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        大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)狀及重難點(diǎn)思考與討論

        2022-07-01 09:35:20
        廣東土木與建筑 2022年6期
        關(guān)鍵詞:泥水刀盤管片

        萬 波

        (上海隧道工程有限公司 上海 200032)

        0 引言

        城市軌道交通作為城市發(fā)展相匹配和適應(yīng)的重要系統(tǒng)組成,在現(xiàn)今城市中扮演著越來越重要的角色[1-3]。而在城市及跨江跨河的隧道施工中,大直徑盾構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),到目前為止,世界范圍內(nèi)采用直徑超過14 m 的盾構(gòu)進(jìn)行施工的項(xiàng)目超80 項(xiàng),其中國內(nèi)64 項(xiàng)(泥水盾構(gòu)59 項(xiàng),土壓盾構(gòu)5項(xiàng)),國外17項(xiàng)(泥水盾構(gòu)6項(xiàng),土壓盾構(gòu)11項(xiàng))。

        目前,我國已經(jīng)成為盾構(gòu)里程最多的國家[4]。但是我國地域遼闊,水系豐富,地質(zhì)復(fù)雜多變,所以各個(gè)地區(qū)泥水盾構(gòu)在不同地層和跨江跨海的施工環(huán)境也不盡相同,面臨的施工難題也是各式各樣。尤其是近年各種超大斷面盾構(gòu)隧道的需求、特殊復(fù)雜地層和極端環(huán)境建造、城市環(huán)境保護(hù)要求等,給泥水盾構(gòu)的施工帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。比如,在部分富水軟土地層中,泥水盾構(gòu)面臨著的流砂和管涌問題[5];在復(fù)合地層中由于地層中巖石和軟土的共同存在,上軟下硬導(dǎo)致泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)問題[6];當(dāng)?shù)貙又写嬖诠率陀矌r,盾構(gòu)刀盤的磨損造成嚴(yán)重危害[7];掘進(jìn)土層中遇到沼氣等有害氣體,沼氣從盾尾涌入盾構(gòu),對盾構(gòu)的正常施工產(chǎn)生不利影響,同時(shí)引起盾構(gòu)偏移[8];當(dāng)盾構(gòu)穿越斷裂帶或地層存在較大差異,會(huì)給開挖掌子面穩(wěn)定性帶來困難[9];穿越管線和密集建構(gòu)筑物引發(fā)的變形控制問題以及小曲率半徑掘進(jìn)的施工技術(shù)問題等[9-11],這些都是現(xiàn)今泥水盾構(gòu)施工過程中遇到的一系列技術(shù)難點(diǎn)。所以將我國泥水盾構(gòu)施工中面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對措施以及施工技術(shù)重難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析,形成系統(tǒng)全面的技術(shù)參考具有重要意義[12]。

        本文基于杭州江南大道、文一路隧道、錢江隧道、溫州S2 線SG5 標(biāo)、珠海十字門隧道、媽灣跨海通道I標(biāo)、佛山季華路西延等一系列泥水盾構(gòu)項(xiàng)目,先簡要介紹了泥水盾構(gòu)的概況,分析了目前泥水盾構(gòu)面臨的挑戰(zhàn),總結(jié)了施工過程中遇到的一些重難點(diǎn)問題,并以項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對重難點(diǎn)問題的解決提供對應(yīng)的施工方案措施與建議,以期對今后泥水盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

        1 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

        1.1 泥水盾構(gòu)隧道簡介

        泥水平衡盾構(gòu)包含5 大系統(tǒng),主要為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)、掘進(jìn)管理系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)、泥水輸送和同步注漿系統(tǒng),泥水氣平衡盾構(gòu)示意圖如圖1 所示。盾構(gòu)機(jī)通過在前盾的密封倉中注入適當(dāng)壓力的泥漿,聚焦于泥水與土體的接觸表面,使其在開挖面形成泥膜與掌子面土體達(dá)到平衡。在平衡階段中泥膜的形成十分重要,平衡后盾構(gòu)刀盤才開始切削土體,開挖的土體與泥水混合后形成高密度泥漿,再由排泥泵及管路送至地面處理,整個(gè)過程為泥水平衡自動(dòng)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理模式。

        圖1 泥水氣平衡盾構(gòu)三維圖Fig.1 Three-dimensional Diagram of Mud-water-gas Equilibrium Shield

