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        風化花崗巖地層中地鐵盾構隧道施工關鍵技術

        2022-04-07 03:51:58吳敏敏劉先行
        鐵道建筑 2022年3期
        關鍵詞:推進力泥水刀盤

        吳敏敏 劉先行

        1.中電建路橋集團有限公司,北京 100160;2.中國電建集團國際工程有限公司,北京 100036

        隧道盾構法施工在我國應用越來越廣泛,特別在城市地鐵建設中。較之均質地層,盾構機在混合層中掘進,更易出現(xiàn)刀盤擁堵、刀具磨損、地層沉降、掘進效率低下等問題[1-5],更需對盾構機選型、泥漿配比、操作方法、施工參數(shù)等進行研究,以適應工程實際情況。本文以新加坡地鐵湯東線T217 標段盾構隧道在不同風化程度花崗巖地層中的掘進施工為例,介紹了復雜地質條件下地鐵盾構隧道施工關鍵技術。

        1 工程概況

        該工程項目位于新加坡市中心最繁華地段,周圍有外交部和多個國家駐新加坡大使館。主要工程包括一個地下車站,兩條長約750 m 的地鐵隧道以及聯(lián)絡通道、逃生井等。地下車站位于納比雅路—克倫尼路交叉口,盾構隧道下穿東陵區(qū)居民區(qū),施工過程中安全、環(huán)保、噪聲、地面沉降等要求嚴格。

        地鐵隧道始發(fā)時為上下重疊式,逐漸轉變?yōu)樗狡叫惺降诌_下一車站。下層隧道稱為北向隧道,上層隧道稱為南向隧道。

        隧道穿越地層巖性為花崗巖。根據(jù)新加坡規(guī)范SS CP4:2003《基礎工程實施準則》,隧址區(qū)花崗巖按風化程度可分為新鮮或弱風化、微風化、中等風化、高度風化、全風化花崗巖和殘積土六個等級。其中全風化花崗巖仍存留原巖結構,而殘積土中原巖結構完全破壞。地質勘查資料顯示,北向隧道約40%長度穿越全~中等風化花崗巖混合層,38%為全斷面中等風化花崗巖層,其余為全斷面全風化花崗巖層;南向隧道約10%長度為全~中等風化花崗巖混合層,其余為全斷面全風化花崗巖層。巖土物理力學參數(shù)見表1。其中:新鮮或弱風化花崗巖與微風化花崗巖采用相同的參數(shù);括號內(nèi)是限制值,當5 倍標準貫入擊數(shù)大于120時,不排水剪切強度只能取120 kPa。

        表1 巖土物理力學參數(shù)

        因工程位于熱帶地區(qū),降水豐沛,地下水位變化大,編制施工方案時地下水位按地面高程考慮。

        2 隧道施工過程中的風險控制

        在盾構隧道掘進過程中澳大利亞大使館、外交部等11 座建筑(圖1)會受到較大影響,需逐一進行風險分析,并制定相應的控制措施。

        圖1 受盾構隧道掘進影響的建筑

        受影響建筑物基礎統(tǒng)計情況見表2。淺基礎建筑對不均勻沉降敏感,遭受不均勻沉降時易發(fā)生墻體開裂;樁基礎建筑則必須在掘進前確認樁尖距擬施工隧道頂部的凈空距離,評估切樁的可能性。

        表2 建筑物基礎統(tǒng)計情況

        3 盾構機系統(tǒng)選型設計

        結合現(xiàn)場地質條件[6],對國內(nèi)外廠家設備進行比選,最終采用德國海瑞克的復合式泥水平衡盾構機S930和離心式泥水分離系統(tǒng)。

        3.1 刀盤和驅動系統(tǒng)

