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(福州地鐵集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

0 引言

地鐵工程中采用盾構(gòu)法施工常遇到下穿江河湖等問題，由于受客觀施工環(huán)境和地質(zhì)條件約束，施工風(fēng)險極高，易發(fā)生風(fēng)險事件，因此，如何防范水下隧道盾構(gòu)法施工安全風(fēng)險是當(dāng)前地下工程研究的重要課題之一。

研究盾構(gòu)過江施工的風(fēng)險因素，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況正確處理有關(guān)設(shè)備問題和采用相關(guān)的施工技術(shù)，避免盾構(gòu)開挖面與江水貫通，防止江底河床塌陷，使盾構(gòu)機(jī)安全、順利地從江底通過。

本文結(jié)合福州地鐵1號線過閩江段工程實例，分析盾構(gòu)下穿江河時的施工風(fēng)險，并參照相關(guān)文獻(xiàn)[1-4]針對性提出施工風(fēng)險控制措施，為類似工程施工的風(fēng)險控制提供參考。

1 工程概況

福州地鐵1號線上藤站～達(dá)道站區(qū)間總長度約1700m(包含礦山法隧道約380m，已完成)，其中盾構(gòu)掘進(jìn)段由3部分組成，分別為棚戶區(qū)變更段、下穿閩江段及閩江北側(cè)施工段，如圖1所示。

圖1 區(qū)間線路示意圖

閩江為福建省最大河流，位于本區(qū)間場地的中部，寬約390m，由中洲島分為南北兩汊。北側(cè)水面寬約220m，河床切割較深，河底地形起伏大，呈近似“V”字形，靠北側(cè)臺江碼頭附近水最深處達(dá)19.0m，河底地面高程為-6.50m～-15.6m?？恐兄迧u側(cè)水深7.00m～10.0m，河底地面高程為-3.30m～-6.50m。南側(cè)水面寬約100m，河底較平緩，河底地面高程為-1.0m～-2.30m，水深一般為5.00m～6.00m，如圖2所示。

圖2 閩江段施工線路圖

盾構(gòu)下穿閩江段長約390m，過江段環(huán)數(shù)約330環(huán)，隧道坡度約為26.7‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑R為500m，隧道頂部覆土8.33m～31.49m。盾構(gòu)穿越地層有中等風(fēng)化花崗巖(平均抗壓強(qiáng)度為176MPa，其最大抗壓強(qiáng)度為183MPa)、⑤2細(xì)砂、⑧2中砂、⑧3淤泥質(zhì)土夾薄層粉砂、少量砂夾淤泥，如圖3所示。

圖3 閩江底地質(zhì)情況圖

2 盾構(gòu)選型

盾構(gòu)選型依據(jù)適用性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性四者科學(xué)統(tǒng)一的原則進(jìn)行選型。盾構(gòu)機(jī)從閩江南岸二次始發(fā)，穿越全斷面高強(qiáng)度硬巖，巖層平均抗壓強(qiáng)度為176MPa，其最大抗壓強(qiáng)度為183MPa。閩江南岸地層巖石強(qiáng)度較高，為盾構(gòu)選型重點考慮因素之一。經(jīng)綜合分析，最終確定選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。采用2臺德國海瑞克公司設(shè)計生產(chǎn)的復(fù)合式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑為6480mm。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

盾構(gòu)密封止水裝置包括：盾尾密封、鉸接密封、主軸承密封裝置。

表1 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)表

盾尾密封由3道鋼絲刷、1道鋼板刷(盾尾刷)及3個充滿油脂的密封艙(盾尾倉)組成，如圖4所示。

圖4 盾尾密封裝置

海瑞克Φ6450盾構(gòu)機(jī)的鉸接形式為被動鉸接，密封止水裝置位于中盾與尾盾連接處。經(jīng)現(xiàn)場實驗表明，密封裝置完好，并配備緊急止水裝置，如圖5所示。