        1.2 泥水盾構(gòu)施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

        隨著我國泥水盾構(gòu)隧道使用日益廣泛,泥水盾構(gòu)的技術(shù)不斷發(fā)展,泥水盾構(gòu)隧道面臨大直徑、長距離和高水壓的問題,城市鄰近建筑物密集施工變形控制嚴(yán)格,盾構(gòu)掘進(jìn)穿越的地層與環(huán)境也愈加復(fù)雜化[13]。

        1.2.1 盾構(gòu)超大直徑問題

        與常規(guī)的6 m 左右盾構(gòu)隧道相比,大直徑盾構(gòu)隧道在很多方面存在明顯差異[14]。隨著盾構(gòu)直徑的增大,刀盤開挖切削范圍與對地層的擾動(dòng)程度成倍增加,地層自穩(wěn)能力降低,刀盤頂部與底部的泥水壓力差進(jìn)一步增大,其與地層水土壓力的匹配性降低,從而降低了對開挖面的有效支護(hù)。同時(shí),隨著盾構(gòu)直徑的增大,盾構(gòu)穿越復(fù)合地層的概率也大幅提高,從而對盾構(gòu)適應(yīng)性配置和相應(yīng)施工技術(shù)提出了更高要求。再者,超大直徑盾構(gòu)泥水送泥口與排泥口距離大幅增加,刀盤和泥水倉結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,泥水環(huán)流和作用機(jī)理更為復(fù)雜,從而對開挖面穩(wěn)定控制和排渣帶來影響。且大盾構(gòu)隧道直徑增大,襯砌接近于柔性結(jié)構(gòu),其性能退化與周邊環(huán)境變化帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)增大。

        1.2.2 盾構(gòu)開艙技術(shù)問題

        盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層或長距離掘進(jìn)時(shí),經(jīng)常會(huì)面臨遭遇阻礙或者刀具磨損過大而被迫停機(jī)開艙的問題。而開艙面臨如何保持開挖面穩(wěn)定和人員帶壓進(jìn)艙作業(yè)安全等問題,具有極高的風(fēng)險(xiǎn)。例如,2008 年廣州地鐵6號線和2014年南寧地鐵1號線因?yàn)殚_艙造成了嚴(yán)重的工程事故[15]。隨著盾構(gòu)環(huán)境的復(fù)雜化,掘進(jìn)過程面臨刀具磨損、結(jié)泥餅以及遇到阻礙的問題愈加普遍,這一挑戰(zhàn)對于開艙技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新存在巨大需求。

        1.2.3 臨近復(fù)雜工程問題

        隨著城市建筑物密集分布及地下空間的高度開發(fā)建設(shè),盾構(gòu)隧道不可避免地要穿越臨近的建構(gòu)筑物和其它地下結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)隧道與不同建構(gòu)筑物的相互作用機(jī)制比較復(fù)雜,受到地層條件、隧道結(jié)構(gòu)特性、隧道與建構(gòu)筑物相對空間位置、盾構(gòu)機(jī)種類、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與工后沉降變形等因素的影響。目前臨近建筑物施工事故[16]大量頻發(fā),所以加強(qiáng)臨近施工的擾動(dòng)變形機(jī)理研究,更精準(zhǔn)地對地層-結(jié)構(gòu)相互作用變形進(jìn)行控制是當(dāng)前急需解決的技術(shù)難題。

        1.2.4 盾構(gòu)渣土處理技術(shù)問題

        隨著盾構(gòu)項(xiàng)目的增加,施工過程中產(chǎn)生的工程渣土也在逐年陡增,2020年全國在建盾構(gòu)隧道渣土總量已突破2.25 億m3,“十三五”以來,我國積極推動(dòng)落實(shí)建筑垃圾源頭減量與資源化利用的相關(guān)政策,并逐漸形成建筑垃圾資源化利用的產(chǎn)業(yè)體系及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]。目前建筑垃圾應(yīng)用在許多領(lǐng)域,如:建筑地基填筑再利用、注漿再利用以及再生磚等。但是渣土的原地資源化再利用仍然存在一些問題,如分類標(biāo)準(zhǔn)不完善,渣土利用生產(chǎn)產(chǎn)品性能缺乏系統(tǒng)方法以及存在特殊性無法量產(chǎn)化等。

        2 大直徑泥水盾構(gòu)施工重難點(diǎn)

