吳 鎮(zhèn)
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022)
盾構(gòu)法以其安全系數(shù)高、掘進(jìn)速度快、對(duì)地面交通環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道工程建設(shè),但諸如上軟下硬地層、強(qiáng)富水巖石段及巖溶發(fā)育區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用也提出新的挑戰(zhàn)。譚忠盛、鄧彬、馮立君、 李光耀、李俊偉等[1-5]通過研究盾構(gòu)選型、刀盤刀具布置、掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)模式和渣土改良技術(shù)等手段解決上軟下硬地層中盾構(gòu)施工難題。除采用上述手段,朱宏海[6]提出地面預(yù)注漿加固上部軟弱地層、預(yù)裂爆破處理下部硬巖等輔助措施控制地表變形沉降。李茂文、尤顯明、楊書江等[7-9]通過選擇適宜的掘進(jìn)模式、掘進(jìn)參數(shù)和刀具管理,解決了盾構(gòu)穿越長、短距離硬巖中存在的刀具磨損嚴(yán)重、管片錯(cuò)臺(tái)等問題。錢莊、桂林、張合青、楊育僧[10-13]對(duì)廣州地鐵溶洞處理措施進(jìn)行研究,黎新亮、馬福東[14-15]對(duì)盾構(gòu)穿越湘江下巖溶區(qū)江面處理方案進(jìn)行介紹。通過上述幾個(gè)方面研究,取得了一批有價(jià)值的成果,并積累了一定經(jīng)驗(yàn)??紤]到地下工程的復(fù)雜性及特殊性,土巖結(jié)合面上覆土層、硬巖中裂隙發(fā)育及地下水情況、溶洞發(fā)育形態(tài)不同,其處理措施及施工技術(shù)差異也較大。以濟(jì)南軌道交通R1號(hào)線王府莊站—大楊莊站區(qū)間盾構(gòu)穿越灰?guī)r上浮段為研究背景,針對(duì)本工程中存在土巖交界面、高強(qiáng)度強(qiáng)富水灰?guī)r、巖溶發(fā)育區(qū)等特點(diǎn),分析穿越上浮段存在的主要風(fēng)險(xiǎn),并提出針對(duì)性處理措施,保證了盾構(gòu)的順利穿越,為其他類似工程提供設(shè)計(jì)思路及施工經(jīng)驗(yàn)。
濟(jì)南市軌道交通R1號(hào)線王府莊站—大楊莊站區(qū)間線路出王府莊站后沿劉長山路向東走行,先后下穿京臺(tái)高速公路、京滬高鐵后向北轉(zhuǎn)至黨楊路,沿黨楊路向北相繼下穿陡溝橋、臘山河后到達(dá)大楊莊站。
王府莊站—大楊莊站區(qū)間全長3 754 m,隧道采用盾構(gòu)法施工。為滿足區(qū)間通風(fēng)需求,在中部設(shè)區(qū)間風(fēng)井1座,風(fēng)井采用明挖法施工。區(qū)間風(fēng)井—大楊莊站段,隧道長度約2 033 m。該段地層分布巖溶發(fā)育灰?guī)r,采用2臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工,盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為5.8 m,外徑為6.4 m,厚度為0.3 m。王府莊站—大楊莊站區(qū)間總平面見圖1。
圖1 王府莊站—大楊莊站區(qū)間總平面
根據(jù)詳勘及施工勘察報(bào)告,區(qū)間風(fēng)井—大楊莊站段揭露有2個(gè)基巖上浮段,左線隧道穿巖長度約725 m,右線隧道穿巖長度約798 m。區(qū)間風(fēng)井—大楊莊站段區(qū)間地質(zhì)縱剖面見圖2。
圖2 區(qū)間風(fēng)井—大楊莊站段區(qū)間地質(zhì)縱剖面
灰?guī)r段場(chǎng)地范圍內(nèi)土層劃分為人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、第四上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)、奧陶系灰?guī)r(O1m)四大類。其中①1雜填土屬人工堆積層(Q4ml),⑦黃土、⑧粉質(zhì)黏土屬第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl),⑩粉質(zhì)黏土屬第四上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)、2中風(fēng)化石灰?guī)r、灰?guī)r破碎體2-2層屬奧陶系灰?guī)r(O1m)。石灰?guī)r中局部揭露有灰?guī)r破碎體2-2。
