鄭清君
(中鐵隧道股份有限公司,鄭州 450003)
近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,我國(guó)修建的盾構(gòu)隧道工程越來(lái)越多,相應(yīng)施工難度也越來(lái)越大,國(guó)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(shí)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(gè)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(gè)重要方向,同時(shí)施工中面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越嚴(yán)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。
以往對(duì)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(xiǎn)分析與控制等已做了大量的研究工作:文獻(xiàn)[1]對(duì)盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面論述;文獻(xiàn)[2]總結(jié)分析了獅子洋隧道主要技術(shù)難點(diǎn);文獻(xiàn)[3]詳細(xì)研究了盾構(gòu)掘進(jìn)控制、地表滯后坍塌控制、泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定技術(shù)、盾構(gòu)通過(guò)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(xiàn)[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(jìn)參數(shù)控制、泥水處理等關(guān)鍵技術(shù);文獻(xiàn)[5]研究了繁華城區(qū)大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)沉降控制技術(shù);文獻(xiàn)[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(xiǎn)及控制技術(shù);文獻(xiàn)[7]對(duì)粉細(xì)砂地層盾構(gòu)施工進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析并制定了應(yīng)對(duì)措施;文獻(xiàn)[8]對(duì)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(jìn)行了研究,提出了防止管路及環(huán)流系統(tǒng)堵塞措施;文獻(xiàn)[9]歸納了地鐵盾構(gòu)工程事故的類(lèi)型及特點(diǎn);文獻(xiàn)[10]對(duì)獅子洋隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)源的分析和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí);文獻(xiàn)[11]對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地面變形計(jì)算方法進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[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(jìn)速度、注漿時(shí)間等密切相關(guān)。
我國(guó)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(xì)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(duì)獅子洋隧道虎門(mén)港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工,針對(duì)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工中掌子面穩(wěn)定、環(huán)流系統(tǒng)、刀盤(pán)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(bào),研究并制定了針對(duì)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(yùn)專(zhuān)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(zhǎng)10.8 km,盾構(gòu)段長(zhǎng)9 340 m,最大縱坡20‰,最小縱坡3‰,設(shè)計(jì)時(shí)速350 km,是我國(guó)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(tái)直徑φ11.18 m氣壓調(diào)節(jié)式泥水平衡盾構(gòu)機(jī),采用“相向掘進(jìn),地下對(duì)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(cuò)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(jìn)出口2個(gè)標(biāo)段,中鐵隧道集團(tuán)承擔(dān)獅子洋隧道出口SDIII標(biāo)段的施工任務(wù),左線長(zhǎng)4 450 m,右線長(zhǎng)4 750 m,SDIII標(biāo)2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從獅子洋隧道東莞?jìng)?cè)出口盾構(gòu)井始發(fā)。在完成SDIII標(biāo)段掘進(jìn)施工任務(wù)后,本著不見(jiàn)不散原則向進(jìn)口方向掘進(jìn),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(duì)面標(biāo)段盾構(gòu)對(duì)接后在洞內(nèi)將盾構(gòu)解體。
左線掘進(jìn)從1 248環(huán)開(kāi)始,進(jìn)入虎門(mén)港沙田港區(qū)軟硬夾雜及巖石破碎區(qū)域,開(kāi)始出現(xiàn)糊刀盤(pán)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(jìn)較困難。
虎門(mén)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(guò),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(jiàn)圖1。
虎門(mén)港沙田港區(qū)碼頭采用拋石基床上的沉箱基礎(chǔ)?;驳讟?biāo)高-16.5 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(chǎng)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(biāo)高 -26.2 m。