        2.1 軟土地層盾構(gòu)極限施工

        當(dāng)前,軟土地層大直徑泥水盾構(gòu)施工工藝已比較成熟,但受地質(zhì)和環(huán)境條件的限制,仍會(huì)遇到穿越高水壓富水地層、近距離穿越建筑物、穿越沼氣層、超淺覆土進(jìn)出洞、小曲率半徑曲線掘進(jìn)等特殊工況。在此,將其定義為極限施工工況,其施工重難點(diǎn)如下:

        2.1.1 盾構(gòu)穿越高水壓富水地層

        泥水平衡盾構(gòu)廣泛用于水底隧道的掘進(jìn),或者在穿越城市時(shí)埋深大,從而易出現(xiàn)盾構(gòu)位于高水壓富水地層施工的情況,比如上海虹梅南路隧道,盾構(gòu)段最大埋深為52.5 m,穿越高承壓水〈7-2〉粉細(xì)砂地層。高水壓富水地層一般埋深大,且為滲透性強(qiáng)的粉細(xì)砂地層,其施工難點(diǎn)在于:

        ⑴粉細(xì)砂在水動(dòng)力條件和盾構(gòu)掘進(jìn)作用下,易產(chǎn)生管涌、流砂及振動(dòng)液化現(xiàn)象,從而降低土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,不利于開挖面穩(wěn)定。若泥水質(zhì)量欠佳,或切口水壓設(shè)定不當(dāng)或波動(dòng)過大,易造成開挖面不穩(wěn)甚至出現(xiàn)坍方。

        ⑵高水壓作用下,易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承密封(外密封)系統(tǒng)失效、盾尾易發(fā)生變形和滲漏等災(zāi)害性風(fēng)險(xiǎn)。

        2.1.2 近距離穿越建筑物

        目前,大直徑泥水盾構(gòu)近距離穿越建筑物的案例已越來越多,比如上海北橫通道盾構(gòu)段共穿越建筑90 處,距建筑樁基最近約0.6 m;杭州文一路隧道下穿地鐵2號線,垂直凈距僅5.0 m。因控制不當(dāng)引發(fā)的建筑物沉降過大、開裂甚至倒塌的案例也屢見不鮮。究其原因,主要有以下幾點(diǎn):

        ⑴盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中不可避免地會(huì)對地層產(chǎn)生擾動(dòng),引發(fā)地層及周邊建筑產(chǎn)生沉降。

        ⑵施工參數(shù)控制不當(dāng):比如泥水質(zhì)量不佳或切口水壓控制不當(dāng)可能造成開挖面不穩(wěn),同步注漿漿液質(zhì)量不佳、或注漿量和注漿壓力控制不當(dāng)、或二次補(bǔ)壓漿不及時(shí)導(dǎo)致地層損失過大,盾構(gòu)姿態(tài)控制不佳或糾偏過大造成土體擾動(dòng)過大等,均會(huì)造成地面和建筑物沉降。

        2.1.3 穿越沼氣層

        在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土等地層中易形成產(chǎn)氣層,形成氣囊。當(dāng)氣囊超過一定量或壓力超過0.05 MPa 時(shí),若不預(yù)先處理,會(huì)對盾構(gòu)掘進(jìn)施工帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。

        ⑴在地下隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,氣體由于外因作用而突發(fā)性釋放,含氣層的壓力急劇下降,導(dǎo)致氣-水界面向噴氣口移動(dòng),快速的氣流對土層產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用,大范圍撓動(dòng)含氣土層,同時(shí)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)上覆或下臥地層。隨著強(qiáng)烈噴氣的結(jié)束,土層必然產(chǎn)生急劇沉降,隨后土體重新固結(jié)下沉。由于地下氣體的分布不均勻,氣壓大小不等,地層承載力大小差異較大,故在氣體釋放過程中往往引起不均勻沉降,進(jìn)而誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形,甚至管片斷裂損壞。

        ⑵沼氣對施工人員造成危害。由于淺層沼氣主要成分為甲烷和氮?dú)?,因此,氣體濃度過高時(shí),使空氣中氧含量明顯降低,使人窒息。當(dāng)空氣中甲烷含量達(dá)25%~30%時(shí),可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟(jì)失調(diào)。若不及時(shí)脫離,可能窒息死亡。當(dāng)濃度在5%~15%的爆炸極限范圍內(nèi)時(shí),如遇到明火,將發(fā)生劇烈爆炸,危害人身安全。

