徐鵬(中交二公局鐵路工程有限公司,西安710065)
西安地鐵二號線北客站—北苑站區(qū)間位于渭河一級階地,其中10m 左右為砂層埋深。盾構(gòu)所穿越地層基本為全斷面砂層,砂層分層較為明顯,頂部為不連續(xù)的粉細(xì)砂,洞身處主要為中砂,底部為粗砂和礫砂。盾構(gòu)所穿越地層的細(xì)砂、粗砂的平均標(biāo)貫擊數(shù)在54 擊以上,最大標(biāo)貫擊數(shù)在88 擊以上;中砂、礫砂的平均標(biāo)貫擊數(shù)在75 擊以上,最大標(biāo)貫擊數(shù)為150 擊,特別是盾構(gòu)隧道穿越的主要地層——中砂層的平均標(biāo)貫擊數(shù)在101 擊(>30 擊為密實(shí)砂層)。該區(qū)間的地下水位埋深為11.03~12.60m,略高于隧道頂部或與頂部持平。由此可見,該區(qū)間含水量豐富和砂層標(biāo)貫擊數(shù)高是一個(gè)較為顯著的特征,尤其是標(biāo)貫擊數(shù)高,這給掘進(jìn)帶來了極大的難度。
因砂性土具有滲透性強(qiáng)、流塑性差、顆粒間幾乎無黏聚力等特點(diǎn),土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂層掘進(jìn)時(shí)存在以下困難與問題:
1)因砂性土顆粒間的摩擦力較大,其流動(dòng)性較差,當(dāng)土艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿渣土?xí)r,易導(dǎo)致刀盤扭矩、千斤頂推力以及輸送機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大,甚至出現(xiàn)無法排渣現(xiàn)象;并且在掘進(jìn)過程中,刀盤溫度易超過正常工作溫度,加劇刀盤的磨損,影響整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的工作性能,甚至導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)停機(jī)[1]。
2)砂性土的顆粒粒徑并不均勻,當(dāng)顆粒粒徑較大(>5cm)的礫石進(jìn)入輸送機(jī)時(shí),將導(dǎo)致輸送機(jī)因油壓升高,進(jìn)一步導(dǎo)致其溫度超過工作溫度,影響輸送機(jī)的運(yùn)作,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致輸送機(jī)停轉(zhuǎn)。
3)砂性土幾乎無黏聚力,流塑性較差,在掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)較大粒徑的礫石堆積在土艙底部,并在螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)向葉片四周移動(dòng),使土艙壓力的控制難度加大。
4)在全斷面砂層掘進(jìn)時(shí),難以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩之間的平衡關(guān)系,并且刀盤扭矩將隨掘進(jìn)速度的加快而增加,極易發(fā)生刀盤近乎滿載運(yùn)行的情況,不利于盾構(gòu)機(jī)的安全掘進(jìn)[2]。
5)在砂層掘進(jìn)時(shí),難以形成拱效應(yīng),且土艙建壓較難,因此,通過螺旋機(jī)控制壓力極為重要,較高的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速將易導(dǎo)致出土量的增加和土艙壓力的降低,較低的螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速又難以保證掘進(jìn)的進(jìn)行。
針對上述問題,在全斷面砂層中應(yīng)用土壓盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí),必須對開挖面土體和渣土進(jìn)行一定程度的改良,才可滿足掘進(jìn)要求,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)長距離快速掘進(jìn)。
渣土改良的本質(zhì)是增加渣土單位體積內(nèi)的黏粒含量,改變土層的c、φ等物理力學(xué)特性,增加砂土的流塑性,從而改善建壓和出土的效果,使盾構(gòu)機(jī)可長距離快速掘進(jìn)。
相對于黃土隧道掘進(jìn),在行政中心站—運(yùn)動(dòng)公園站區(qū)間,部分地段砂層僅占到隧道斷面的80%左右,且地層中含有黃土,僅使用泡沫便可實(shí)現(xiàn)渣土的有效改良。當(dāng)隧道在全斷面砂層地段掘進(jìn)時(shí),依舊采用泡沫為主要改良劑對土體進(jìn)行改良,但泡沫用量顯著增加后,其改良效果相對于第一區(qū)間并無改善。