圖5 鉸接密封裝置

盾構(gòu)機(jī)主軸承密封設(shè)計壓力值為0.5MPa，密封油脂采用HBW、EP2。

3 盾構(gòu)穿越閩江施工風(fēng)險分析

根據(jù)地質(zhì)情況的區(qū)別，將過江段人為劃分為3個階段：

(1)全斷面中風(fēng)化花崗巖盾構(gòu)掘進(jìn)段約11m，補(bǔ)勘結(jié)果顯示平均強(qiáng)度為176MPa；

(2)上軟下硬地質(zhì)交界面盾構(gòu)掘進(jìn)，長度約18m；

(3)全斷面中砂掘進(jìn)，上方無隔水層，長約310m；

(4)全斷面淤泥地層和上部砂層、下部淤泥質(zhì)土地層，長約50m。盾構(gòu)下穿閩江段風(fēng)險源分析如表2所示。

表2 盾構(gòu)下穿閩江段風(fēng)險源清單

4 風(fēng)險控制措施

4.1 全斷面中風(fēng)化花崗巖盾構(gòu)掘進(jìn)

(1)盾構(gòu)機(jī)施工前對刀盤刀具進(jìn)行優(yōu)化(詳見表2)，施工過程中以減小刀具損耗，減少換刀頻率，如果刀盤磨損檢測裝置發(fā)生報警，則考慮換刀。

(2)此階段盾構(gòu)施工不建立正面土壓力，施工控制以貫入度、刀盤扭矩及總推力為主，施工過程中不斷向前方注水或泡沫劑。

(3)設(shè)定合理的貫入度，并在施工過程中根據(jù)扭矩等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

(4)使用高壓力、低排量的定量推進(jìn)泵。

4.2 軟硬交界面盾構(gòu)掘進(jìn)

(1)穿越前對軟硬交界面區(qū)域砂性土進(jìn)行高壓旋噴加固(閩江上搭鋼平臺進(jìn)行施工)，增加土體自立性，并且對加固體進(jìn)行取芯檢測，對其整體質(zhì)量進(jìn)行評估，保證加固體強(qiáng)度、抗?jié)B性指標(biāo)滿足要求。

(2)解除螺旋機(jī)聯(lián)運設(shè)置，手動控制適當(dāng)降低螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，控制出土量，嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)速度、扭矩、總推力、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度等參數(shù)，減小對土體的擾動和超挖，保證刀盤前方土體的穩(wěn)定性。

(3)盾構(gòu)機(jī)切削下方中風(fēng)化花崗巖掘進(jìn)時，為保證滾刀不因過載而破壞，在通過軟硬地質(zhì)交界面過程中總推力逐漸降低(加固體自立性良好，基本無側(cè)向土壓力)，并在掘進(jìn)加固體后半段過程中逐漸增加，根據(jù)實際情況進(jìn)行控制。

(4)盾構(gòu)機(jī)通過軟硬地質(zhì)交界面及加固體過程中理論上不建立正面土壓力，但盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至距加固體邊界2m左右開始逐漸建立正面土壓力，盾構(gòu)機(jī)由加固體進(jìn)入原狀土過程中，土壓力值由最初值增加至計算土壓，土壓計算按靜止土壓力為準(zhǔn)，采用水土分算法。

(5)適量增加高分子聚合物、膨潤土漿、泡沫劑等土體改良材料注入量，進(jìn)行渣土改良，并使用高壓力、低排量的定量推進(jìn)泵，減少刀具磨損量。

(6)盾構(gòu)刀盤通過軟硬地質(zhì)交界面，出加固土前停止掘進(jìn)，采用氣壓法出倉對刀具進(jìn)行檢查，將刀盤上滾刀(除周邊滾刀外)更換成先行刀。對于帶壓換刀制定專項方案，重點為泥膜建立、刀具查驗及換刀標(biāo)準(zhǔn)等。

(7)在與閩江水系可能直接連通的地層條件下，人員氣壓出艙施工難度極大，應(yīng)多次采用不同配比的膨潤土漿液進(jìn)行泥膜試驗，并在此基礎(chǔ)上，研究采用新型水泥膨潤土材料進(jìn)行泥膜試驗，以期實現(xiàn)江底人員帶壓出艙。

4.3 全斷面富水砂層盾構(gòu)掘進(jìn)

(1)盾構(gòu)穿越閩江施工前對閩江的水位及江底實際標(biāo)高進(jìn)行測量，對水土壓力進(jìn)行超前探測，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)定施工參數(shù)。在掘進(jìn)過程中，對土倉壓力的管理應(yīng)該是動態(tài)的，具體注意土倉壓力的設(shè)定，最直接影響因素是江面水位的潮起潮落，因此掘進(jìn)過程中要密切監(jiān)測水位變化，并據(jù)此對正面土壓力進(jìn)行調(diào)整，確保盾構(gòu)土倉壓力的設(shè)定符合實際情況。

