掘進過程中,由于堵倉(見圖4),共5次開倉清理刀盤。期間對掘進參數(shù)進行了調(diào)整,主要是加大對刀盤的沖洗:每掘進300 mm停止掘進,同時加大刀盤轉(zhuǎn)速至2.6 r/m,利用泥漿環(huán)流根據(jù)其參數(shù)進行適當?shù)臎_洗;比原計劃提前架設(shè)進漿接力泵,加大進漿對刀盤的沖洗流量及沖洗壓力。通過以上措施,堵倉有所減輕。
施工中出漿泵堵泵頻繁,同時還有堵倉現(xiàn)象。每環(huán)掘進都有堵泵現(xiàn)象,最多一次1環(huán)13次,堵泵情況如圖5所示。從掘進參數(shù)和開倉情況看,掌子面及其上部地層顯破碎,刀盤切削石塊脫落直徑大,造成堵泵頻繁,但整體穩(wěn)定性稍強,未出現(xiàn)大面積坍塌。
圖5 堵泵情況圖Fig.5 Pump blocking
根據(jù)地質(zhì)詳勘資料,掘進至1 355環(huán)進行了地質(zhì)超前預(yù)報,本次測試安裝10個傳感器,左右邊墻各5個;錘擊震源點共計12個,左右邊墻各6個??睖y范圍為:高程-30~-70 m,隧道中心線左邊20 m,右邊20 m,縱向為150 m。
TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進行地質(zhì)預(yù)報。預(yù)報時,通過垂擊或激震器產(chǎn)生的地震波,地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播,當遇到一地震界面時,如斷層、破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等,一部分地震波就被反射回來,反射波經(jīng)過一短暫時間到達傳感器后被接收并被記錄主機記錄下來;然后經(jīng)專門的O-RV3D軟件進行分析處理,對地震波進行疊加,就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像;再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、跟蹤觀測地質(zhì)資料就可以確定隧道前方及周圍區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。
采集的TRT數(shù)據(jù),通過TRT軟件進行處理,獲得P波、S波波速和地質(zhì)層析掃描成像圖等資料,詳見圖6和圖7。
圖6 P波、S波直達波波速值Fig.6 Velocity of P direct wave and S direct wave
以P波和S波資料和地質(zhì)層析掃描成像圖為依據(jù),通過對地震波反射掃描成像三維圖分析,結(jié)合地質(zhì)勘測資料,得出如下結(jié)論:
1)1335—1354環(huán),該段圍巖較為破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,富水。
2)1355—1365環(huán),該段圍巖較為破碎,1 361環(huán)左側(cè)裂隙水發(fā)育;DIK39+933處,1 363環(huán)前方較為破碎。
1)地表監(jiān)測。掘進時加強地表監(jiān)測(實施24 h監(jiān)測),派專人每環(huán)量測出碴量,如有異常及時保壓停機,采取相應(yīng)措施。
2)泥漿管理。盾構(gòu)掘進時,保持泥水倉壓力與作業(yè)面壓力(土壓與水壓之和)平衡是防止盾構(gòu)上方地層發(fā)生沉降的關(guān)鍵,盾構(gòu)機在掘進時,根據(jù)地質(zhì)和水文條件及地層壓力下,調(diào)整泥水壓力,保證泥水壓力與開挖面土壓力及水壓力之和平衡,保持其穩(wěn)定性。
3)掘進參數(shù)。選擇合適的掘進速度,確定合理的貫入量和掘進速度;根據(jù)巖層硬度、掘進速度、掌子面水壓和盾殼摩擦力確定合理的推力。
4)注漿管理。加強壁后注漿質(zhì)量管理,不僅要充填管片間隙及控制上方地層沉降,而且還要使?jié){液不受泥水的侵蝕,盡快具有一定的早期強度,防止上方地層發(fā)生沉降。做好地表注漿準備工作,沉降達到預(yù)警值時,立即進行地表注漿。
5)刀具管理。確定合理的刀具配置方案和換刀方案,盡量減少盾構(gòu)機在碼頭區(qū)開倉的作業(yè)次數(shù);掘進時盡可能采用低轉(zhuǎn)速、低推力、低扭矩的模式推進。
6)防止盾尾漏漿措施。提高同步注漿質(zhì)量;保持切口水壓穩(wěn)定;加強盾尾注脂質(zhì)量管理,均勻足量壓注盾尾油脂;合理的管片選型,確保管片盾尾間隙均勻;嚴格盾構(gòu)機的操作,加強對盾構(gòu)機姿態(tài)的控制合理,控制盾構(gòu)掘進糾偏量,防止盾尾漏漿。
7)防止地表冒漿措施。嚴格控制切口水壓波動范圍;嚴格控制出碴量,原則上按理論出土量出土,可適當欠挖,保持土體的密實,以免地下水滲透入土體并進入盾構(gòu);嚴格控制同步注漿壓力,并在注漿管路安裝安全閥,以免由于注漿壓力過高而頂破覆土;若出現(xiàn)機械故障或其他原因造成盾構(gòu)停推,采取措施防止盾構(gòu)機移動。