在掘進(jìn)過程中,因渣土改良效果不佳而出現(xiàn)螺旋齒輪箱進(jìn)砂等情況,從而致使螺旋機(jī)故障,進(jìn)一步造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)1~2 個(gè)星期,增加了工期壓力和盾構(gòu)施工成本。并且,在實(shí)際的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中,盾構(gòu)機(jī)土艙上部土壓僅為0.01MPa,土艙壓力僅能達(dá)到掘進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn),但其掘進(jìn)過程不受控,難以保證地面建筑物及地下管線的安全。因此,需針對地層條件,對渣土改良方案進(jìn)行完善改進(jìn)。
經(jīng)過試驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集及對比分析及現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果,通過對右線運(yùn)動(dòng)公園站—北苑站土體改良試驗(yàn),對于全斷面砂層(地下水位未超過螺旋后閘門高度)渣土改良參數(shù)為:鈉基膨潤土和水的質(zhì)量比為1:10,漿液密度1.07,黏度35s,注入率10%~20%(與渣土體積比);泡沫劑:發(fā)泡倍率12 倍,原液注入量30~50L,注入率3%~5%(與渣土體積比)。在具體的施工中,要充分結(jié)合推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,保證掘進(jìn)順利。
根據(jù)計(jì)算,盾構(gòu)雙線每天掘進(jìn)的總環(huán)數(shù)最多為20 環(huán),膨潤土用量為120m3,在地面修建膨化池2 個(gè)(每個(gè)90m3)、鋼制拌漿池2 個(gè)、放漿池1 個(gè)、拌黃土漿池1 個(gè),可以滿足盾構(gòu)施工需要。同時(shí)采用箱體運(yùn)輸,需對編組列車進(jìn)行新的編組,需在最后一節(jié)渣車和砂漿車之間增加運(yùn)輸膨潤土的箱體車。膨化時(shí),利用反循環(huán)泥漿泵使泥漿循環(huán),并通過移動(dòng)泥漿泵的位置來確保泥漿不沉淀。膨化24h 后,利用反循環(huán)泥漿泵將泥漿抽至放漿池中,再通過管道放至7m3漿車或用渣車改造的12m3漿車運(yùn)送至隧道內(nèi),然后用泥漿泵抽至加泥箱進(jìn)行使用。
在該區(qū)間掘進(jìn)進(jìn)行中,發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩波動(dòng)越來越大,刀盤扭矩與總推力、螺旋轉(zhuǎn)速很難達(dá)到協(xié)調(diào),通過對渣樣進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)渣土的顆粒粒徑由最大2~3cm 增大至最大5~10cm。
根據(jù)現(xiàn)象分析,造成刀盤扭矩與其他參數(shù)不協(xié)調(diào)的原因是地層變化為礫砂層,地層中礫石的含量明顯增多。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)切削含有大粒徑礫石時(shí),由于普通膨潤土泥漿密度較低(僅能達(dá)到1.07),在出渣時(shí),較大粒徑的礫石易堆積在盾構(gòu)機(jī)土艙的下部,導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩增大。對于此種現(xiàn)象,可通過增大膨潤土泥漿的比重,使較大粒徑的礫石被順利排出,從而降低刀盤旋轉(zhuǎn)的扭矩。因黃土在西安地區(qū)便于收集,故考慮在膨潤土泥漿中加入部分黃土。
經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),最終確定膨潤土:黃土為3:2,泥漿密度由1.07 增加至1.17,盾構(gòu)機(jī)可順利排出較大粒徑的礫石,刀盤扭矩趨于平穩(wěn)。
因砂性土的流塑性較差、內(nèi)摩擦角大等特點(diǎn),盾構(gòu)在全斷面砂層掘進(jìn)時(shí)易造成刀盤內(nèi)外周溫度急劇上升,迅速超出正常的工作溫度(30~40℃)達(dá)到停機(jī)溫度(60℃),甚至達(dá)到刀盤物理變形溫度(70℃),從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)停機(jī),影響施工速度,增加工期和經(jīng)濟(jì)壓力。