(2)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，一般出土量控制在理論值的98%，該區(qū)段適當(dāng)減少至理論值的95%，盡量避免超挖施工，防止地面出現(xiàn)較大的不均勻沉降或塌方冒頂。

(3)根據(jù)以往施工經(jīng)驗，要達(dá)到較好的填充效果，至少應(yīng)保證注漿量在理論間隙值的120%～180%之間，硬巖中掘進(jìn)注漿量可取理論間隙值的130%，軟硬交界面中掘進(jìn)同步注漿量取理論間隙值的150%，砂性土中掘進(jìn)同步注漿量取理論間隙值的上限180%，同時結(jié)合監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整。硬巖及軟硬交界地層采用活性漿，砂層采用惰性漿液。注漿量還應(yīng)結(jié)合注漿壓力進(jìn)行控制，若壓力明顯增大，則暫時停止注漿，以免注漿壓力擊穿地層。

(4)該區(qū)段盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡模式勻速推進(jìn)，在穿越江底砂性土過程中及時調(diào)整油缸推力及推進(jìn)速度，推進(jìn)速度控制在10～30mm/min，使之平穩(wěn)快速通過，避免因刀盤推力波動過大對地層造成嚴(yán)重擾動。

(5)盾構(gòu)在砂層中掘進(jìn)容易因流砂或砂土液化而出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，因此在掘進(jìn)過程中，將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)在設(shè)計允許范圍內(nèi)有意向下調(diào)整，有效抑制管片上浮，姿態(tài)始終保持為稍微抬頭趨勢，有效抑制“磕頭”現(xiàn)象。盾構(gòu)機(jī)配備先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)，精確計算盾構(gòu)的姿態(tài)，同時與人工測量數(shù)據(jù)項比較，確定下環(huán)推進(jìn)的盾構(gòu)姿態(tài)。

(6)因隧道處于閩江下富水砂層之中，后期運營階段隧道滲漏和不均勻沉降的可能性較大，推進(jìn)過程中及時采用雙液漿進(jìn)行二次注漿充填和堵漏，注漿量較常規(guī)大，每3～5環(huán)注雙液漿形成環(huán)箍。通過管片增設(shè)注漿孔對施工完成后的隧道周邊土體進(jìn)行加固，厚度不小于3m。

(7)采購盾構(gòu)機(jī)時訂制特殊盾尾刷，采用3道鋼絲刷及1道鋼板刷擋水擋砂。增加盾尾油脂注射口，施工時在密封腔中注入足夠的進(jìn)口油脂，以保證盾尾與管片間的密封，并加強(qiáng)主軸承密封處和鉸接密封處的滲漏檢查，及時調(diào)整密封壓板螺栓，防止地下水涌入。最不利情況下，管片下部墊放海綿條(后期進(jìn)行二次注漿)。在過江過程中準(zhǔn)備一定量進(jìn)口的遇水膨脹盾尾油脂，緊急時用來封閉可能的涌水通道。

(8)針對閩江底特殊地質(zhì)情況加強(qiáng)渣土改良措施，配合以防噴涌裝置，保證施工安全。

1)防噴涌裝置

①刀盤前方注入口

渣土改良劑由泵送設(shè)備通過中心回轉(zhuǎn)軸連接刀盤注入到刀盤前方，刀盤面板上分布注射孔，通過此孔向刀盤前方注入膨潤土漿液；同時通過螺旋機(jī)出口處閥門向土倉內(nèi)注入高分子聚合物，利用聚合物的絮凝性，遇水后迅速形成絮狀物，以達(dá)到防噴涌效果。

②螺旋機(jī)入口邊注入口

為保證在螺旋機(jī)噴涌發(fā)生時及時注入高分子聚合物形成栓塞，盾構(gòu)機(jī)胸板上靠近螺旋機(jī)進(jìn)土口位置左右對稱設(shè)置高分子聚合物口。

③螺旋機(jī)套筒內(nèi)注入口

螺旋機(jī)套筒內(nèi)設(shè)置注入口，在緊急情況下可以注入高分子聚合物進(jìn)行控制噴涌。

④螺旋機(jī)增設(shè)旁路系統(tǒng)

通過螺旋機(jī)右側(cè)的閘門增加一路管路至皮帶輸送機(jī)上方，管路兩端頭含打開、關(guān)閉的閘門，延長出渣路徑，進(jìn)一步降低噴涌風(fēng)險。

