李義華,李志軍,孟海峰
(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司,河北三河 065201)
近年來(lái),盾構(gòu)在城市地下各種隧道施工中發(fā)展越來(lái)越快。有采用水平凍結(jié)加固始發(fā)的、有小半徑曲線始發(fā)的、有下穿河流的、有下穿橋梁的、也有下穿地下管線的。就目前的施工水平來(lái)說(shuō),單一的下穿以上任何一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源已經(jīng)不是什么難題,但是若將以上這些風(fēng)險(xiǎn)疊加在一起,施工難度成倍增加。文獻(xiàn)[1-6]主要介紹了水平凍結(jié)加固方法在盾構(gòu)始發(fā)或出洞時(shí)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]介紹了小曲線半徑始發(fā)技術(shù)。無(wú)錫地鐵1號(hào)線江海路站—火車(chē)站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)處在半徑360 m曲線上,且始發(fā)端頭上部有河道、橋梁及多條大直徑市政管線,盾構(gòu)始發(fā)處在多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)高度集中地段,風(fēng)險(xiǎn)和施工難度極大。為避免盾構(gòu)始發(fā)和接收盾構(gòu)被凍死、凍脹融沉對(duì)地上地下構(gòu)建筑物的影響等風(fēng)險(xiǎn),文獻(xiàn)[8-10]介紹了防止凍脹融沉的措施及方案。本文針對(duì)多種風(fēng)險(xiǎn),將采用蒸汽方式解決盾構(gòu)被凍死,施工監(jiān)測(cè)和注漿的方式避免凍脹融沉等。
無(wú)錫市軌道交通1號(hào)線江海路站—無(wú)錫火車(chē)站區(qū)間,單線長(zhǎng)1.3 km。盾構(gòu)在江海路站南端頭右線始發(fā),始發(fā)端頭處在R 360 m的小半徑曲線上,由于端頭上部地層埋置大量拋石,不能進(jìn)行攪拌樁加固,所以采取水平凍結(jié)法加固。加固區(qū)緊鄰橋梁、河流和多條市政管線,盾構(gòu)要在R 360 m的小半徑曲線上穿過(guò)凍結(jié)加固區(qū)、通順橋、民豐河(河面寬12 m)和3大管線(熱力管線、電力管線和上水管線),施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。
江海路站南端頭地層由上至下依次為拋石(層厚0~6 m,位于隧道頂部5.6 m)、〈3〉2粉質(zhì)黏土(層厚2 m,位于隧道上方3.6 m)、〈3〉3粉土夾粉質(zhì)黏土(層厚4.6 m,進(jìn)入隧道范圍1 m)、〈4〉粉砂層(層厚4 m,隧道中部)以及〈6〉1-1粉質(zhì)黏土(位于隧道范圍內(nèi)下方,層厚1.2 m),見(jiàn)圖1。
拋石埋置區(qū)域地層透水性較強(qiáng),地下水與河水相通,滲透系數(shù)為2.3×10-4cm/s。拋石層下部是〈3〉2粉質(zhì)黏土層和〈3〉3粉土夾粉質(zhì)黏土層?!?〉2粉質(zhì)黏土層的垂直透水系數(shù)是2.24×10-5cm/s,屬于弱透水層?!?〉3粉土夾粉質(zhì)黏土層的垂直透水系數(shù)是2.15× 10-5cm/s,屬于弱透水層?!?〉粉砂層的滲透系數(shù)是6.55×10-5cm/s。
圖1 江海路站南端頭地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of South of Jianghai Road
1.3.1 民豐河
據(jù)調(diào)查,加固區(qū)南側(cè)堤岸為民豐河2004年新建堤岸,堤岸構(gòu)筑形式為漿砌片石擋土墻。河道水位標(biāo)高為1.008 m,河床底標(biāo)高為-0.76 m,加固區(qū)地面標(biāo)高為4.2 m,河底距離隧道頂部6.4 m。加固區(qū)位置見(jiàn)圖2。
圖2 加固區(qū)位置Fig.2 Consolidation section
1.3.2 通順橋
現(xiàn)狀通順橋?yàn)?004年加寬橋。橋面寬44 m,采用C40混凝土預(yù)應(yīng)力空心板梁,橋臺(tái)基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),隧道右線下穿橋臺(tái)基礎(chǔ),橋臺(tái)基礎(chǔ)位于隧道頂部5.64 m。隧道與通順橋剖面圖見(jiàn)圖3。
圖3 隧道與通順橋剖面(單位:mm)Fig.3 Profile of the tunnel and Tongshun bridge(mm)
1.3.3 管線情況