勘察揭露灰?guī)r段存在巖溶發(fā)育,巖溶形態(tài)主要為溶洞和溶蝕裂隙。溶洞最大洞高為13.2 m,洞高大于3 m的溶洞13個(gè),占總數(shù)的17.8%。隧道洞身、上部及下部均有溶洞分布,分布的個(gè)數(shù)分別為65,29,35個(gè)。溶洞多為充填型溶洞,局部見小規(guī)模的無充填型溶洞。充填型溶洞主要以黏性土和碎石充填,充填較密實(shí)??扇苄詭r石多處位于地下水水位以下,長期承受地下水侵蝕作用,具備巖溶發(fā)育條件。
在里程K30+510~K30+850段(第一基巖段),揭露灰?guī)r的57個(gè)鉆孔中,有37個(gè)孔揭露到溶洞,鉆孔見洞率64.9%,線巖溶率達(dá)15.9%,巖溶發(fā)育程度為中等~強(qiáng)發(fā)育。在里程K30+850~K31+400段(第二基巖段),揭露灰?guī)r的88個(gè)鉆孔中,有34個(gè)孔揭露到溶洞,鉆孔見洞率38.6%,線巖溶率達(dá)2.5%。巖溶發(fā)育程度為微弱~中等發(fā)育。
勘察揭露中風(fēng)化石灰?guī)r段地下水主要為灰?guī)r裂隙巖溶水和潛水?;?guī)r裂隙巖溶水含水層主要為2中風(fēng)化灰?guī)r層及2-2灰?guī)r破碎體層,水位埋深11.2~14.6 m?;?guī)r破碎裂隙及溶洞溶隙的存在給該層地下水提供了儲(chǔ)水條件及運(yùn)輸通道。該層地下水局部受完整灰?guī)r及上覆粉質(zhì)黏土層隔擋,具承壓性。潛水含水層主要為⑧粉質(zhì)黏土層及⑩粉質(zhì)黏土層,水位埋深約12.5 m。
左右線隧道穿土巖交界面處,隧道覆土厚度約為8.6 m。盾構(gòu)上部主要穿越的土層為⑧粉質(zhì)黏土、⑩粉質(zhì)黏土層,其標(biāo)貫擊數(shù)均大于10,下部穿越的地層為2中風(fēng)化石灰?guī)r,其單軸飽和抗壓強(qiáng)度分布在34~83 MPa,屬典型的上軟下硬地層。隧道上方管線主要有:1根400 mm×100 mm路燈銅管(埋深0.81 m),1根給水綜合φ500 mm鑄鐵管(埋深1.2 m),1根φ325 mm天然氣鋼管(埋深0.75 m),1根φ800 mm雨水管(混凝土管,埋深2.2 m)、1根φ400 mm混凝土污水管(埋深2.65 m)。
盾構(gòu)穿土巖交界面施工風(fēng)險(xiǎn)如下。
(1)掘進(jìn)過程中盾構(gòu)切削工作面土體,上部軟土體容易進(jìn)入土倉,下部巖層不易破碎,地面容易產(chǎn)生沉降和塌陷,盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)難以控制。
(2)隧道上方管線敷設(shè)密集,地層沉降會(huì)導(dǎo)致管線發(fā)生變形,特別是給水綜合管對(duì)變形控制要求極為嚴(yán)格,管道一旦發(fā)生沉降斷裂,會(huì)產(chǎn)生次生災(zāi)害。
(3)掘進(jìn)過程中刀具在軟硬不均地層中做周期性碰撞,下部硬巖部分對(duì)刀具的沖擊力較大,容易造成局部刀具受力超載,刀盤和軸承受偏心荷載作用,容易產(chǎn)生破損。
(1)中風(fēng)化石灰?guī)r段單軸天然抗壓強(qiáng)度分布在39~89 MPa,單軸飽和抗壓強(qiáng)度分布在34~83 MPa,強(qiáng)度極高(圖3),盾構(gòu)掘進(jìn)過程中存在刀具磨損嚴(yán)重,換刀頻繁,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制等問題。
圖3 盾構(gòu)開倉換刀掌子面巖石情況
(2)灰?guī)r裂隙巖溶水具承壓性,另外現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)換刀過程中揭露石灰?guī)r中含有一些輸水通道(圖4)。根據(jù)施工單位抽水情況,該層地下水含水量較大,抽水降深較小。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,地下水流入土倉,與土倉中的碎石混合后在螺旋輸送機(jī)難以形成“土塞效應(yīng)”,容易出現(xiàn)噴涌、涌渣等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響施工工效。
圖4 盾構(gòu)換刀開倉揭露石灰?guī)r中輸水通道
