王承震

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014)

0 引言

近年來，我國開展了大規(guī)模的城市市政工程建設(shè)，尤其是多個重要城市都已開始了地下空間的開發(fā)建設(shè)。在這些地下工程中，由于受到施工場地、道路交通等城市環(huán)境因素的限制，使得傳統(tǒng)的施工方法難以普遍適用。在這種情況下，對城市正常機(jī)能影響很小的隧道施工方法——盾構(gòu)施工法普遍得到了人們的關(guān)注，并且在一些地區(qū)已經(jīng)有了較為廣泛的使用［1－2］。

目前，世界范圍內(nèi)采用盾構(gòu)施工的隧道工程建設(shè)主要有3個特點(diǎn):1)隧道斷面不斷增大，如2004年開工的上海長江隧道，采用直徑為15.43 m的泥水平衡盾構(gòu)建造;2)隧道長度不斷增大，如日本清函海底隧道總長度達(dá)到53 km;3)隧道埋深不斷增大，如西班牙馬德里M30公路隧道最大覆土埋深達(dá)75 m［3］。

我國在盾構(gòu)隧道施工技術(shù)應(yīng)用方面已經(jīng)積累了不少的經(jīng)驗(yàn)。郭信君等［4］針對南京長江隧道礫砂地層超大直徑泥水盾構(gòu)隧道，從盾構(gòu)選型、始發(fā)、穿越江中超淺覆土、帶壓更換刀具等方面進(jìn)行了施工重難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)等方面的總結(jié);但至今為止的研究開發(fā)主要還是以掌握施工技術(shù)，解決具體施工問題為主要內(nèi)容。為了能夠使盾構(gòu)技術(shù)更加適用于我國工程實(shí)際的具體情況，一些基礎(chǔ)性、理論性的研究也是必不可少的［5］。揚(yáng)州地區(qū)因硬塑膨脹性黏土地層的復(fù)雜性質(zhì)，瘦西湖隧道工程盾構(gòu)段在黏土地層下使用泥水平衡盾構(gòu)作業(yè)。文章針對盾構(gòu)穿越硬塑膨脹性黏土層的重難點(diǎn)總結(jié)盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

揚(yáng)州瘦西湖隧道工程下穿揚(yáng)州市重要風(fēng)景區(qū)和多個文物保護(hù)建筑，該項(xiàng)目的建成對瘦西湖東西兩側(cè)用地的溝通帶來便利，同時可以成為聯(lián)系新城西區(qū)、東部新城的東西向重要通道之一。

工程全長4.4 km，其中主線隧道全長2.63 km，盾構(gòu)段全長1 275 m，單管雙層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時速為60 km，采用一臺直徑為14.93 m的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工。瘦西湖隧道工程位置示意圖見圖1。

圖1 瘦西湖隧道工程位置示意圖Fig.1 Location of Slender West Lake Tunnel

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

圖2為隧道工程地質(zhì)剖面圖。揚(yáng)州地區(qū)膨脹土為下蜀黏土，呈褐黃色，硬塑，含少量鐵錳結(jié)核，局部含有姜石，如圖3所示。膨脹土具有膨脹性、裂隙性和超固結(jié)性三大特征。

圖2 揚(yáng)州瘦西湖隧道底層剖面圖Fig.2 Profile of geological condition of Slender West Lake Tunnel in Yangzhou

瘦西湖隧道地層黏性土蒙脫石含量為25.39%，黏土顆粒組分微細(xì)，0.075 mm以下顆粒達(dá)99.6%，0.005 mm以下顆粒達(dá)44%。測試平均膨脹率Fs為66%，為中等膨脹性。由于在泥水盾構(gòu)掘進(jìn)開挖土體浸水或泥漿時造成土粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和強(qiáng)度喪失，極易導(dǎo)致表層土體崩散解體。試驗(yàn)表明，在靜水或靜止泥漿中，崩解成2 mm以下的顆粒的量很小，只占試樣總體積的3%以下。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

揚(yáng)州市區(qū)范圍內(nèi)存在呈田字形的人工河流，這些河流與長江相互連通，構(gòu)成地表水體的循環(huán)體系。隧道經(jīng)過范圍內(nèi)有瘦西湖及古運(yùn)河、漕河等人工河流。地下水主要為裂隙水和潛水。

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)分析

2.1 工程特點(diǎn)