        根據(jù)地質資料[7],花崗巖的抗壓強度達到241 MPa,且極端情況下抗壓強度可能達到400 MPa。刀盤直徑6.7 m,結構設計見圖2。北向隧道以穿越中等風化花崗巖為主,考慮盾構機切割全斷面巖石的能力,刀盤上多配滾刀,減少刮刀數(shù)量;采用滾刀46 把(含邊刀2 把),刮刀48 把;開孔率26%。南向隧道則以穿越全風化花崗巖為主,兼顧刀盤切割能力和掘進效率,刀盤上適當減少滾刀,增加刮刀;采用滾刀40把(含邊刀2 把),刮刀56 把;開孔率35%。滾刀直徑457 mm,刀刃厚19 mm;滾刀間距多刀型為90 mm,單刀型為80~85 mm。

        圖2 盾構機刀盤結構設計

        為滿足各種巖土斷面掘進需要,主驅動采用9 臺功率160 kW 變頻驅動電機,安裝功率1 440 kW,最大推進力48 657 kN。主軸承直徑3 m,額定扭矩4 769 kN·m,最大扭矩6 200 kN·m,脫困扭矩6 677 kN·m。

        3.2 泥水艙壓力平衡系統(tǒng)

        隧道穿越不同風化程度地層,地表建筑物林立,為防止盾構機掘進時開挖面土體流失嚴重引起地表沉降,S930 復合式泥水平衡盾構機采用氣壓艙和泥水艙相結合的雙艙模式,兩艙底部通過泥漿連通,解決了單艙泥水盾構掘進過程中泥水艙經(jīng)常遇到的壓力突升或突降問題。

        泥水艙壓力參考值由地下水壓力、靜土壓力和動土壓力綜合判定[8]。為了確保泥水艙壓力平衡系統(tǒng)的靈敏性,S930復合式泥水平衡盾構機采用Samson壓力調節(jié)器與繩式液位傳感器相結合的方式。盾構推進時,一旦氣壓艙壓力值與參考值發(fā)生偏差,通過壓力調節(jié)器差分控制系統(tǒng)控制進氣閥或排氣閥,維持設定的壓力值。同時由液位傳感器監(jiān)測泥漿液位的升降變化,通過控制進泥泵或排泥泵的轉速,使氣壓艙內(nèi)泥漿液位恢復到盾構軸線附近位置。

        3.3 泥漿輸出監(jiān)控系統(tǒng)

        泥水盾構機的工作原理是利用加壓泥漿確保開挖面穩(wěn)定,同時泥漿將開挖的渣土攪拌混合后形成泥水,經(jīng)排泥管輸送到地面的泥水分離設備進行處理,然后通過進漿泵輸送至泥水艙。盾構機掘進時開挖土方。理論干土重量Md為

        式中:D為刀盤直徑,m;ΔL為凈進尺,m;ω為開挖土體的含水率,%;ρs為開挖土體的密度,t∕m3。

        實際干土重量Ma為

        式中:t1、t2分別為盾構機開始、結束時間,s;Qout、Qin分別為泥漿排出、泵入速率,m3∕s;ρout、ρin分別為排出、泵入泥漿密度,t∕m3;ΔVc為氣壓艙泥漿容積變化量,m3。

        通過泥漿輸出監(jiān)控系統(tǒng)記錄盾構掘進時實際出渣量,通過數(shù)據(jù)分析和可視化界面,對掘進過程中出渣的異常情況及時預警。本項目按實際干土重量達理論值的1.15倍設置預警值。

        3.4 泥水分離系統(tǒng)

        海瑞克離心機式泥水分離系統(tǒng)的功率為1 200 m3∕h,保證盾構機最大日進尺16~20 m。其具有三項優(yōu)勢:①多級分離,篩分顆粒粒徑分別為12.0 mm、3.1 mm、180 μm、35 μm。②自動化程度高,通過可視化控制平臺,對盾構機掘進過程中進漿泵和排漿泵工作狀態(tài)、泥漿濃度等關鍵指標適時控制,與盾構機操作平臺實現(xiàn)無縫對接,保障了盾構機的運行安全。③集裝箱式設計,節(jié)省空間。噪聲在50 dB 以下,可在城市居民區(qū)24 h運行。