8)防止土層沉降措施。按設(shè)計值設(shè)定切口水壓;加強泥漿管理,防止超挖;當發(fā)現(xiàn)隧道沉降大于5 cm時適當增加同步注漿量,必要時進行補壓漿。
9)防止堵塞措施。開啟攪拌機,在遇到切口不暢時,應(yīng)及時轉(zhuǎn)旁路,同時找出導(dǎo)致不暢的原因并采取降低推進速度、逆洗等措施加以解決。
10)防止管片上浮或下沉措施。嚴格控制隧道軸線使盾構(gòu)盡量沿著設(shè)計軸線推進,每環(huán)均勻糾偏,減少對土體的擾動;提高同步注漿質(zhì)量,要求漿液有較短的初凝時間,使其遇泥水后不產(chǎn)生裂化,并要求漿液具有一定的流動性,能均勻地布滿隧道一周,及時充填建筑空隙;加強隧道縱向變形的監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進行針對性的注漿糾正,如調(diào)整注漿部位及注漿量,配制快凝及提高早期強度的漿液;對管片的上浮量進行分析和總結(jié),必要時適當調(diào)整盾構(gòu)機的掘進姿態(tài),以達到隧道線型不超限的目的。
1)刀盤轉(zhuǎn)動時掌子面石塊脫落,掌子面坍塌、失穩(wěn)。停止掘進,選擇適宜氣壓,向倉內(nèi)注高黏度泥漿,形成護壁后恢復(fù)掘進。
2)刀盤被卡。選擇適宜氣壓,向倉內(nèi)注高黏度泥漿,形成護壁后再進行刀盤脫困,控制出碴量,確保出碴量與設(shè)計出碴量相符。
3)掌子面坍塌致使出碴不順,不能形成正常的泥漿環(huán)流。停止掘進,選擇適宜氣壓,向倉內(nèi)注高黏度泥漿,形成護壁后依次對氣墊倉和泥水倉進行循環(huán)疏通,恢復(fù)正常泥漿環(huán)流,確保出碴量與設(shè)計出碴量相符。
4)超量出碴引起刀盤上方塌陷。對地表或江面進行監(jiān)測,停止掘進,向倉內(nèi)注高黏度泥漿,形成護壁后恢復(fù)掘進,確保出碴量與設(shè)計出碴量相符。
5)管片上浮量超標。當發(fā)現(xiàn)隧道上浮量超標,且波及范圍較遠應(yīng)立即采取對已建隧道進行補壓漿措施,以割斷泥水繼續(xù)流失路徑。
6)泥漿門前方堵塞。為恢復(fù)暢通的泥漿環(huán)流必須進行疏通,采用的方法主要有反沖洗及反循環(huán),主要依靠進出漿流量差對泥漿門附近進行沖洗。
1335~1354環(huán)掘進施工期間出漿泵堵泵頻繁,有不間斷的小范圍巖層剝落或坍塌??偼屏Ρ日>蜻M高10 000~15 000 kN,刀盤扭矩比正常掘進低400~1 000 kN·m,速度為12~16 mm/min,掘進中不間斷出現(xiàn)推力增大而扭矩變化不大等現(xiàn)象。從以上可以判斷,本段掘進地層較為破碎,掘進時發(fā)生有小范圍巖層剝落或坍塌。管片脫出盾尾后無明顯上浮或下沉,地表無沉降。
1355~1364環(huán)掘進較困難,刀盤啟動扭矩高,推力為72 000~91 000 kN,扭矩為3 500~5 800 kN·m,速度為10~12 mm/min,堵泵頻繁。管片脫出盾尾后無明顯上浮或下沉,地表無沉降。
虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進施工中,通過選擇合適的掘進參數(shù),采取泥漿管理、加強注漿等針對性措施,正確處理了出碴不順、泥漿門前方堵塞等問題,順利通過了港區(qū)地層破碎段,規(guī)避了地表沉降、盾尾漏漿、地表冒漿、管片上浮等風(fēng)險的發(fā)生,未發(fā)生一起安全事故。
1)本文對虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進施工中采取的地質(zhì)超前預(yù)報、技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施正確、有效、全面、針對性和可操作性強。
2)地層破碎段盾構(gòu)掘進關(guān)鍵技術(shù)要點是掘進參數(shù)選擇、穩(wěn)步掘進、泥漿質(zhì)量、同步注漿和二次注漿。
3)地層破碎段盾構(gòu)掘進重大危險源有掌子面坍塌失穩(wěn)、刀盤被卡、泥漿環(huán)流堵塞、刀具損壞無法掘進。
4)在地層破碎段盾構(gòu)掘進施工中,在不具備輔助工法進行超前加固、無法常壓或低壓進倉條件下,須確保掘進施工中刀具方面、泥漿環(huán)流、掌子面穩(wěn)定性等不能發(fā)生需開倉才能進行處理的問題或風(fēng)險。
5)在地層破碎段進行盾構(gòu)掘進施工中,需進一步深入研究利用盾構(gòu)超前注漿孔進行超前加固的可行性,這是在無地表加固條件下確保安全進倉的必備的、唯一的輔助工法。
6)本文系統(tǒng)地分析了在獅子洋隧道盾構(gòu)施工中,虎門港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進采取的技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施,且在施工實踐中得到了很好的應(yīng)用,對類似工程有一定的參考價值。
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