2)渣土改良

采用天然鈉基膨潤土漿液、泡沫劑、高分子聚合物作為渣土改良劑。渣土改良以膨潤土漿液為主，泡沫劑與高分子聚合物為輔助[5]。

盾構(gòu)在閩江底掘進(jìn)過程中不間斷持續(xù)自刀盤前方注漿孔注入膨潤土漿液，確保膨潤土漿每環(huán)注入量，使注入體積為富水砂層渣土體積的15%～20%，使砂層含泥量達(dá)到15%以上。如發(fā)生噴涌情況，利用高分子聚合物進(jìn)行處理。如果中途反復(fù)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，則在掘進(jìn)過程中定期往土倉內(nèi)添加聚合物，并盡量提高刀盤轉(zhuǎn)速，使其在土倉內(nèi)充分?jǐn)嚢?。必要時，關(guān)閉螺旋機(jī)出土，使螺旋機(jī)內(nèi)先形成土塞。

(9)水位測量頻率增加，根據(jù)水位變化及覆土厚度、推進(jìn)位置及時調(diào)整土倉壓力。

4.4 全斷面淤泥地層和上部砂層、下部淤泥質(zhì)土地層

(1)盾構(gòu)機(jī)換刀時，對刀盤刀具進(jìn)行改進(jìn)，增大開口率，減少面板，減輕盾構(gòu)機(jī)頭前端重量，確保刀具的適應(yīng)性，使其適用于砂層及上硬下軟土層的施工。

(2)淤泥質(zhì)粘土含水率高，孔隙比大，易塑流，盾構(gòu)機(jī)重，長度長，有鉸接，易發(fā)生頭部下沉現(xiàn)象，因此在盾構(gòu)底部設(shè)幾個雙液注漿管，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頭部下沉?xí)r，可適當(dāng)注漿糾偏，抬高盾構(gòu)，保證施工軸線。

4.5 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備

4.5.1刀盤刀具改造

盾構(gòu)機(jī)從閩江段全斷面高強(qiáng)度硬巖層至上軟下硬地層穿越，再至全斷面強(qiáng)透水砂層的復(fù)合地層，對盾構(gòu)刀盤和刀具的考驗極大。針對該地段地層情況，在盾構(gòu)始發(fā)前，刀盤重新安裝了全盤進(jìn)口刀具，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下應(yīng)性改造[6-9]：

(1)加強(qiáng)刀盤及注入口的保護(hù)，在其周邊增加焊接耐磨塊；

(2)對周邊部分滾刀進(jìn)行墊高，一方面可減少整體刀具磨損量，另一方面可增大硬巖中盾構(gòu)開挖半徑，低盾構(gòu)卡殼風(fēng)險；

(3)刀盤面板上焊接57把撕裂刀具(突出面板高度比主開挖滾刀低1.5cm)，作為盾構(gòu)在砂層掘進(jìn)的備用刀具。

改造前和改造后的刀盤如圖6～圖7所示。

圖6 海瑞克刀盤改造前

圖7 海瑞克刀盤改造后

4.5.2建立地面泥漿站

盾構(gòu)機(jī)在強(qiáng)透水砂層中掘進(jìn)，需配備大量膨潤土泥漿進(jìn)行渣土改良，施工前在地面建立6個24m3泥漿箱組成泥漿站，并配備可將膨潤土泥漿直接由地面輸送至盾構(gòu)機(jī)頭部大功率輸送泵，以滿足渣土改良條件。

4.5.3增加螺旋機(jī)應(yīng)急閘門

盾構(gòu)機(jī)在閩江江底強(qiáng)透水砂層中掘進(jìn)，螺旋機(jī)出土閘門控制稍有不當(dāng)，極易造成噴涌重大風(fēng)險。為此在設(shè)備原有兩道閘門的基礎(chǔ)上，另外配備了具備液壓和手動啟閉功能的第三道閘門，出渣主要通過3道閘門控制來實現(xiàn)。盾構(gòu)正常掘進(jìn)時，通過啟閉1#閘門的行程來控制出渣并將其作為第一道應(yīng)急閘門，2#閘門正常啟閉，3#閘門作為第二道應(yīng)急閘門，同時在施工過程中指定專人對第一道及第二道應(yīng)急閘門進(jìn)行專項管理。