加固區(qū)的南側(cè)河岸邊有3條管線,分別是上水管線(φ500,鑄鐵管)、電力管線(上下3層,共9根,每根φ150,鋼管)、熱力管線(φ500,鐵管外裹保溫材料,鋼筋混凝土支墩,位于河床內(nèi))。區(qū)間隧道下穿熱力管線和電力管線樁基,熱力管線采用鋼結(jié)構(gòu)加以混凝土墩支撐固定,位于隧道頂上10.887 m處。
其中上水管布設(shè)在河道堤岸邊,距離加固區(qū)域僅1.5 m,熱力、電力管線布設(shè)在河道中,距離加固區(qū)域分別為3 m和2 m。加固區(qū)與管線的位置關(guān)系見(jiàn)圖4。
圖4 端頭加固區(qū)與管線的位置關(guān)系Fig.4 Plan relationship between soil consolidation section and the pipelines
盾構(gòu)始發(fā)端頭的原加固方案是采用三軸攪拌樁+高壓旋噴樁加固,加固區(qū)存在的駁岸拋石限制了地面垂直鉆孔的施工,因此,不能采用攪拌樁和高壓旋噴樁或地面垂直冷凍的加固方法,只能從洞門(mén)水平加固方面來(lái)考慮,水平加固施工方法分水平旋噴和水平凍結(jié)法。加固區(qū)大部分以粉砂地層為主,水平加固深度6~9 m,水平旋噴的施工工藝在致密的粉砂地層很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求的加固效果(加固體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa,滲透系數(shù)不大于10-8cm/s)。綜上考慮,水平凍結(jié)加固施工方法工藝成熟,可靠性高,可用于本工程的地層加固。
如表1所示。
表1 隧道盾構(gòu)始發(fā)水平凍結(jié)加固主要參數(shù)Table 1 Parameters of soil consolidation by means of horizontal freezing method of shield launching
凍結(jié)孔布置方式如圖5和圖6所示。
圖5 凍結(jié)孔、卸壓孔和測(cè)溫孔布置(單位:mm)Fig.5 Layout of freezing points pressure-releasing points and temperature monitroing points(mm)
圖6 凍結(jié)孔、卸壓孔和測(cè)溫孔剖面(單位:mm)Fig.6 Profile of freezing points,pressure-releasing points and temperature monitroing points(mm)
為達(dá)到對(duì)土體的有效監(jiān)測(cè),在凍結(jié)區(qū)域內(nèi)共布置測(cè)溫孔5個(gè),測(cè)溫孔深度與附近凍結(jié)孔深度一致。洞門(mén)圈外測(cè)溫孔在凍結(jié)壁內(nèi)布置3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),分別在測(cè)溫孔端頭、中部、進(jìn)凍土區(qū)1 m位置;洞門(mén)圈內(nèi)測(cè)溫孔布置2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),布置在地連墻后1 m和測(cè)溫孔端頭。
根據(jù)測(cè)溫孔溫度的變化情況(如圖7和圖8所示)可以推斷凍結(jié)壁厚度的發(fā)展。根據(jù)1#,2#,3#,4#和5#測(cè)溫孔計(jì)算凍土發(fā)展速度分別為55,33,25,20,20 mm/d。根據(jù)上述發(fā)展速度,凍結(jié)40 d后,最慢向外凍結(jié)發(fā)展半徑為25 mm/d×40 d=1 000 mm;而發(fā)展最快向外凍結(jié)發(fā)展半徑為55 mm/d×40 d=2 200 mm。取平均發(fā)展速度計(jì)算得出凍結(jié)40 d后,發(fā)展半徑為1 600 mm,由此得到的凍結(jié)帷幕厚度最薄為2 m,大于設(shè)計(jì)的1.58 m。因此,凍結(jié)帷幕厚度已滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)1#測(cè)溫孔得出凍結(jié)壁平均溫度為-23.5℃,均滿足設(shè)計(jì)要求。
圖7 2011年淺孔溫度曲線Fig.7 Temperature of shalow points in 2011
圖8 2011年深孔溫度曲線Fig.8 Temperature of deep points in 2011
積極凍結(jié)40 d后在洞門(mén)圈范圍內(nèi)上、下、左、右位置各開(kāi)一探測(cè)孔,以實(shí)際觀測(cè)凍土墻的效果。即在洞門(mén)圈內(nèi)以及離洞門(mén)圈周?chē)?.5 mm的位置,各開(kāi)一個(gè)探測(cè)觀察孔。開(kāi)孔深度為1.5 m。觀測(cè)結(jié)果顯示,孔內(nèi)土體已凍結(jié),無(wú)水流出,說(shuō)明凍結(jié)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
