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        富水地層輔助氣壓平衡模式盾構(gòu)施工方法研究

        2022-04-08 03:31:56王懷東WANGHuaidong
        價(jià)值工程 2022年12期
        關(guān)鍵詞:土倉土壓渣土

        王懷東 WANG Huai-dong

        (中鐵九局集團(tuán)有限公司,沈陽 110051)

        0 引言

        伴隨我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展,盾構(gòu)法施工具有施工安全性高、工期短、施工成本低等特點(diǎn),已經(jīng)成為城市軌道交通工程區(qū)間隧道施工的主要施工方法。泥水平衡盾構(gòu)施工方法工程經(jīng)濟(jì)性差、項(xiàng)目用地較多、環(huán)保成本高,在進(jìn)行水下隧道施工時(shí)會(huì)優(yōu)先采用;土壓平衡盾構(gòu)一般適用于陸地隧道施工。

        對于埋深大、富水、裂隙發(fā)育的穩(wěn)定地層,按照常規(guī)的全土壓模式掘進(jìn)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生噴涌,由于洞內(nèi)空間有限,噴涌之后的泥沙清理工作量大,導(dǎo)致拼裝不及時(shí),不能持續(xù)掘進(jìn),這樣便給地下水進(jìn)入土倉延長了時(shí)間,加劇了噴涌的發(fā)生,形成惡性循環(huán)。噴涌的發(fā)生,延緩了工程進(jìn)度,提高了工程造價(jià),同時(shí)使土倉壓力和同步注漿質(zhì)量都難以控制,管片出現(xiàn)錯(cuò)臺上浮等現(xiàn)象,影響到隧道的成型質(zhì)量。

        為了提高土壓平衡盾構(gòu)的地層適應(yīng)性,解決噴涌問題,同時(shí)解決盾構(gòu)負(fù)荷較大,刀盤結(jié)餅、便于排土和控制土倉壓力,本文以成都地鐵9 號線工程為例,分析采用輔助氣壓平衡模式的盾構(gòu)掘進(jìn)方法優(yōu)缺點(diǎn),總結(jié)相關(guān)施工工藝重點(diǎn),為類似地層的盾構(gòu)施工提供了可參考的案例。

        1 輔助氣壓平衡模式工作原理

        1.1 常規(guī)土壓平衡模式

        為了保持隧道開挖面的穩(wěn)定并控制地表變形在一定范圍內(nèi),盾構(gòu)施工過程中,需要保持一定的土倉壓力。土倉壓力一般采用盾構(gòu)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的無用渣土作為壓力倉填充物,起到平衡土倉內(nèi)外壓力的作用,通過刀具開挖和螺旋輸送機(jī)排出維持動(dòng)態(tài)的平衡。土倉壓力過小,開挖面可能會(huì)失穩(wěn)坍塌引發(fā)地表沉降;壓力過大,不但推進(jìn)速度下降而且容易導(dǎo)致地面隆起變形。因此,需要根據(jù)掘進(jìn)過程中刀盤扭矩、油缸推力、掘進(jìn)速度等參數(shù)變化和地表變形情況,對螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,并及時(shí)控制閘門開口來調(diào)整土倉壓力。

        實(shí)際上,因?yàn)榈刭|(zhì)的復(fù)雜性,改良后的渣土并不均勻且和易性不好控制,完全依靠渣土傳遞壓力的隨機(jī)性也很大。土壓平衡模式的平衡精度很難達(dá)到理想狀態(tài),地表沉隆難以有效控制,而且渣土平衡介質(zhì)對地下水的控制起不到有效的作用。

        1.2 輔助氣壓平衡模式

        在氣密性好的地層,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)采用“土+氣”作為平衡介質(zhì),即利用氣壓輔助土壓對盾構(gòu)機(jī)外部壓力進(jìn)行平衡,維持開挖面穩(wěn)定;同時(shí),與泡沫結(jié)合在一起的氣體比重輕、流動(dòng)快、無孔不入、均勻分布,能夠迅速占據(jù)開挖的建筑空隙,并逼退地層裂隙中的水,可取得較好效果。

        輔助利用以泡沫形式存在的氣壓,能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的壓力平衡。如圖1 所示,土倉內(nèi)與刀盤正面開挖面土體平衡(a),盾構(gòu)機(jī)外殼與地層之間的開挖間隙內(nèi)與盾構(gòu)機(jī)周圍巖土體的平衡(b),盾尾注漿區(qū)域附近與同步注漿的漿液平衡(c),裂隙內(nèi)和地下水的平衡(d),螺旋輸送機(jī)區(qū)域平衡(e)。同時(shí),盾構(gòu)機(jī)的密封系統(tǒng)中主軸承密封(f)、餃接密封(g)、盾尾密封(h)之間存在相應(yīng)的油脂平衡。對開挖面施加的平衡壓力如圖2 示意。