(1)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,若大型溶洞出現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)下方,極易產(chǎn)生栽頭現(xiàn)象;溶洞中含有大量承壓巖溶水,致使刀盤前方容易發(fā)生突水、突泥。
(2)運(yùn)營期車輛振動(dòng)引發(fā)上方溶洞坍塌進(jìn)而引起地表坍塌或激發(fā)管片下方溶洞坍塌,導(dǎo)致列車運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)。
(3)巖溶水的存在引發(fā)溶洞繼續(xù)發(fā)育,對(duì)地鐵長期運(yùn)營造成威脅。
石灰?guī)r段地質(zhì)條件復(fù)雜,盾構(gòu)選型時(shí)應(yīng)充分考慮地層條件,通過分析選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu),相關(guān)技術(shù)參數(shù)及要求如下。
(1)主要技術(shù)參數(shù)
盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長度約85 m,主機(jī)長8.4 m,盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為6.68 m;刀盤最大轉(zhuǎn)速為3.15 r/min;最大推力40 860 kN;盾構(gòu)機(jī)總質(zhì)量約500 t。刀盤主驅(qū)動(dòng)型式為液壓驅(qū)動(dòng),最大扭矩為7 070 kN·m,脫困扭矩為8 610 kN·m。盾構(gòu)機(jī)應(yīng)具備敞開式、半敞開式和土壓平衡式3種掘進(jìn)模式,現(xiàn)場(chǎng)施工根據(jù)地層、地下水情況選用不同掘進(jìn)模式。
(2)刀盤形式
刀盤結(jié)構(gòu)形式為復(fù)合式,開口率為40%,質(zhì)量約70 t。
(3)刀具布置
刀盤配備中心滾刀4把,單刃滾刀33把,邊刮刀8把,切刀40把,保徑刀8把,焊接撕裂刀23把,仿形刀1把。滾刀伸出量為187.7 mm,切刀高度135 mm,邊刮刀高度140 mm,撕裂刀高度155 mm,保徑刀高度70 mm,仿形刀的行程為20 mm。
(4)主要技術(shù)要求
①盾構(gòu)機(jī)選型時(shí),增加盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)強(qiáng)排水系統(tǒng),輔助盾構(gòu)在掌子面穩(wěn)定灰?guī)r地層中進(jìn)行強(qiáng)排水開倉檢查刀具。
②盾構(gòu)機(jī)組裝時(shí),做好對(duì)刀盤上刀具、泡沫管路等附屬結(jié)構(gòu)的保護(hù),避免在富水灰?guī)r地層中出現(xiàn)破損修復(fù)困難。
③針對(duì)不同強(qiáng)度的灰?guī)r地層,及時(shí)調(diào)整刀具刃寬、刀圈硬度、刀圈尺寸和刀具類型;針對(duì)全斷面硬巖,中心刀宜選用鑲齒合金刀具,正面刀刀圈尺寸和刃寬略小于邊緣刀,邊緣刀韌性大于正面刀,正面刀硬度大于邊緣刀。
④確保刀盤刀箱整體性,避免高強(qiáng)度灰?guī)r掘進(jìn)中因刀具受沖擊載荷過大,造成刀盤出現(xiàn)振幅過大的現(xiàn)象,從而降低破巖效率,同時(shí)引起局部諧振傳遞至盾體內(nèi)部,影響導(dǎo)向系統(tǒng)的精度。
(1)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中采用全土壓平衡模式,保證土倉壓力與外部水土壓力平衡,減少地表沉降及上方管線變形。
(2)適當(dāng)降低刀盤的轉(zhuǎn)速和貫入度,使得刀具對(duì)下部硬巖的沖擊力小于允許沖擊荷載,刀盤的轉(zhuǎn)速控制在1~1.2 r/min,貫入度控制在5~10 mm/r,若刀盤仍存在較大振動(dòng)可進(jìn)一步降低上述參數(shù)。
(3)重點(diǎn)做好渣土改良,提高渣土的和易性,選用泡沫劑對(duì)渣土進(jìn)行改良,必要時(shí)采用分散劑,預(yù)防因渣土置換過慢導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅。
(4)控制推進(jìn)油缸總推力,降低刀具與巖面軸向力,減小刀盤及土倉壁對(duì)渣土的擠壓力,減少倉內(nèi)發(fā)熱量。