人工凍土帷幕的溫度發(fā)展可以簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng),可以根據(jù)式(1)測(cè)溫孔的溫度來(lái)推算凍土帷幕的厚度。
式中:T為凍土溫度,℃;T1為凍結(jié)管內(nèi)冷媒劑(鹽水)溫度,℃;r,r1,r2分別為凍結(jié)柱內(nèi)任意點(diǎn)至凍結(jié)管中心距離、凍結(jié)管外半徑和凍土圓柱的外半徑,m。
外圈測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,深孔有效凍結(jié)帷幕1.6 m>1.58 m,根據(jù)理論計(jì)算,淺孔凍結(jié)帷幕有效厚度達(dá)到2.1 m>1.58 m,滿足設(shè)計(jì)要求。
盾構(gòu)始發(fā)線路正處在R360 m的圓曲線上,為了簡(jiǎn)化施工難度,降低盾構(gòu)在加固體內(nèi)曲線糾偏導(dǎo)致的超挖、漏水、卡死等風(fēng)險(xiǎn),采用割線始發(fā)。也就是在設(shè)計(jì)軸線半徑360 m的曲線上取一條割線,讓割線與曲線的最大偏差距離控制在±50 mm(設(shè)計(jì)允許偏差)以內(nèi),讓盾構(gòu)沿著這條割線直線向前掘進(jìn),當(dāng)盾尾進(jìn)入洞門(mén)密封后,再讓盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)好的割線與圓曲線過(guò)渡的緩和曲線逐漸向設(shè)計(jì)軸線靠攏,最終達(dá)到掘進(jìn)線路與設(shè)計(jì)軸線擬合。
1)盾構(gòu)和始發(fā)基座在安裝的時(shí)候讓始發(fā)基座的軸線沿設(shè)計(jì)軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)與設(shè)計(jì)軸線預(yù)先形成一個(gè)0.4°的夾角,并使刀盤(pán)中心預(yù)先向左偏離洞門(mén)設(shè)計(jì)中心20 mm,刀盤(pán)直徑為6 380 mm,洞門(mén)圈直徑6 700 mm,可以通過(guò)調(diào)整洞門(mén)簾布橡膠和壓板的位置來(lái)避免刀盤(pán)擠破簾布橡膠板,在外置注漿管的4個(gè)方位采用可滑動(dòng)抽拉式壓板,避免外置注漿管在洞門(mén)處卡住(如圖9所示)。
圖9 盾構(gòu)割線始發(fā)示意Fig.9 Secant launching of shield machine
2)當(dāng)盾尾全部進(jìn)入洞門(mén)密封后,這時(shí)刀盤(pán)和前盾已出加固區(qū),開(kāi)始調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),從割線到圓曲線之間設(shè)計(jì)一條緩和曲線,緩和曲線的長(zhǎng)度可以根據(jù)刀盤(pán)中心偏離設(shè)計(jì)軸線的距離大小而定。同時(shí)調(diào)整管片選型,采用直線環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)1∶1的比例調(diào)整隧道線型。刀盤(pán)中心經(jīng)過(guò)3~4環(huán)的糾偏慢慢縮小盾構(gòu)與設(shè)計(jì)軸線偏離距離,使刀盤(pán)沿著緩和曲線逐漸向設(shè)計(jì)軸線靠攏,最終達(dá)到與設(shè)計(jì)軸線擬合(如圖10所示)。
圖10 由割線到圓曲線掘進(jìn)示意Fig.10 Tunneling from secant to curve
刀盤(pán)在凍結(jié)加固區(qū)內(nèi)掘進(jìn)要低轉(zhuǎn)速、低扭矩、小推力、低貫入度緩慢連續(xù)向前推進(jìn),推進(jìn)速度盡量控制在5 mm/min以內(nèi),如果沒(méi)有必要盡量不要改變刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向,最關(guān)鍵的是刀盤(pán)在通過(guò)凍結(jié)加固區(qū)之前任何時(shí)候不能停轉(zhuǎn)。含水的粉砂地層經(jīng)過(guò)凍結(jié)加固后質(zhì)地特別堅(jiān)硬(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.0 MPa),很容易將刀盤(pán)卡住,如果刀盤(pán)被卡住超過(guò)20 min,刀盤(pán)就會(huì)被凍住。在本次始發(fā)過(guò)程中由于盾構(gòu)的防扭裝置失效,盾構(gòu)的順時(shí)針滾動(dòng)角超過(guò)規(guī)范允許偏差,在調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)向過(guò)程中,刀盤(pán)被凍土卡住了,無(wú)論是順時(shí)針還是逆時(shí)針?lè)较蚨紵o(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng),時(shí)間長(zhǎng)了刀盤(pán)就被凍住了,經(jīng)過(guò)30 h的蒸汽解凍才將卡住刀盤(pán)的凍土融化,使刀盤(pán)脫困。