        圖1 輔助氣壓平衡范圍

        圖2 開挖面處平衡壓力

        2 輔助氣壓施工工藝

        2.1 掘進(jìn)工藝

        掘進(jìn)時(shí),注入空氣與排土同時(shí)進(jìn)行,通過氣土置換,氣壓逐步代替土壓維持掌子面的穩(wěn)定;通過土壓傳感器壓力和比較壓力差,判斷土倉內(nèi)渣土高度,保證渣土在土倉下部1/3 至1/2 之間;推進(jìn)行程結(jié)束之前,控制出土,讓倉內(nèi)渣土高度控制在2/3 時(shí)停機(jī),始終保持土倉上部壓力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。工藝重點(diǎn)在土倉的壓力控制,其它推進(jìn)、注漿、拼裝等與正常土壓相同。

        2.2 輔助氣壓氣源形式和注入方式

        氣源為隧道內(nèi)空氣,刀盤處氣體以泡沫形式注入、土倉隔板處純氣注入,空壓機(jī)及電力系統(tǒng)按照兩套配備。遇到破碎帶或水量較大地層時(shí)主要以泡沫形式注入空氣,以能夠?qū)⒖諝怄i定在相對穩(wěn)定的泡沫空間內(nèi)為原則,對泡沫系統(tǒng)的泡沫比例和泡沫壓力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,使泡沫能順利進(jìn)入裂隙和開挖間隙,阻礙地下水進(jìn)入土倉,解決噴涌問題。

        氣體和液體流量比值(氣液比)、空氣壓力是影響盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)發(fā)泡性能的重要控制參數(shù)。通過參考文獻(xiàn)、原液特性及現(xiàn)場試驗(yàn),發(fā)泡參數(shù)設(shè)置為氣體流量230L·min-1、氣液比50、進(jìn)氣管道壓力0.3MPa、泡沫液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%,此時(shí)盾構(gòu)機(jī)的泡沫系統(tǒng)發(fā)泡倍率及產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性均能達(dá)到工程所需。

        2.3 壓力設(shè)計(jì)及原則

        氣壓大小按照平衡盾體下部靜水壓考慮。此時(shí),理論上由于氣壓作用,盾體下部圍巖不再有水流出;盾體上部圍巖裂隙水被反壓到距盾體頂部一定垂直高度處。土倉中水量控制按照只進(jìn)行刀盤噴水,不另外加水,保證渣土的和易性為原則;

        圍巖為相對穩(wěn)定巖層時(shí),土倉內(nèi)渣土面高度按照超過土倉直徑的1/3 控制,以防止泥水噴涌或氣體擊穿螺旋輸送機(jī)土塞突然泄漏而失去土倉壓力。

        掘進(jìn)時(shí)氣壓下限:理論上按照土倉高度1/3 處的靜水壓,同時(shí)為防范地層突變風(fēng)險(xiǎn),土倉上部壓力控制在60kPa 以上。掘進(jìn)時(shí)氣壓上限:理論上,氣壓等于盾體上部靜水壓力時(shí),盾體上部圍巖裂隙中,水壓與氣壓平衡,地下水靜止不動(dòng);在此基礎(chǔ)上,氣壓每增加10kPa,裂隙中的水位會(huì)提高1m;為防止地面漏氣,氣壓上限不能超過等同于隧道頂部埋深的水壓值。

        停機(jī)拼裝管片時(shí),土倉內(nèi)存2/3 高度的渣土,保持掘進(jìn)時(shí)土倉壓力,交接班及長時(shí)間停機(jī)時(shí),采用正常土壓平衡。

        2.4 土倉內(nèi)存土高度判斷

        通過土壓傳感器壓力差,上部和中部壓力一致,則判斷為不超過1/2,同樣比較下部和中部的壓力差,按照出土泥漿比重每米高的側(cè)壓力,反推算出渣土高度。

        其中:△P 為土倉上下壓力差,P1、P2分別為土倉上、下部傳感器壓力值,γ 為泥漿重度,H 為倉內(nèi)渣面高度。

        3 案例分析

        以成都地鐵9 號線三元站至錦城大道站隧道區(qū)間第540 環(huán)至573 環(huán)施工過程為例:地層以全斷面中風(fēng)化泥巖為主,平均抗壓強(qiáng)度17MPa,埋深17m 至30m,水位在地下10m 左右,側(cè)穿錦城湖,裂隙發(fā)育,破碎帶較多。盾構(gòu)機(jī)采用中鐵裝備6980 土壓平衡盾構(gòu)機(jī),盾構(gòu)機(jī)的刀盤刀具配置如圖3 所示。初期采用常規(guī)全土壓平衡掘進(jìn),盾構(gòu)推力扭矩負(fù)荷大、溫度高,掘進(jìn)速度慢;隨著地層穩(wěn)定性增加,半倉土壓模式掘進(jìn)不能解決地下水的問題,經(jīng)常發(fā)生噴涌;下穿成昆鐵路框構(gòu)橋影響區(qū)時(shí),噴涌非常嚴(yán)重,每個(gè)班次基本上只能完成1-2 環(huán);隨后調(diào)整為輔助氣壓模式掘進(jìn),設(shè)備狀況明顯改善,具體施工參數(shù)與施工狀況對照如表1 所示。