虎門(mén)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(lèi)。
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(xì)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(xì)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(xì)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(jiàn)圖2。
隧道下穿虎門(mén)港碼頭港區(qū),地面為硬化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見(jiàn)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(jí)配碎石、150 cm吹填砂墊層,地基承載力≥180 kPa,砂墊層壓實(shí)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(cāng)。在此29環(huán)的掘進(jìn)過(guò)程中,由于堵倉(cāng)(見(jiàn)圖4),共5次開(kāi)倉(cāng)清理刀盤(pán)。期間對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,主要是加大對(duì)刀盤(pán)的沖洗:每掘進(jìn)300 mm停止掘進(jìn),同時(shí)加大刀盤(pán)轉(zhuǎn)速至2.6 r/m,利用泥漿環(huán)流根據(jù)其參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臎_洗;比原計(jì)劃提前架設(shè)進(jìn)漿接力泵,加大進(jìn)漿對(duì)刀盤(pán)的沖洗流量及沖洗壓力。通過(guò)以上措施,堵倉(cāng)有所減輕。
施工中出漿泵堵泵頻繁,同時(shí)還有堵倉(cāng)現(xiàn)象。每環(huán)掘進(jìn)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(jìn)參數(shù)和開(kāi)倉(cāng)情況看,掌子面及其上部地層顯破碎,刀盤(pán)切削石塊脫落直徑大,造成堵泵頻繁,但整體穩(wěn)定性稍強(qiáng),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(jìn)至1 355環(huán)進(jìn)行了地質(zhì)超前預(yù)報(bào),本次測(cè)試安裝10個(gè)傳感器,左右邊墻各5個(gè);錘擊震源點(diǎn)共計(jì)12個(gè),左右邊墻各6個(gè)。勘測(cè)范圍為:高程-30~-70 m,隧道中心線左邊20 m,右邊20 m,縱向?yàn)?50 m。
TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)時(shí),通過(guò)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(dāng)遇到一地震界面時(shí),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(lái),反射波經(jīng)過(guò)一短暫時(shí)間到達(dá)傳感器后被接收并被記錄主機(jī)記錄下來(lái);然后經(jīng)專(zhuān)門(mén)的O-RV3D軟件進(jìn)行分析處理,對(duì)地震波進(jìn)行疊加,就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像;再通過(guò)對(duì)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(cè)地質(zhì)資料就可以確定隧道前方及周?chē)鷧^(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。
采集的TRT數(shù)據(jù),通過(guò)TRT軟件進(jìn)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(jiàn)圖6和圖7。
圖6 P波、S波直達(dá)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(guò)對(duì)地震波反射掃描成像三維圖分析,結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)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(cè)。掘進(jìn)時(shí)加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)(實(shí)施24 h監(jiān)測(cè)),派專(zhuān)人每環(huán)量測(cè)出碴量,如有異常及時(shí)保壓停機(jī),采取相應(yīng)措施。
2)泥漿管理。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),保持泥水倉(cāng)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(jī)在掘進(jìn)時(shí),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(kāi)挖面土壓力及水壓力之和平衡,保持其穩(wěn)定性。
3)掘進(jìn)參數(shù)。選擇合適的掘進(jìn)速度,確定合理的貫入量和掘進(jìn)速度;根據(jù)巖層硬度、掘進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度,防止上方地層發(fā)生沉降。做好地表注漿準(zhǔn)備工作,沉降達(dá)到預(yù)警值時(shí),立即進(jìn)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(jī)在碼頭區(qū)開(kāi)倉(cāng)的作業(yè)次數(shù);掘進(jìn)時(shí)盡可能采用低轉(zhuǎn)速、低推力、低扭矩的模式推進(jìn)。
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(qiáng)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(yán)格盾構(gòu)機(jī)的操作,加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制合理,控制盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏量,防止盾尾漏漿。
7)防止地表冒漿措施。嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)范圍;嚴(yán)格控制出碴量,原則上按理論出土量出土,可適當(dāng)欠挖,保持土體的密實(shí),以免地下水滲透入土體并進(jìn)入盾構(gòu);嚴(yán)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(guò)高而頂破覆土;若出現(xiàn)機(jī)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(jī)移動(dòng)。