凍結(jié)區(qū)的掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。
表2 凍結(jié)區(qū)內(nèi)刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)Table 2 Excavation parameters of cutter head in freezing section
施工流程如圖11所示。
圖11 刀盤(pán)脫困流程圖Fig.11 Jamming releasing of cutter head
1)蒸汽解凍。利用準(zhǔn)備好的蒸汽發(fā)生器,通過(guò)管路連接到前艙隔板處下方的2個(gè)備用球閥,蒸汽從下方噴入,向倉(cāng)內(nèi)上部發(fā)展,對(duì)刀盤(pán)四周均勻加熱。在加熱解凍過(guò)程中每隔6 h試轉(zhuǎn)動(dòng)一次刀盤(pán),每隔20 min依次轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋輸送機(jī)(蒸汽機(jī)功率:45 kW,每小時(shí)用水70 kg)。噴射蒸汽解凍過(guò)程中,派專(zhuān)人值班注意觀察蒸汽機(jī)壓力。
2)提高外圈凍結(jié)壁的溫度。調(diào)整冷凍機(jī)和鹽水泵的功率,降低冷凍機(jī)的制冷功率,減小外圈凍結(jié)管的鹽水循環(huán)流量,不間斷地觀察測(cè)溫孔并控制循環(huán)鹽水溫度由-31℃逐漸提高到-20℃,使外圈凍結(jié)體的冷凍溫度能夠逐漸提高,提高解凍速度。
在提高外圈凍結(jié)壁溫度的過(guò)程中,注意觀察測(cè)溫孔的溫度變化,緩慢提高凍結(jié)壁溫度,防止溫度上升過(guò)快,凍結(jié)壁融化。
在蒸汽解凍和提高凍結(jié)壁溫度過(guò)程中,每隔6 h試轉(zhuǎn)動(dòng)一次刀盤(pán),直至刀盤(pán)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)為止。
3)后退盾構(gòu)。如果前2種方法仍然不能達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)的效果,則采用后退盾構(gòu)的方式使其脫困。
目前盾構(gòu)主機(jī)前盾和中盾已經(jīng)進(jìn)入洞門(mén)3.8 m,尾盾推進(jìn)油缸伸長(zhǎng)量是1 600 mm。
具體做法是:在洞門(mén)外露的盾殼外側(cè)中盾和尾盾兩面?zhèn)认虏坑芒?75的型鋼各焊接2道型鋼托架,使中盾剛性連接,兩側(cè)各用1個(gè)100 t的千斤頂使盾構(gòu)向后退10~15 cm,使刀盤(pán)和盾殼與凍土間松動(dòng),達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)的目的。
刀盤(pán)被卡后,馬上采取針對(duì)措施,開(kāi)啟應(yīng)急的蒸汽機(jī),向刀盤(pán)內(nèi)輸送蒸汽,每隔6 h轉(zhuǎn)一次刀盤(pán),由于外界溫度過(guò)低,熱量損失較大,刀盤(pán)仍舊無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。在輸送蒸汽的同時(shí),在盾殼焊接反力塊,采用2個(gè)100 t的千斤頂反推盾構(gòu),將刀盤(pán)從凍土中解困,但仍未達(dá)到預(yù)期目的。為縮短解凍時(shí)間,提高解凍效率,又增加2臺(tái)蒸汽機(jī),30 h后,刀盤(pán)解困。
目前盾構(gòu)已順利下穿民豐河、通順橋和市政管線,洞門(mén)及時(shí)完成封閉注漿,經(jīng)過(guò)施工監(jiān)測(cè),河堤、橋梁和管線的最大沉降只有5.4 mm,符合沉降要求。在后續(xù)的施工中還要不斷加強(qiáng)監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行融沉注漿,維持地層的穩(wěn)定。
正常區(qū)段的掘進(jìn)參數(shù)如表3所示。