(5)根據(jù)地質(zhì)情況合理調(diào)整盾體掘進(jìn)姿態(tài),當(dāng)上軟下硬時(shí),盾體較設(shè)計(jì)線路呈低頭姿態(tài),反之呈上揚(yáng)姿態(tài)。姿態(tài)的調(diào)整應(yīng)隨軟硬面積比的變化而提前做出調(diào)整。
(1)地層處理
①盾構(gòu)施工前,對(duì)富水灰?guī)r段進(jìn)行加密補(bǔ)充勘查,重點(diǎn)對(duì)灰?guī)r裂隙、溶洞溶腔、地下暗河、輸水通道排查清楚,對(duì)地下水流速、流量有一定掌握,必要時(shí)可選用綜合物探方法繪制更詳細(xì)的地質(zhì)剖析圖。
②針對(duì)探明的地下輸水通道及大的灰?guī)r裂隙,進(jìn)行地表注射聚氨酯堵水處理,進(jìn)而防止影響盾構(gòu)施工安全、成型隧道質(zhì)量和地鐵運(yùn)營安全。
③穿越石灰?guī)r線路縱斷面處于15.8‰下坡段,施工過程中應(yīng)做好同步注漿和二次補(bǔ)強(qiáng)注漿,保證注漿質(zhì)量,從而切斷盾構(gòu)后方水源補(bǔ)給。
(2)盾構(gòu)掘進(jìn)模式及參數(shù)
①中風(fēng)化石灰?guī)r段自穩(wěn)定性較好,但考慮到石灰?guī)r中裂隙水水量較大,為防止地下水進(jìn)入土倉,引起水土流失,盾構(gòu)掘進(jìn)模式采用半敞開模式,土倉內(nèi)渣土約占1/3,施工過程中向土倉內(nèi)注入壓縮性空氣進(jìn)行輔助開挖。
②控制螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和螺旋機(jī)出渣口開度,使螺旋機(jī)后部有渣土,形成局部土塞,降低螺旋機(jī)噴涌程度。進(jìn)一步改造皮帶機(jī)防漏渣設(shè)施,提升其排渣能力。
③控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度和油缸推力。盾構(gòu)刀盤的轉(zhuǎn)速控制在1~1.2 r/min,貫入度控制在5~10 mm/r,掘進(jìn)速度控制在5~12 mm/min,盾構(gòu)推力控制在14 000~17 000 kN。
(3)渣土改良
由于石灰?guī)r段強(qiáng)度較高、水量較大,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀具磨損嚴(yán)重,且刀具溫度較高。應(yīng)向刀盤面、土倉內(nèi)注入膨潤土,既可以起到降低刀具溫度的作用,也可增加渣土和易性,減少渣土對(duì)刀具的摩擦,延長刀具使用壽命,同時(shí)可以防止螺旋出土器噴涌現(xiàn)象產(chǎn)生。
(1)溶洞處理范圍及處理原則(圖5)
圖7 溶洞處理措施示意
圖5 溶洞處理范圍示意(單位:mm)
根據(jù)補(bǔ)勘、施工勘察報(bào)告,首先確定溶洞與隧道的位置關(guān)系,考慮到建設(shè)期盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)營期巖溶發(fā)育,溶洞的處理范圍及原則如下。
①隧道上部的溶洞均需處理,硬塑性黏土(標(biāo)貫擊數(shù)>18)全充填的溶洞不需處理。
②隧道洞身范圍內(nèi)以軟塑黏土全充填(標(biāo)貫擊數(shù)<10)、碎石土全充填或未充填的溶洞需進(jìn)行處理,以可塑性黏土全充填(標(biāo)貫擊數(shù)>10)的溶洞不需處理。
③隧道底板下1倍洞徑(6.4 m)范圍內(nèi)的溶洞需進(jìn)行處理,硬塑性黏土(標(biāo)貫擊數(shù)>18)全充填的溶洞不需處理。
④隧道兩側(cè)溶洞處理范圍為隧道輪廓線外5 m,該范圍內(nèi)以軟塑黏土充填(標(biāo)貫擊數(shù)<10)、碎石土充填或未充填的溶洞需進(jìn)行處理,以可塑黏土充填(標(biāo)貫擊數(shù)>10)的溶洞不需處理。
(2)溶洞處理措施
①在探測(cè)有溶洞的地方加密鉆孔,鉆孔間距2.5 m×2.5 m,進(jìn)一步查清和了解溶洞的具體位置、大小、充填物性質(zhì)及地下水情況,加密鉆孔可兼做注漿孔。溶洞加密探孔布置示意見圖6。
圖6 溶洞加密探孔打設(shè)示意(單位:mm)
②對(duì)于全填充溶洞處理(需要處理的溶洞)采用水泥漿進(jìn)行填充加固。見圖7(a)。
③對(duì)于洞徑<2 m的無填充溶洞和半填充溶洞,可采用水泥漿液進(jìn)行壓力注漿。對(duì)洞徑>2 m的無填充溶洞和半填充溶洞,先采用吹砂處理,后采用注入水泥漿液加固的方法。見圖7(b)、圖7(c)。
