張岸韜(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司, 廣東 廣州 510010)
盾構(gòu)穿越河道既是技術(shù)難題,也是安全風(fēng)險(xiǎn)管控難點(diǎn)。它每每能在隧道施工中見到,似乎司空見慣,但其蘊(yùn)含著盾構(gòu)施工的一重大施工技術(shù)—盾構(gòu)穿越河道施工技術(shù)。除了需要精心組織,周密部署之外,還需要它來指導(dǎo)大家安全、順利地完成左、右線盾構(gòu)穿越東平河道施工。
佛山地鐵 2 號(hào)線某區(qū)間隧道工程,位于佛山市禪城區(qū),線路呈西向東走向,在季華大橋北側(cè)需穿越一條 200 m寬的東平河道,拱頂覆土 15 m~23 m,水深 0 m~7.3 m。隧道采用盾構(gòu)法施工,直徑 6 m,長(zhǎng)度為 2 219.883 m。
據(jù)地勘資料顯示,工程穿越東平河水道期間地質(zhì)分別為 ①2雜填土、②1A淤泥、②1B淤泥質(zhì)土、②4-2可塑狀黏性土、③1粉細(xì)砂、③2中粗砂、④N-2可塑狀黏性土、⑤N-2硬塑狀黏性土、⑥ 全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑦1強(qiáng)風(fēng)化泥巖、⑦2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑧1中風(fēng)化泥巖、⑧2中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。
工程的重難點(diǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析是安全、順利實(shí)施工程的前提條件,是管理者控制好工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)。經(jīng)過認(rèn)真梳理,主要?dú)w納為以下重難點(diǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn):(1)本隧道采用中交天河的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工,盾構(gòu)穿越的東平河道較寬,約 200 m 左右;(2)穿越河段地質(zhì)復(fù)雜,主要由透水性較強(qiáng)的淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中粗砂層組成,局部存在突起的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖等地層;(3)盾構(gòu)穿越的東平河道時(shí),水壓比較大;(4)隧道與季華大橋基本平行通過,距離較近,約9.5 m 左右;(5)盾構(gòu)穿越河流,易產(chǎn)生冒頂危險(xiǎn);(6)盾構(gòu)穿越河流,易發(fā)生涌水、涌砂及盾尾漏漿危險(xiǎn);(7)盾構(gòu)采用土壓平衡模式穿越河流,洞身存在較多的全風(fēng)化泥巖、可塑性黏性土及強(qiáng)風(fēng)化泥巖等,在該模式下,刀盤易結(jié)泥餅。
為了滿足刀盤在復(fù)雜地層施工情況,保證刀盤有足夠的剛度、強(qiáng)度。刀盤材質(zhì)選用 Q345B 鋼板,采用輻條面板式,支承方式為中間支撐結(jié)構(gòu),這樣刀盤受力更為均勻,它不易發(fā)生變形、裂紋、斷裂等。工程采用的盾構(gòu)刀盤開挖直徑 6 290 mm,刀盤重量 60 t。
盾構(gòu)機(jī)在穿越東平水道前,先后實(shí)施了 1 次帶壓開艙查刀、換刀,1 次常壓開艙查刀、換刀,更換后的刀具配置情況如(表 1)所示。結(jié)合盾構(gòu)穿越的地質(zhì)及盾構(gòu)開艙查刀、換刀情況確定,刀具配置是合理的。
表 1 刀具配置情況
本盾構(gòu)機(jī)的刀盤開口率為 35%,能夠?qū)崿F(xiàn)較高的掘進(jìn)效率,同時(shí)可防止產(chǎn)生泥餅,適合在黏土、砂土、卵石地層等的掘進(jìn);同時(shí)又可以更換為全滾刀刀盤,保證在硬巖地層掘進(jìn)。
刀盤采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由 10 個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制刀盤。刀盤驅(qū)動(dòng)功率 900 kW,額定扭矩為 5 631 kN·m,脫困扭矩為 7 320 kN·m。