表3 始發(fā)后正常段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)表Table 3 Excavation parameters of shield machine at normal section after launching
由于加固區(qū)域存在4 m厚的粉砂地層,鉆孔施工中采用先進(jìn)的夯管成孔技術(shù),二次開(kāi)孔且設(shè)置孔口防噴裝置,凍結(jié)管擠壓進(jìn)入土層,可減少水土流失。若出現(xiàn)流沙、涌泥現(xiàn)象,立刻關(guān)閉閥門(mén),并通過(guò)旁通進(jìn)行注漿。
應(yīng)立即在凍結(jié)管上加焊擋環(huán),用管錘或鉆機(jī)將孔口管頂住,然后通過(guò)孔口管旁通進(jìn)行水泥-水玻璃注漿封堵,并用膨脹螺栓將孔口管固定在混凝土墻上。
在施工過(guò)程中嚴(yán)格地控制鉆孔角度,在凍結(jié)孔施工完成后及時(shí)進(jìn)行測(cè)斜糾偏,適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鉆孔角度最大程度保證孔位在原設(shè)計(jì)位置。若誤差不符合規(guī)范要求的,與設(shè)計(jì)進(jìn)行溝通確認(rèn)是否要進(jìn)行補(bǔ)孔。
凍結(jié)孔施工完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打壓試漏,若打壓不合格,應(yīng)下直徑略小套管進(jìn)行鹽水循環(huán)凍結(jié),并與設(shè)計(jì)溝通是否要進(jìn)行補(bǔ)孔。
凍結(jié)一段時(shí)間過(guò)后,由于地層土質(zhì)不同蠕動(dòng)導(dǎo)致凍結(jié)管斷裂,鹽水流失。凍結(jié)過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)鹽水液位監(jiān)測(cè)。每隔1~2 h記錄一次鹽水液位,發(fā)現(xiàn)鹽水漏失,要立即查明原因。若有向土體內(nèi)滲漏的可能,要迅速查清組號(hào)并關(guān)閉相應(yīng)組閥門(mén),向原凍結(jié)管內(nèi)下放套管繼續(xù)凍結(jié),或改用液氮凍結(jié)。
為防止盾構(gòu)出洞時(shí)可能打破凍結(jié)管,鑿除洞門(mén)前首先對(duì)值班人員進(jìn)行交底,明確各個(gè)分組,若打破凍結(jié)管,值班人員應(yīng)迅速關(guān)閉相應(yīng)組閥門(mén),并對(duì)被打破的凍結(jié)管進(jìn)行補(bǔ)焊重新用鹽水凍結(jié)。
鑿除洞門(mén)期間應(yīng)對(duì)鑿除區(qū)域正下方外圈凍結(jié)孔進(jìn)行保護(hù),防止上部掉落混凝土塊砸斷凍結(jié)管路,若出現(xiàn)斷裂,值班人員應(yīng)迅速關(guān)停相應(yīng)組閥門(mén),修復(fù)后繼續(xù)循環(huán)鹽水進(jìn)行凍結(jié)。
若拔斷凍結(jié)管,應(yīng)立即停止拔管,繼續(xù)用熱鹽水循環(huán)其他凍結(jié)管,對(duì)拔斷的凍結(jié)管重新用拔管器起拔。
在鑿除洞門(mén)期間發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁部分區(qū)域未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將測(cè)溫孔改作凍結(jié)孔加強(qiáng)該區(qū)域凍結(jié),或循環(huán)液氮進(jìn)行凍結(jié),達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后繼續(xù)施工。
文章總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)在富水粉砂地層、小半徑曲線段、水平凍結(jié)加固區(qū)等多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源集中的環(huán)境下始發(fā)和盾構(gòu)防凍、解凍的經(jīng)驗(yàn)措施。但也存在一些尚未解決的難題,如:水平凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹融沉對(duì)周邊構(gòu)(建)筑物會(huì)或多或少的產(chǎn)生一些影響,雖然通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和融沉注漿等措施可以在很大程度上解決該問(wèn)題,但在冷凍的時(shí)間和溫度控制、防凍脹泄壓控制以及融沉注漿各項(xiàng)參數(shù)控制方面還需要改進(jìn)。
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