1)超大直徑盾構(gòu)穿越全斷面、長距離黏土地層。

圖3 開挖暴露的下蜀黏土圖Fig.3 Xiashu clay revealed in tunneling

2)舊盾構(gòu)的改造使用。

3)單管雙層結(jié)構(gòu)。

4)穿越風(fēng)景名勝、文物保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)。

2.2 工程難點(diǎn)分析

2.2.1 環(huán)流、泥漿處理及盾構(gòu)適應(yīng)性問題

膨脹性黏土的工程性質(zhì)，在盾構(gòu)施工中，容易造成刀盤結(jié)泥餅、泥水環(huán)流系統(tǒng)堵塞設(shè)備等。泥漿產(chǎn)量大，約150萬m3(1.2 g/cm3)，但密度高，難分離，棄漿難度大，泥漿處理困難，成本巨大。

2.2.2 膨脹性地層開挖面停機(jī)坍塌問題

曾經(jīng)在盾構(gòu)停機(jī)檢修的位置，出現(xiàn)過3次塌方。塌方形式均表現(xiàn)為橢圓筒狀豎直向的塌方。需要明確膨脹土地層坍塌破壞規(guī)律并控制措施。

2.2.3 盾構(gòu)帶壓檢修問題

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，不可避免地需要在帶壓環(huán)境下對刀盤刀具進(jìn)行檢修維護(hù)，但對于0.42 MPa高壓環(huán)境下，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員可以進(jìn)入艙內(nèi)動火焊接案例極少，技術(shù)不成熟，需自主研發(fā)安全可靠的帶壓開艙技術(shù)。

2.2.4 施工控制要求嚴(yán)格

隧道穿越多處風(fēng)景名勝、文物保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)。對受力和變形要求很高，需要嚴(yán)格控制對周邊環(huán)境影響，施工難度大。

3 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 全斷面黏土地層高效環(huán)流及出渣技術(shù)

揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道穿越全斷面、長距離硬塑膨脹性黏土地層，因膨脹土的特殊工程性質(zhì)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，面臨刀盤易結(jié)泥餅、泥水艙及管道易堆積堵的問題，而且受到棄漿池場地條件(距離工作井3.2 km左右)的限制，渣土在管道長距離運(yùn)輸中易溶解破碎，泥水難分離，對泥漿循環(huán)造成不利影響［6－8］。

針對這一難題，通過相關(guān)試驗(yàn)研究，確定了黏土地層的塊狀切削、整體運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路，需要對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行改造，具體為:將71把可更換的鈍角刮刀改為尖齒型銳角刮刀，將中心圓柱形刮刀改為魚尾型刮刀，將16把先行齒刀取消，改為刀盤沖刷孔，增加刀盤的沖刷能力，保留原有118把固定刮刀形式，以此實(shí)現(xiàn)黏土地層的塊狀切削［9］。刀盤刀具改造方案見圖4。黏土塊狀切削見圖5。

圖4 刀盤刀具改造方案Fig.4 Modification of cutter head and cutting tools

圖5 黏土塊狀切削Fig.5 Clay block cutting

為避免黏土塊在過程中溶解破碎，造成泥水難分離，需要對環(huán)流、出渣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn):掛起碎石機(jī)，并去掉排漿口格柵，增加大黏土塊的切割機(jī)具，防止大塊黏土進(jìn)入排漿管，堵塞環(huán)流系統(tǒng)。在排漿管口增加2對高壓沖刷噴頭，使黏土塊更快地進(jìn)入排漿管，增大進(jìn)泥漿流量，確保進(jìn)泥漿流速達(dá)到3.5 m/s。泥漿密度不高于1.08 g/cm3，泥漿黏度控制在20 s以內(nèi)［9］。碎石機(jī)掛起見圖6。

圖6 碎石機(jī)掛起Fig.6 Hang-up of stone crusher

通過對泥水艙沖刷系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)了黏土的塊狀切削和整體運(yùn)輸，成功解決了刀盤和環(huán)流系統(tǒng)結(jié)泥餅、堵塞和泥水難分離的問題，盾構(gòu)掘進(jìn)速度由10 h/環(huán)提升到3～4 h/環(huán)，實(shí)現(xiàn)了全斷面黏土地層高效環(huán)流及出渣。

3.2 泥水盾構(gòu)地層適應(yīng)性改造技術(shù)

因揚(yáng)州膨脹性黏土塊塑性指數(shù)大，易黏附刀盤、導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅、堵塞排漿管和篩分設(shè)備，影響施工，需要對盾構(gòu)刀盤沖刷和環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行改造［10－11］。