8)防止土層沉降措施。按設(shè)計(jì)值設(shè)定切口水壓;加強(qiáng)泥漿管理,防止超挖;當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道沉降大于5 cm時(shí)適當(dāng)增加同步注漿量,必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓漿。
9)防止堵塞措施。開(kāi)啟攪拌機(jī),在遇到切口不暢時(shí),應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)旁路,同時(shí)找出導(dǎo)致不暢的原因并采取降低推進(jìn)速度、逆洗等措施加以解決。
10)防止管片上浮或下沉措施。嚴(yán)格控制隧道軸線使盾構(gòu)盡量沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn),每環(huán)均勻糾偏,減少對(duì)土體的擾動(dòng);提高同步注漿質(zhì)量,要求漿液有較短的初凝時(shí)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(dòng)性,能均勻地布滿隧道一周,及時(shí)充填建筑空隙;加強(qiáng)隧道縱向變形的監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行針對(duì)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(qiáng)度的漿液;對(duì)管片的上浮量進(jìn)行分析和總結(jié),必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài),以達(dá)到隧道線型不超限的目的。
1)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掌子面石塊脫落,掌子面坍塌、失穩(wěn)。停止掘進(jìn),選擇適宜氣壓,向倉(cāng)內(nèi)注高黏度泥漿,形成護(hù)壁后恢復(fù)掘進(jìn)。
2)刀盤(pán)被卡。選擇適宜氣壓,向倉(cāng)內(nèi)注高黏度泥漿,形成護(hù)壁后再進(jìn)行刀盤(pán)脫困,控制出碴量,確保出碴量與設(shè)計(jì)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(jìn),選擇適宜氣壓,向倉(cāng)內(nèi)注高黏度泥漿,形成護(hù)壁后依次對(duì)氣墊倉(cāng)和泥水倉(cāng)進(jìn)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(jì)出碴量相符。
4)超量出碴引起刀盤(pán)上方塌陷。對(duì)地表或江面進(jìn)行監(jiān)測(cè),停止掘進(jìn),向倉(cāng)內(nèi)注高黏度泥漿,形成護(hù)壁后恢復(fù)掘進(jìn),確保出碴量與設(shè)計(jì)出碴量相符。
5)管片上浮量超標(biāo)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道上浮量超標(biāo),且波及范圍較遠(yuǎn)應(yīng)立即采取對(duì)已建隧道進(jìn)行補(bǔ)壓漿措施,以割斷泥水繼續(xù)流失路徑。
6)泥漿門(mén)前方堵塞。為恢復(fù)暢通的泥漿環(huán)流必須進(jìn)行疏通,采用的方法主要有反沖洗及反循環(huán),主要依靠進(jìn)出漿流量差對(duì)泥漿門(mén)附近進(jìn)行沖洗。
1335~1354環(huán)掘進(jìn)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。總推力比正常掘進(jìn)高10 000~15 000 kN,刀盤(pán)扭矩比正常掘進(jìn)低400~1 000 kN·m,速度為12~16 mm/min,掘進(jìn)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(jìn)地層較為破碎,掘進(jìn)時(shí)發(fā)生有小范圍巖層剝落或坍塌。管片脫出盾尾后無(wú)明顯上浮或下沉,地表無(wú)沉降。
1355~1364環(huán)掘進(jìn)較困難,刀盤(pán)啟動(dòng)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(wú)明顯上浮或下沉,地表無(wú)沉降。
虎門(mén)港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中,通過(guò)選擇合適的掘進(jìn)參數(shù),采取泥漿管理、加強(qiáng)注漿等針對(duì)性措施,正確處理了出碴不順、泥漿門(mén)前方堵塞等問(wèn)題,順利通過(guò)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(xiǎn)的發(fā)生,未發(fā)生一起安全事故。
1)本文對(duì)虎門(mén)港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中采取的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施正確、有效、全面、針對(duì)性和可操作性強(qiáng)。
2)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)是掘進(jìn)參數(shù)選擇、穩(wěn)步掘進(jìn)、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(jìn)重大危險(xiǎn)源有掌子面坍塌失穩(wěn)、刀盤(pán)被卡、泥漿環(huán)流堵塞、刀具損壞無(wú)法掘進(jìn)。
4)在地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)施工中,在不具備輔助工法進(jìn)行超前加固、無(wú)法常壓或低壓進(jìn)倉(cāng)條件下,須確保掘進(jìn)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(kāi)倉(cāng)才能進(jìn)行處理的問(wèn)題或風(fēng)險(xiǎn)。
5)在地層破碎段進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工中,需進(jìn)一步深入研究利用盾構(gòu)超前注漿孔進(jìn)行超前加固的可行性,這是在無(wú)地表加固條件下確保安全進(jìn)倉(cāng)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(mén)港沙田港區(qū)地層破碎段盾構(gòu)掘進(jìn)采取的技術(shù)保證措施和應(yīng)急處置措施,且在施工實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用,對(duì)類(lèi)似工程有一定的參考價(jià)值。
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