本盾構(gòu)機(jī)的刀盤采用中間支撐結(jié)構(gòu)方式,配置直徑為φ2 900 mm 的主軸承,可合理的布置人艙(安裝于隔板上部)等部件,軸承受力更合理均勻,主軸承及主軸承密封設(shè)計(jì)壽命不小于 10 000 h。
盾構(gòu)穿越東平河道是本工程的一項(xiàng)重大施工技術(shù)難題之一,它包含多處施工的重難點(diǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。因此,需要認(rèn)真對(duì)待,不能馬虎大意。如果操作失誤或控制不當(dāng),可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為了預(yù)防盾構(gòu)穿越河道期間,發(fā)生一些嚴(yán)重的質(zhì)量和安全問題,經(jīng)過認(rèn)真分析,制定了以下幾方面的控制、管理措施。
為了保證盾構(gòu)機(jī)在穿越河底段的隧道施工質(zhì)量,使成型隧道結(jié)構(gòu)凈空尺寸滿足建筑限界、使用功能及施工工藝要求。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入東平河道前,預(yù)先調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài),以較好的盾構(gòu)姿態(tài)穿越東平河道。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在穿越河底段掘進(jìn)過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),防止姿態(tài)偏差過大,使盾構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)線路上正確的推進(jìn)。由于地層突變等原因,當(dāng)發(fā)生盾構(gòu)姿態(tài)偏差過大時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制各區(qū)千斤頂油缸推力及行程,進(jìn)行合理糾偏,糾偏不應(yīng)過急,做到勤糾,單次糾偏量不應(yīng)過大。當(dāng)在相對(duì)穩(wěn)定地層中,因?yàn)榈貙幼枇^小,可能會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)偏差。此時(shí),只需采用刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正偏差即可。除了根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)觀察偏差及趨勢(shì),及時(shí)調(diào)整控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向外,還可通過人工測(cè)量復(fù)核盾構(gòu)的位置及姿態(tài),確保盾構(gòu)掘進(jìn)方向正確。
為了合理選擇盾構(gòu)機(jī)穿越東平河道期間的掘進(jìn)速度,根據(jù)盾構(gòu)機(jī)穿越東平河道段的地質(zhì)情況,刀盤的貫入度,刀盤扭矩等綜合因素,還考慮了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)與地表控制的隆陷值、進(jìn)出土量及同步注漿等相協(xié)調(diào)的關(guān)系。選擇控制在 20 mm/min~40 mm/min,效果較好。盾構(gòu)推進(jìn)的阻力主要由盾構(gòu)體與周圍土體的摩擦力、刀盤前端產(chǎn)生的貫入阻力、壓力艙壓力、變向阻力、盾尾管片和盾殼的摩阻力、后配套臺(tái)車的牽引阻力等幾部分組成,它們影響著盾構(gòu)掘進(jìn)的推力大小。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越東平河道過程中,如果盾構(gòu)推進(jìn)油缸的推力過大,有可能會(huì)破壞盾尾管片,影響成形隧道質(zhì)量。不論是什么原因引起的盾構(gòu)千斤頂推力過大,都應(yīng)停止掘進(jìn),組織相關(guān)專業(yè)人員分析原因,并采取有效措施予以控制。同時(shí),盾構(gòu)機(jī)穿越東平河道過程中,土艙壓力的控制,應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)刀盤前方掘削面的水土壓力和確定,使盾構(gòu)機(jī)始終保持土壓平衡狀態(tài)。
盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中時(shí)常伴隨地層的松動(dòng)、下沉,造成管片錯(cuò)臺(tái)漏水等問題。為了解決這些問題,需要對(duì)管片環(huán)進(jìn)行同步注漿。它能有效填充盾尾的間隙,防止地層松弛和地表沉降。同步注漿效果主要由注漿壓力和注漿量控制。整個(gè)注漿過程始終要保持注漿管路暢通,注入口處的壓力應(yīng)大于該地層靜止水土壓力和,且小于盾尾密封油脂壓力 0.2 MPa。如果注漿壓力過大,管片背的土層極易擾動(dòng),可能發(fā)生河面冒泡現(xiàn)象,造成地層后期沉降較大,且易造成盾尾處漏漿;注漿壓力過小,漿液流速過慢,盾尾的間隙填充不充足,會(huì)使地層變形增大。注漿量應(yīng)綜合考慮注漿材料與圍巖的滲透性、超挖、排水固結(jié)等因素,應(yīng)按式 (1) 計(jì)算,同時(shí)應(yīng)為建筑間隙的 130%~180%。
Q= V×λ=π(D2-d2)L/4×λ 式(1)
式中:Q 為注漿量 (m3);V為填充體積 (m3);λ為填充系數(shù),可根據(jù)地質(zhì)、施工情況和環(huán)境要求確定;D為盾構(gòu)切削外徑 (m); d 為管片外徑 (m);L 為每次充填長(zhǎng)度 (m)。
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越東平河道前,應(yīng)為盾尾密封進(jìn)行檢查,確保穿越河道期間盾尾密封良好。掘進(jìn)過程中也應(yīng)根據(jù)油脂的損耗量,由司機(jī)定時(shí)定量、均勻地注入盾尾油脂。它可起到保護(hù)盾尾鋼絲密封刷和抗?jié)B漏作用。管片拼裝前應(yīng)拼裝管片及防水密封條進(jìn)行驗(yàn)收,清除已拼裝管片環(huán)面和盾尾內(nèi)的雜物。在管片拼裝過程中,根據(jù)管片拼裝順序,逐次收回油缸,拼裝管片,拼裝過程中防止盾構(gòu)后退。每塊管片應(yīng)控制環(huán)面平整度、錯(cuò)臺(tái)、接縫寬度,最后插入封頂K塊。管片拼裝質(zhì)量控制對(duì)確保隧道斷面,防止管片破損,提高管片止水效果及減少地層沉降等方面,極其重要。因此,在管片拼裝時(shí),要注意管片拼裝的形狀。管片脫出盾尾時(shí),由于注漿壓力易發(fā)生變形。管片拼裝質(zhì)量還應(yīng)符合管片拼裝精度要求。
表 2 管片拼裝精度要求
二次注漿是對(duì)同步注漿的補(bǔ)充注漿。二次注漿即是為了填補(bǔ)同步注漿未填充部分,也是為了補(bǔ)充同步注漿體積減少部分,還是為了改善因盾構(gòu)推力導(dǎo)致的,管片、注漿材料、圍巖之間產(chǎn)生的剝離狀態(tài)進(jìn)行的填充,提高止水效果。因工程穿河段地層中存在淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中粗砂地質(zhì),它們的滲透系數(shù)都較大,同步注漿漿液極易流失,且同步注漿凝固時(shí)體積收縮,控制地層松弛和地表沉降效果不理想。因此,我們應(yīng)進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。二次注漿采用雙液漿(水泥漿、水玻璃配比為 6∶1),每推進(jìn)3~5 環(huán)進(jìn)行一環(huán)環(huán)箍注漿,注漿壓力大于水土壓力和,為0.35 MPa。
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越東平河道前,按照監(jiān)測(cè)方案及相關(guān)管理辦法的要求,對(duì)沿線內(nèi)的重要建構(gòu)筑物進(jìn)行了調(diào)查,委托了具有鑒定資質(zhì)的第三方單位對(duì)季華大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)物鑒定。同時(shí)對(duì)河堤、橋墩等監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了初始值采取。盾構(gòu)機(jī)穿越河道期間還定期進(jìn)行了監(jiān)測(cè)及沿隧道巡視檢查,如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警、巡視發(fā)現(xiàn)河面冒泡等異常情況,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行反饋、匯報(bào),并采取有效措施予以控制,減少經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。