④對(duì)于洞徑>4 m的特大型無填充溶洞,可考慮先投碎石,后采用注入水泥漿液進(jìn)行加固。見圖7(c)。
⑤在管片結(jié)構(gòu)上預(yù)留巖溶處理專用孔,用于處理隧道掘進(jìn)過程中新發(fā)現(xiàn)的溶洞,以及隧道后期發(fā)生沉降超限或異常的地段。沿線路縱向每10環(huán)管片進(jìn)行洞內(nèi)補(bǔ)充鉆探,鉆孔深度為隧底1倍洞徑。根據(jù)鉆探結(jié)果,對(duì)隧底進(jìn)行注漿填充,保證運(yùn)營安全。巖溶處理專用孔示意見圖8。
圖8 巖溶處理專用孔示意(單位:mm)
⑥針對(duì)溶洞邊界部分超出加固范圍內(nèi)的大型溶洞,為減少漿液流失,保證注漿效果,對(duì)加固范圍外邊緣3 m范圍內(nèi)的溶腔體采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行加固,形成止?jié){巖壁后,處理示意見圖5,內(nèi)部的溶腔體針對(duì)充填類型采用上述第②③④種措施進(jìn)行加固處理。
(3)溶洞處理檢測(cè)
①溶洞處理施工完畢之后,對(duì)處理區(qū)內(nèi)進(jìn)行抽芯檢測(cè)試驗(yàn),檢測(cè)充填密實(shí)情況,查看注漿體是否連續(xù)并做抗壓試驗(yàn),要求無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.2 MPa。
②檢測(cè)原則和數(shù)量:采用抽芯鉆來檢查溶洞的充盈程度,要求洞內(nèi)全填充,達(dá)不到要求應(yīng)補(bǔ)充注漿;按1%注漿孔數(shù)進(jìn)行抽查,每個(gè)溶洞檢測(cè)數(shù)量不少于1個(gè)檢測(cè)孔。
(4)溶洞注漿參數(shù)
水泥水玻璃雙液漿:水泥漿與水玻璃體積比mC∶mS=1∶(0.5~1),水玻璃濃度為35Be′,模數(shù)m=2.4~2.8。水泥漿水灰比為1∶1.2。
注漿壓力控制在0.4~0.8 MPa,袖閥管和注漿芯管下到洞底或洞底以下0.2~ 0.3 m,從洞底往上壓注水泥漿,當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0 MPa,吸漿量1~2 L/min、穩(wěn)壓 10 min可終止注漿。施工時(shí)注漿參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。
(1)穿越土巖交界面處,地表及管線沉降可通過采取全土壓平衡掘進(jìn)模式、降低刀盤轉(zhuǎn)速、降低油缸推力和刀盤扭矩,渣土改良技術(shù)等手段得以控制。通過類似地層初步設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),掘進(jìn)過程中根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,地表最大沉降值為6.39 mm,管線的最大沉降值為1.24 mm,遠(yuǎn)小于地表沉降30 mm、管線沉降10 mm的控制指標(biāo)。
(2)針對(duì)高強(qiáng)度富水灰?guī)r段,通過盾構(gòu)設(shè)備配置的選擇、合理的刀具布置、控制刀盤轉(zhuǎn)速及貫入度等手段,順利實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度灰?guī)r段掘進(jìn);通過采取盾構(gòu)后方注漿堵水、半敞開式掘進(jìn)模式、渣土改良技術(shù)來減少螺旋輸送機(jī)涌水、涌渣現(xiàn)象。同時(shí),對(duì)皮帶機(jī)防漏渣設(shè)施進(jìn)行改造,提高其輸送渣土能力,保證了施工工效。
(3)溶洞處理應(yīng)根據(jù)溶洞位置、大小、充填物狀況選用針對(duì)性處理措施,處理標(biāo)準(zhǔn)按照“隧道上下方嚴(yán)于隧道左右兩側(cè)及洞身”原則執(zhí)行。處理范圍內(nèi)的溶洞不需全部處理,根據(jù)溶洞充填物性質(zhì)及標(biāo)貫擊數(shù)確定是否進(jìn)行加固處理。
(4)對(duì)常規(guī)管片結(jié)構(gòu)預(yù)留注漿孔設(shè)置進(jìn)行改進(jìn),該孔具備鉆探驗(yàn)證、處理施工期及運(yùn)營期新發(fā)現(xiàn)溶洞等功能,為巖溶區(qū)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全提供了進(jìn)一步的保障。