3.2.1 刀盤沖刷系統(tǒng)改造

從盾構(gòu)主機(jī)處進(jìn)漿管引以專用管道，采用90 kW P01加壓泵加壓后，通過盾構(gòu)中心錐的中心回轉(zhuǎn)接頭分6個支管，分別引入6個主臂，每個支管采用電磁閥可獨(dú)立切換控制，每個主臂設(shè)置4個沖刷孔，沖刷孔外設(shè)置保護(hù)塊，防止刀盤切削泥塊堵塞孔口，孔口沖刷方向與刀盤面平行，以便更好地沖刷刀體及盤面，使刀盤不易被黏土粘結(jié)［9］。刀盤沖刷系統(tǒng)改造見圖7。

圖7 刀盤沖刷系統(tǒng)改造Fig.7 Modification of flushing system of cutter head

3.2.2 泥水環(huán)流系統(tǒng)改造

將出漿口處原有格柵拆除，使泥水?dāng)y帶渣土流暢，增加高壓沖刷系統(tǒng)，一方面協(xié)助渣土輸送，另一方面通過高壓沖刷與切削作用，使大的黏土塊變小，利于泥漿攜帶。高壓沖刷系統(tǒng)采用直徑250 mm專用高壓管道從地面清水池開始敷設(shè)，采用2臺功率55 kW，流量144 m3/h，壓力1 MPa的加壓泵在地面加壓后，到達(dá)盾構(gòu)后分成4根φ100支管，每個支管分別連接一臺功率37 kW，流量70 m3/h，壓力1.4～1.8 MPa的增壓泵，再用φ60高壓管從增壓泵引入艙內(nèi)前閘門下方，全部均布固定在前閘門后方殼體內(nèi)壁上，分別采用4個φ20高壓噴頭正對出漿管吸口進(jìn)行高壓沖刷，使刀盤切削下的渣土，及時通過排漿吸口帶走，解決了泥水艙底部渣土堆積、管道堵塞、攜渣不暢等難題，加快了掘進(jìn)進(jìn)度，保證了工程的順利進(jìn)行［9］。盾構(gòu)泥水艙沖刷系統(tǒng)示意圖見圖8。

3.3 膨脹性黏土泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定控制技術(shù)

因盾構(gòu)施工需要，揚(yáng)州瘦西湖隧道泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中有過幾次停機(jī)，在停機(jī)過程中出現(xiàn)了3次開挖面失穩(wěn)塌方事故，表現(xiàn)為近似圓桶形豎向塌方，3次塌方均發(fā)生在停機(jī)后第6天左右。針對停機(jī)時在確保開挖面支護(hù)壓力不降低情況下，仍然發(fā)生了多次開挖面塌方的問題。通過深入分析后，認(rèn)為黏土的膨脹性是開挖面失穩(wěn)發(fā)生的主要原因。隨著盾構(gòu)開挖擾動，開挖面前方具有裂隙性的膨脹土裂隙開展，滲透系數(shù)增大，加速了泥水入滲。由于泥漿入滲，膨脹土因含水率增加發(fā)生一定量的膨脹，向泥水艙內(nèi)部發(fā)生擠入，并且其強(qiáng)度將會降低。由于盾構(gòu)停機(jī)時間較長，這種現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致開挖面極限支護(hù)壓力比增大，開挖面穩(wěn)定性降低［12－13］。

圖8 盾構(gòu)泥水艙沖刷系統(tǒng)示意圖Fig.8 Sketch of flushing system of slurry chamber

針對開挖面穩(wěn)定性問題，減少單次停機(jī)時間，可以采用“多次短?！钡姆绞竭M(jìn)行;停機(jī)時選用高濃度、低滲透性能的泥漿，減少泥漿入滲量;控制開挖參數(shù)，盡量平穩(wěn)勻速開挖，減少開挖面擾動，盡量避免開挖面前方膨脹土裂隙開展，減少泥漿入滲通道。通過采取開挖面穩(wěn)定性控制措施之后，再無塌方事故發(fā)生，取得了顯著的效果。停機(jī)時開挖面塌方見圖9。

3.4 盾構(gòu)壓氣檢修技術(shù)

在穿越長距離、復(fù)合地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中，會發(fā)生不同程度的刀具或刀盤磨損、構(gòu)件損壞、刀盤的適應(yīng)性調(diào)整等，帶壓進(jìn)艙動火檢修是不可避免的工作;但由于國內(nèi)盾構(gòu)壓縮空氣環(huán)境人員安全作業(yè)的風(fēng)險認(rèn)識不足，帶壓動火風(fēng)險控制管理及安全技術(shù)缺失，導(dǎo)致盾構(gòu)帶壓動火檢修施工嚴(yán)重依賴德國潛水公司，并成為我國長距離穿江過海隧道建設(shè)技術(shù)瓶頸［14］。