        3.5 輔助設備

        輔助設備主要有碎石機、管片拼裝機、安全艙、材料設備艙等。

        4 泥漿關鍵性能指標

        北向隧道盾構機掘進到P90環(huán)時不同風化程度地層頻繁交替變化。為指導泥漿制備與調整,施工前針對可能遇到的各種工況設計了5 組泥漿關鍵性能指標,見表3。

        表3 不同工況下泥漿關鍵性能指標

        5 施工情況及現(xiàn)場監(jiān)測

        5.1 施工情況

        盾構機工作時通過泥漿循環(huán)維持泥水艙壓力的動態(tài)平衡,同時根據(jù)地層情況確定合理的推進力和刀盤轉速,使盾構機保持合適的掘進速度和工作狀態(tài),避免超挖和地表沉降。盾構機進入全斷面中等風化花崗巖層時,推進力保持在25~27 MN,刀盤平均轉速在2.8~2.9 r∕min;進入全斷面全風化花崗巖層時,推進力保持在 24 MN 左右,刀盤轉速為 2.3 r∕min;進入全~中等風化花崗巖混合層時,推進力保持在24~26 MN,刀盤轉速在2.6~2.8 r∕min。實踐中發(fā)現(xiàn),在混合層中掘進時若推進力超過30 MN,刀盤中心區(qū)域的刀具磨損非常嚴重,此時應適當減小推進力和刀盤轉速。

        每環(huán)掘進凈用時見圖3。計算可得:P90—P225環(huán)管片平均每環(huán)掘進凈用時102.4 min。全斷面中等風化花崗巖層(P119—P143 環(huán)、P198—P225 環(huán))中掘進凈用時最高,全~中等風化花崗巖混合層(P90—P118環(huán)、P144—P154 環(huán)、P167—P197 環(huán))中掘進凈用時與在全斷面全風化花崗巖層(P155—P166 環(huán))中相當。在混合層中掘進效率正常,刀具磨損也基本可控,只有在P186—P197環(huán)因為巖石強度過高,推進力設置偏大,刀具磨損嚴重,不得不放慢掘進速度,安排了兩次停機檢修,更換部分刀具。

        圖3 P90—P225環(huán)掘進凈用時統(tǒng)計

        5.2 現(xiàn)場監(jiān)測

        在隧道沿線、建筑物周圍布置測點,在盾構機掘進前對地下水位、地表沉降、地表建筑和市政設施的變形進行觀測。在盾構機掘進過程中掌子面前后30 m 范圍內(nèi)觀測頻率為 2 次∕d,其余為 1次∕d。

        地下水位快速下降會引起地表沉降和建筑物破壞。兩次連續(xù)觀測的地下水位下降超過1.0 m 時,由業(yè)主、設計、監(jiān)理和施工方共同商討,研究決定是否采取工程措施,如啟用回灌井等。隧道掘進結束后,地面最大沉降出現(xiàn)在P170環(huán)(外交部和舍伍德路公寓之間),其值為7 mm。參照Peck 公式[9-10]算得地層損失率約1.01%,滿足小于2.00%的設計要求。地表建筑物未出現(xiàn)開裂、傾斜。

        6 結語

        以新加坡地鐵湯東線T217項目為例,從盾構機系統(tǒng)選型設計、泥漿關鍵性能指標控制、施工情況、現(xiàn)場監(jiān)測等方面,介紹了不同風化程度花崗巖地層中地鐵盾構隧道施工技術。

        通過精心策劃和組織,盾構機在掘進過程中順利通過了混合層區(qū)段,未發(fā)生超挖現(xiàn)象?,F(xiàn)場監(jiān)測顯示地表最大沉降7 mm,地表建筑物未出現(xiàn)開裂、傾斜,達到了工程目標。

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