        表1 不同掘進(jìn)模式對比表

        圖3 刀盤配置情況

        4 輔助氣壓掘進(jìn)優(yōu)點(diǎn)分析

        在富水、裂隙發(fā)育的泥巖地層中釆用輔助氣壓模式盾構(gòu)掘進(jìn)有如下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢:

        ①減輕盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的負(fù)荷,提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度。影響盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩的因素很多,主要有兩方面:一是刀具貫入開挖面巖體與開挖面擠壓、摩擦;二是刀盤與土倉及刀盤開口內(nèi)土體剪切、擠壓和摩擦,土壓越高,盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)負(fù)荷越大。采用輔助氣壓盾構(gòu)法進(jìn)行掘進(jìn)時(shí),土倉內(nèi)部作為平衡介質(zhì)的渣土數(shù)量減少,刀盤扭矩減小,推力可以增加,貫入度增大,降低負(fù)荷的同時(shí)提高了掘進(jìn)速度。

        ②阻隔、逼退開挖面和盾體周圍的地下水。輔助氣壓模式掘進(jìn)時(shí),含裹在泡沫內(nèi)的空氣填充進(jìn)入開挖空隙和地層裂隙中,阻隔了地下水進(jìn)入土倉,乃至將裂隙水逼退到一定距離,有效防止噴涌。同時(shí),地下水的流失得到控制,盾構(gòu)施工內(nèi)部環(huán)境得到改善。

        ③減少土倉下部渣土沉積和結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。土壓模式時(shí),由于土的重力和水平方向推進(jìn)的擠壓,土倉下部渣土容易沉積產(chǎn)生滯排,刀盤中心區(qū)域容易結(jié)泥餅。輔助氣壓模式時(shí),隧道開挖面處產(chǎn)生的渣土?xí)焖龠M(jìn)入螺旋輸送機(jī)中,土倉內(nèi)渣土高度未到達(dá)中心區(qū)域,減小沉積和固結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。倉內(nèi)渣土與刀盤及隔板之間的壓力、摩擦距離減小,土倉溫度低,中心區(qū)域沒有渣土,刀盤噴水效果明顯,刀盤中心區(qū)域不容易產(chǎn)生泥餅。

        ④提高同步注漿有效性,有利于隧道成型質(zhì)量。掘進(jìn)時(shí)輔助氣壓能夠逼退地下水,脫岀盾尾部分的土體水分含量較小,注漿漿液不會(huì)被水分d 稀釋,避免漿液性能降低;漿液有效包裹盾構(gòu)殼體,在一定程度上減小錯(cuò)臺;同時(shí)漿液會(huì)更容易進(jìn)入到?jīng)]有水的巖體裂隙中,提高了同步注漿效果,有利于防止隧道滲漏。

        ⑤防止同步注漿、二次注漿竄至盾殼周圍。土壓平衡模式時(shí),漿液在壓力作用下很容易通過止?jié){板進(jìn)入到盾殼周圍,乃至是進(jìn)入土倉內(nèi),產(chǎn)生浪費(fèi)。粘著在盾殼上的漿液日積月累,有些范圍內(nèi)對盾體有很大的包裹力,會(huì)對推力和盾體姿態(tài)控制有非規(guī)律性的影響。氣壓掘進(jìn)能平衡盾尾處的漿體壓力,與止?jié){板一起阻止?jié){液前竄到盾殼周圍的開挖空隙。

        ⑥降低刀盤刀具被過度磨損的風(fēng)險(xiǎn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中采用輔助氣壓模式時(shí),土倉內(nèi)所需要的渣土體積、渣土與刀盤壓力及渣土與刀盤摩擦?xí)r間均減小,可以大幅度減少刀盤刀具的磨損程度,延長刀盤刀具使用時(shí)間。

        ⑦提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率。盾構(gòu)負(fù)荷小后可以有效加大油缸的推力,且減少清渣頻次,掘進(jìn)工作效率大幅度的提升。

        5 施工關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)