針對這一難題，通過選拔身體條件良好，符合潛水員體檢標(biāo)準(zhǔn)的焊工進(jìn)行理論培訓(xùn)和高壓適應(yīng)性鍛煉，指導(dǎo)焊工在高壓環(huán)境下作業(yè)應(yīng)注意的事項(xiàng)，學(xué)會辨識風(fēng)險源。通過試驗(yàn)確定高壓環(huán)境下動火焊接工藝，最終在瘦西湖隧道盾構(gòu)施工中，實(shí)現(xiàn)了最高達(dá)0.42 MPa的壓氣環(huán)境下的動火焊接工藝，這是國內(nèi)自主研發(fā)并且由國人自己獨(dú)立完成的最高壓力條件下的動火焊接案例。

3.5 小半徑曲線上精準(zhǔn)接收技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)施工中接收精度誤差和難度會隨著盾構(gòu)直徑的增大呈幾何級數(shù)增長。針對超大直徑盾構(gòu)在小半徑曲線段接收風(fēng)險，采取了如下措施:1)緩和曲線;2)提高測量精度，減小貫通誤差;3)低速度、小推力、合理的泥水壓力、及時飽滿地回填注漿，進(jìn)而嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，使其偏差保持在一個較小的范圍內(nèi)［15－16］。

盾構(gòu)緩和曲線運(yùn)行軌跡的擬合方面，首先分別研究 40、42.5、45、47.5、50、55 m 長的緩和曲線，與半徑1 500、1 400、1 350、1 300、1 250、1 200 m 圓曲線進(jìn)行優(yōu)化組合后的模擬掘進(jìn)線路，確保盾構(gòu)在滿足規(guī)范要求的前提下安全接收。曲線精準(zhǔn)接收情況見圖10。

圖10 曲線精準(zhǔn)接收圖Fig.10 Accurate arriving of shield

3.6 單管雙層隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)期間管片、砂漿等運(yùn)輸車輛的運(yùn)行以及泥水循環(huán)水電等管路占用部分空間，盾構(gòu)掘進(jìn)期間隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工組織較為困難［17］。揚(yáng)州市瘦西湖工程隧道盾構(gòu)段內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工采用下層預(yù)制箱涵，上層行車道板采用30 m長鉸接式液壓模板臺車進(jìn)行單管雙層大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道板澆筑。不僅可以保證洞內(nèi)二次結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工，而且60 m/節(jié)的現(xiàn)澆車道板施工速度控制在8 d，盾構(gòu)后配套臺車尾部進(jìn)洞60 m后開始施工二次結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)掘進(jìn)完畢，盾構(gòu)拆解完成后1個月內(nèi)完成洞內(nèi)二次結(jié)構(gòu)，施工工序緊湊、施工過程安全迅速，滿足工期要求，保障了內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工及后續(xù)內(nèi)部裝修及機(jī)電設(shè)備安裝的工作安排。盾構(gòu)段內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工見圖11。

圖11 盾構(gòu)段內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工Fig.11 Construction of internal structures of shield-bored tunnel section

4 結(jié)論與討論

1)針對全斷面、長距離泥水盾構(gòu)穿越硬塑膨脹性黏土層時遇到的刀盤結(jié)泥餅、泥水艙、管道易堆積堵及泥漿難分離等問題，提出了高效環(huán)流及出渣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了黏土的塊狀切削、整體運(yùn)輸。

2)為適應(yīng)揚(yáng)州瘦西湖隧道工程穿越長距離全斷面硬塑黏性土地層，通過刀盤沖刷與環(huán)流系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，形成了針對硬塑黏性土地層的盾構(gòu)施工技術(shù)與開挖面穩(wěn)定性控制技術(shù)。

3)針對國外在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中壓氣檢修技術(shù)的壟斷，自主研發(fā)了最高達(dá)0.42 MPa高壓氣環(huán)境下停機(jī)動火焊接檢修技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)高壓動火焊接的空白。

4)形成了小半徑曲線接收技術(shù)和雙層大直徑隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)，為工程順利快速貫通提供了技術(shù)保障。

雖然在泥水盾構(gòu)穿越硬塑膨脹性黏土層取得了突破性的成果，但針對盾構(gòu)停機(jī)時開挖面穩(wěn)定性控制、0.42 MPa以上高壓環(huán)境下進(jìn)艙動火焊接等方面研究仍有不足，以后的研究重點(diǎn)將放在這些方面上。

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