        2.1.4 淺覆土進(jìn)出洞

        盾構(gòu)淺覆土進(jìn)出洞一直是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。長期以來,因?yàn)榉桨覆坏卯?dāng)或處理不到位而造成盾構(gòu)進(jìn)出洞施工中土體坍方、洞門噴涌、隧道大幅上浮造成管片錯(cuò)臺甚至螺栓剪斷等事故層出不窮。目前盾構(gòu)進(jìn)出洞施工的基本工藝流程已比較成熟,但對于針對不同地質(zhì)和工況條件下的進(jìn)出洞加固施工方案仍存在分歧,且淺覆土施工中隧道大幅上浮現(xiàn)象仍較為普遍。究其原因,主要如下:

        ⑴針對不同水文地質(zhì)和環(huán)境條件下,進(jìn)出洞加固方案的選擇欠妥,或過于激進(jìn)導(dǎo)致加固效果難以滿足要求,或過于保守而造成成本大幅增加。

        ⑵盾構(gòu)在淺覆土中施工隧道上浮原因分析:成型隧道重量小于開挖土體(含水)的重量,若同步注漿參數(shù)控制不佳(注漿壓力過大、填充不飽滿、凝固時(shí)間緩慢等),單點(diǎn)壓注壓力過大使管片受向上的頂力、底部漿液先填充滿,存在管片上浮空間及浮力,當(dāng)管片所受浮力大于管片自重、上覆土重力、螺栓周邊土體粘滯助力及環(huán)間摩擦力,往往會(huì)導(dǎo)致管片和上覆土一起上浮;覆土越淺,土層往往比較松軟,甚至是液化地層,對注漿層無法形成包裹作用;管片螺栓不緊固導(dǎo)致管片之間整體性較差,造成管片上?。还芷c盾構(gòu)及隧道軸線姿態(tài)不一致導(dǎo)致管片上浮等。

        2.1.5 小曲率半徑曲線掘進(jìn)

        泥水盾構(gòu)穿越海底或城市建筑群時(shí),由于受兩岸接線條件的限制,以及盡可能避開建筑物,常需要進(jìn)行小曲率半徑施工。極限小半徑極易造成管片錯(cuò)臺破損及盾尾防水系統(tǒng)的磨損漏水,加之盾構(gòu)處于海底軟硬不均地層刀具易磨損,需在水底高水壓下更換刀具或盾尾密封刷,同時(shí)開挖面如失穩(wěn)產(chǎn)生河床隆起或塌陷可能引發(fā)上方覆水倒灌,其風(fēng)險(xiǎn)和難度極大。

        2.2 盾構(gòu)穿越復(fù)合地層

        2.2.1 盾構(gòu)穿越軟硬不均地層

        盾構(gòu)在穿越軟硬不均地層的過程中,隧道軸線控制困難,推進(jìn)時(shí)可能發(fā)生盾構(gòu)偏移,出現(xiàn)蛇形推進(jìn)。由于軟硬比例變化幅度及頻率大,隧道掘進(jìn)工況轉(zhuǎn)換頻繁,對地表沉降、開挖面穩(wěn)定、盾尾密封等控制難度大,容易造成施工過程開挖面失穩(wěn)。同時(shí)在穿越軟硬不均及硬巖地層時(shí),盾構(gòu)推進(jìn)速度緩慢,刀具磨損快,換刀頻繁,甚至損壞刀盤,對施工工期造成影響。

        2.2.2 盾構(gòu)穿越礫石層

        盾構(gòu)穿越礫石等高滲透性土層,泥水盾構(gòu)工作面的泥膜難以建立,同時(shí)在承壓動(dòng)水頭壓力下易發(fā)生流砂、崩塌現(xiàn)象,影響開挖面穩(wěn)定。盾構(gòu)掘進(jìn)中遇砂土、圓礫石層,如泥水質(zhì)量不佳,極易造成吸口封堵,從而無法出土,由于礫石的硬度較大,盾構(gòu)的刀盤還易損壞,施工過程中的開倉更換刀具也具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

        2.2.3 盾構(gòu)穿越斷裂帶地層

        斷裂帶中掘進(jìn)時(shí)水壓較高、水量大,對盾構(gòu)保壓及密封系統(tǒng)都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。斷裂帶具有巖層破碎、塊度大、巖層變化大、地質(zhì)松散等特點(diǎn),盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)泥水漏失、開挖面失穩(wěn)等施工難題,如果控制不當(dāng)甚至可能出現(xiàn)坍塌、滲水被淹等災(zāi)難性安全事故。斷裂帶由于巖層穩(wěn)定性差,若同步注漿效果不好,已拼裝管片在推出盾尾后容易出現(xiàn)上浮、錯(cuò)臺、密封條失效和管片連接縫隙處滲水等現(xiàn)象,隧道穩(wěn)定控制難度大,影響施工質(zhì)量。