        ①地層氣密性良好是盾構(gòu)掘進(jìn)采用輔助氣壓工法的前提和基礎(chǔ),若地層中存在污水井、地勘孔、等,或地層本身氣密性差,保壓效果不好。當(dāng)土倉中氣壓過大時(shí)可能發(fā)生地面漏氣,地面上可能會(huì)出現(xiàn)泡沫漿液,給人們造成恐慌,影響交通。應(yīng)提前排查地勘孔等容易露氣的通道及其填充封堵情況,并進(jìn)行必要的填充或加固,掘進(jìn)時(shí)加強(qiáng)地面的巡視。

        ②盾構(gòu)司機(jī)須密切關(guān)注渣土狀態(tài),在主動(dòng)加水量不變的情況下,如發(fā)現(xiàn)渣土變稀或掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)大塊泥巖,說明遇到地層裂隙較多或是破碎帶,需要加大泡沫比例,加大氣壓。

        ③輔助氣壓掘進(jìn)過程中,土倉內(nèi)渣土要始終高于螺旋輸送機(jī)進(jìn)土口,防止氣體從螺旋輸送機(jī)中噴出。實(shí)際工作中,由于氣壓過高,倉內(nèi)水量不夠,和易性不好,渣土在刀盤和攪拌棒的轉(zhuǎn)動(dòng)下容易堆起,不能有效蓋住螺旋輸送機(jī)進(jìn)口,產(chǎn)生噴氣泄壓現(xiàn)象。這時(shí)需要適當(dāng)增加刀盤噴水,并降低氣壓保證倉內(nèi)進(jìn)入適量的水。

        ④輔助氣壓掘進(jìn)時(shí),若鉸接及盾尾密封油脂注入量未達(dá)到工程所需,油脂壓力不足,油脂均勻度差,則盾構(gòu)機(jī)與土體之間的氣體可能會(huì)擊穿密封油脂。要保證鉸接密封壓力高于氣壓。盾尾密封漏氣漏漿現(xiàn)象時(shí),應(yīng)提高油脂密封壓力。

        ⑤停機(jī)時(shí),即使?jié)M倉土也要持續(xù)保持氣壓,維持地下靜水壓的平衡,防止“拉風(fēng)箱式”保壓。

        ⑥在盾構(gòu)停機(jī)拼裝管片時(shí),在倉內(nèi)壓力作用下,收回推進(jìn)油缸會(huì)使盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)輕微后退;倉內(nèi)氣體會(huì)沿地層不斷擴(kuò)散,會(huì)因溫度降低而壓力下降。

        ⑦若出現(xiàn)倉內(nèi)氣壓突然下降等緊急情況,應(yīng)保持推進(jìn)并立即停止螺旋輸送機(jī)出土,盡快將土倉填滿。填倉速度達(dá)不到要求或正在停機(jī),可快速往土倉內(nèi)加水,維持平衡。

        ⑧若土倉內(nèi)壓力突然增大,此時(shí)盾構(gòu)機(jī)周圍土體可能已出現(xiàn)塌陷,司機(jī)應(yīng)密切注意超挖情況,及時(shí)增加同步注漿量,避免坍塌發(fā)展到地面。

        6 總結(jié)

        在富水地層中,輔助氣壓平衡工法擁有較大優(yōu)勢,但由于建設(shè)單位的強(qiáng)制性要求或承包商成型工法經(jīng)驗(yàn)的缺乏,使該工法的應(yīng)用受到限制。本文基于成都地鐵九號線工程案例,總結(jié)了輔助氣壓模式盾構(gòu)施工法的施工要點(diǎn),并得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

        ①在富水地層采用輔助氣壓平衡工法能明顯提高盾構(gòu)掘進(jìn)施工效率。盾構(gòu)負(fù)荷小后可以有效加大油缸的推力,且減少清渣頻次,掘進(jìn)工作效率大幅度的提升。

        ②輔助氣壓平衡工法對地層適應(yīng)性有一定要求,隧道埋深大的穩(wěn)定土層、巖層,以及含水量較多的裂隙較發(fā)育的巖層,輔助氣壓模式工法可有效解決地下水大量匯聚到土倉內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn),但在氣密性差、埋深小的隧道不宜使用該工法。

        ③根據(jù)地層情況減少土倉內(nèi)積土,但最低要求覆蓋住螺旋輸送機(jī)進(jìn)土口。當(dāng)掘進(jìn)地層上方存在較厚的可塑性粘土且為可短時(shí)穩(wěn)定的地層時(shí),壓力土倉內(nèi)渣土高度應(yīng)超過盾構(gòu)機(jī)中心線。

        ④選用適合的泡沫發(fā)生器和穩(wěn)定性好的泡沫材料,可提高阻擋地下水的能力。

        ⑤操作人員應(yīng)時(shí)刻注意土倉內(nèi)部壓力變化,若土倉內(nèi)壓力突然增大,此時(shí)地層內(nèi)部可能已出現(xiàn)塌陷,應(yīng)密切注意超挖情況,及時(shí)增加同步注漿量,避免坍塌發(fā)展到地面。

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