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越北三環(huán)輔道時(shí),此段砂層因受地面車輛動(dòng)荷載的影響而較為密實(shí)。在此段掘進(jìn)時(shí),刀盤的內(nèi)周溫度在30min 內(nèi)迅速升至60℃,土體溫度升至42℃,此時(shí)須停機(jī)降溫。為降低刀盤密封溫度,向刀盤前方注入大量膨潤土和泡沫,但效果并不理想,僅將刀盤溫度降至40~50℃,勉強(qiáng)滿足掘進(jìn)要求。為使刀盤密封溫度進(jìn)一步降低,適當(dāng)改造了盾構(gòu)機(jī)的加泥管路,將主要加泥管路連至刀盤面板后,刀盤密封溫度顯著降低,由之前的46~48℃降至32~35℃。具體有:
在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至40~90 環(huán)時(shí),刀盤的平均密封溫度約為50℃;當(dāng)掘進(jìn)至90~140 環(huán)時(shí),因提高了膨潤土和泡沫用量,并適當(dāng)改造了盾構(gòu)機(jī)的加泥管路,刀盤密封溫度有一定程度的降低,約為40~50℃;在盾構(gòu)機(jī)穿越繞城高速(140 環(huán))后,刀盤密封溫度進(jìn)一步降低,約為30~40℃,后期溫度基本保持在30℃上下。由此可知,通過渣土改良結(jié)合對加泥管路改造技術(shù)可將刀盤溫度降低至正常工作溫度。
渣土過干將導(dǎo)致螺旋機(jī)油壓增大、排渣困難的現(xiàn)象發(fā)生,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致螺旋機(jī)卡死,須進(jìn)行人工排渣,盾構(gòu)機(jī)才可恢復(fù)正常工作;渣土過稀則會(huì)造成渣土從皮帶與皮帶架的間隙處流出,進(jìn)一步污染雙軌下的管片和已成型隧道,須進(jìn)行人工清理;可見,渣土不論是過干還是過稀,均會(huì)增加不必要的人工勞力,增大工期和經(jīng)濟(jì)壓力。因此,為改善這種狀況,使渣土可以被順利排出,對渣土進(jìn)行改良,增加渣土的流塑性和改善其和易性極為必要。
一般可通過塌落度試驗(yàn)來側(cè)面驗(yàn)證渣土的改良效果。渣土進(jìn)行改良后,能具有較好的流動(dòng)性,并且可黏結(jié)在一起,使流塑性得以改善,且改良效果較好。在施工現(xiàn)場,因現(xiàn)場情況復(fù)雜,可在施工時(shí)通過以下方法判斷評價(jià)渣土的改良效果:(1)觀察螺旋機(jī)的回轉(zhuǎn)壓力以及出渣狀況;(2)直接取皮帶上的渣土進(jìn)行觀察。
圖1 為渣土改良對螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力影響曲線,從中可以看出,在掘進(jìn)至40~120 環(huán)時(shí),因渣土改良技術(shù)暫不成熟,螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力大致為6MPa,有較大的波動(dòng);隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)至160 環(huán)后,因改良技術(shù)的不斷完善,回轉(zhuǎn)壓力顯著降低,最終穩(wěn)定在3MPa 上下,渣土改良效果明顯。實(shí)踐表明,膨潤土泥漿+泡沫改良方案可有效改良砂性土的和善性以及流塑性,具體表現(xiàn)為螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的降低程度和出渣順利程度。
圖1 渣土改良對螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)壓力的影響曲線
該區(qū)間基本為全斷面砂層,但少量地段為粉質(zhì)黏土與中砂組成的復(fù)合地層,在這種地層中掘進(jìn)時(shí),由于刀盤切屑和土艙旋轉(zhuǎn),黏土塊和砂粒黏結(jié)在一起,處于砂裹泥的狀態(tài),雖有利于出土和掘進(jìn),但加劇了螺旋機(jī)與砂粒間的摩擦,從而致使螺旋機(jī)損壞。
盾構(gòu)掘進(jìn)遇到此類地質(zhì)條件時(shí),膨潤土泥漿的使用也是必不可少的。此時(shí),膨潤土泥漿不以改良渣土為首要目的,而是以潤滑為主,尤其是對螺旋機(jī)及其葉片的潤滑作用,可有效降低施工難度和經(jīng)濟(jì)成本。
針對土壓盾構(gòu)機(jī)在全斷面砂層中掘進(jìn)所遇到的問題,根據(jù)地層中砂礫的含量、粒徑等特點(diǎn),不斷優(yōu)化和改進(jìn)對渣土改良劑的配比、性能,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn),將渣土調(diào)整至最佳的塑流狀態(tài),使得土壓平衡盾構(gòu)能很好地適應(yīng)全斷面砂層掘進(jìn),實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)長距離快速掘進(jìn)。