4.5.4盾構(gòu)機(jī)設(shè)備其他風(fēng)險控制措施

(1)調(diào)整部分單刃滾刀和雙刃滾刀安裝位置，以增加刀間距。

(2)由盾構(gòu)機(jī)廠家對主軸承及密封進(jìn)行檢測，并出具檢測報告。

(3)對螺旋機(jī)螺桿及葉片加焊耐磨條，以提高螺旋的耐磨能力。

(4)對鉸接密封進(jìn)行保養(yǎng)和調(diào)試。

(5)對盾尾刷進(jìn)行更換，采用進(jìn)口盾尾刷、油脂。

4.6 信息化施工

(1)閩江水位觀測

在盾構(gòu)過江前1個月，在閩江兩岸邊建立驗潮站。驗潮站負(fù)責(zé)每天24h不間斷觀測閩江潮位變化情況，繪制出潮位變化分析圖，作為盾構(gòu)過閩江段掘進(jìn)施工的一項重要依據(jù)。在盾構(gòu)掘進(jìn)通過閩江段的過程中，安排專人在驗潮站全天候?qū)Τ蔽贿M(jìn)行觀察、報告，掘進(jìn)過程中根據(jù)潮位變化情況及時調(diào)整土倉壓力等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證過江段的施工安全。

(2)河道地形斷面監(jiān)測

河道地形測量和斷面監(jiān)測儀器如表3所示。采用GPS定位系統(tǒng)和聲波掃描裝備進(jìn)行江底地形變化的監(jiān)測。每次觀測保證在平潮期間進(jìn)行。監(jiān)測范圍為刀盤前方50 m到刀盤后方50 m，監(jiān)測頻率為1次/d。盾構(gòu)施工到埋深較淺河道等關(guān)鍵的部位時，可以加密至2次/d。

表3 河道地形測量和斷面監(jiān)測儀器

(3)堤防地層分層沉降變形監(jiān)測

在地鐵1號線穿閩江區(qū)域南北兩汊四岸的防洪堤布置分層沉降變形監(jiān)測點，分層埋設(shè)儀器。在各岸防洪堤布置測斜孔1個，位于上下行兩洞之間，孔內(nèi)埋固定式測斜儀，用以監(jiān)測深層水平位移；布置沉降孔3個，位于地鐵兩條軸線和兩軸線之間，用以監(jiān)測地層分層沉降。

5 結(jié)論

閩江段區(qū)間左、右線貫通歷時約11個月，施工中未發(fā)生重大安全風(fēng)險事故，施工風(fēng)險控制效果明顯，為今后土壓平衡盾構(gòu)下穿強(qiáng)透水地層施工風(fēng)險控制提供了參考和借鑒。通過研究，得到以下結(jié)論:

(1)結(jié)合工程的風(fēng)險特點，進(jìn)行施工風(fēng)險分析，針對性地采取風(fēng)險控制措施，可達(dá)到主動管理和有效規(guī)避施工風(fēng)險目的。

(2)盾構(gòu)選型和刀盤刀具配置及其性能與地質(zhì)條件的適應(yīng)性是盾構(gòu)隧道施工成敗的關(guān)鍵，土壓平衡盾構(gòu)在江底強(qiáng)透水砂層中推進(jìn)，易出現(xiàn)涌水涌沙、江底冒頂、河床沉降大等情況，施工風(fēng)險偏高，但采取全方位、系統(tǒng)的施工措施，穿越江底強(qiáng)透水砂層從經(jīng)濟(jì)性方面考慮可以選擇土壓平衡盾構(gòu)。

(3)由于盾構(gòu)上方閩江江底無隔水效果的強(qiáng)透水砂層，常規(guī)膨潤土泥膜材料難以滿足氣壓進(jìn)艙要求采用新型材料水泥膨潤土配比作為帶壓換刀的泥膜材料，可以成功實施盾構(gòu)機(jī)在江底全斷面強(qiáng)透水砂層中的人員帶壓出艙作業(yè)。

(4)土壓平衡盾構(gòu)在江底強(qiáng)透水砂層中推進(jìn)，易出現(xiàn)涌水涌沙、河床沉降大等情況，通過對江底地形監(jiān)測可以有效指導(dǎo)反饋盾構(gòu)掘進(jìn)開挖及渣土出土情況，信息化可以十分有效地反饋指導(dǎo)土壓平衡盾構(gòu)穿越江底強(qiáng)透水地層。

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