        2.2.4 盾構(gòu)穿越孤石地層

        孤石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致刀盤前端瞬間壓力猛然增大,易將刀盤卡死、造成刀具磨損和刀座嚴(yán)重變形等問題,盾構(gòu)機(jī)極易被困,影響施工進(jìn)度。盾構(gòu)穿越孤石地層時(shí),因?yàn)楣率c周圍地層有較大的強(qiáng)度差異,對盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)控制帶來困難,容易使盾構(gòu)掘進(jìn)偏離設(shè)計(jì)軸線。當(dāng)孤石分布廣泛時(shí),如果無法完全探明,盾構(gòu)在未探明的孤石掘進(jìn)中,孤石容易隨刀盤旋轉(zhuǎn)而移動(dòng),對于地層有較大的擾動(dòng),造成地層失穩(wěn)的現(xiàn)象。

        3 泥水盾構(gòu)重難點(diǎn)施工方案

        3.1 軟土地層盾構(gòu)極限施工

        3.1.1 盾構(gòu)穿越高水壓富水地層

        以杭州錢江通道為例,圓隧道段采用?15.43 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工。江南段盾構(gòu)穿越土層主要為〈3-2〉層粉砂、〈4-2〉層粉質(zhì)粘土,其中約300 m 長含有1∕2~2∕3斷面的〈3-2〉層粉砂,其滲透系數(shù)為3.13E-4 cm∕s。主要應(yīng)對措施如下:

        ⑴盾構(gòu)配置:驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)按承壓7.5 bar設(shè)計(jì),滿足工況要求,且采用自動(dòng)油脂壓注系統(tǒng),確保密封系統(tǒng)完好;盾構(gòu)機(jī)設(shè)置4道盾尾刷(3道鋼絲刷+1道鋼板刷),可抵抗7.5 bar 的水土壓力,并配備了1 套充氣式盾尾緊急密封系統(tǒng),盾尾油脂壓注孔3×12 個(gè),利用3 臺油脂泵壓注。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,定期、定量、定壓進(jìn)行盾尾油脂壓注,以保證盾尾密封安全。

        ⑵采用重漿推進(jìn),泥漿比重不低于1.25 g∕cm3、粘度不低于20 s,且在泥漿中增加了高分子材料堵漏劑,以提高泥漿護(hù)壁性能。

        ⑶準(zhǔn)確設(shè)定泥水壓力,并根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)微調(diào),并將泥水壓力波動(dòng)控制在±0.005 MPa以內(nèi),從而保證開挖面的穩(wěn)定。

        ⑷推進(jìn)速度保持在2~3 cm∕min,盡量保持勻速推進(jìn),以減小對土體的擾動(dòng)。

        ⑸采用6點(diǎn)同步注漿系統(tǒng),壓注量為理論建筑空隙的120%~130%,上、中、下部的壓注量比例為5∶3∶2,以及時(shí)填充管片與土體之間的空隙,并有效減小隧道上浮。

        3.1.2 近距離穿越建筑物

        以上海市北橫通道為例,北橫通道盾構(gòu)段共穿越建筑90 處,其中下穿建筑25 處,側(cè)穿建筑65 處;穿越多層及地下室36 處,穿越帶樁基多層16 處,穿越高層38 處,距建筑樁基最近的約0.6 m,與隧道距離小于1.5 m 帶樁基建筑物的有7 處。隧道采用1 臺?15.56 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工,主要穿越地層為〈5-1〉灰色粉質(zhì)黏土、〈6〉暗黃~綠色粉質(zhì)黏土、〈7〉粉細(xì)砂、〈8-1〉灰色粘土等。主要采取措施如下:

        ⑴盾構(gòu)穿越前對影響范圍內(nèi)建筑進(jìn)行檢測與評價(jià),并按保護(hù)等級進(jìn)行分類。

        ⑵根據(jù)建筑物特性、與隧道的位置關(guān)系以及隧道埋深、地質(zhì)情況等,合理設(shè)定并精確控制泥水指標(biāo)、推進(jìn)速度、切口水壓、出土量、同步注漿、盾構(gòu)姿態(tài)等施工參數(shù),并根據(jù)監(jiān)測情況及時(shí)調(diào)整。在穿越建筑物期間盡量保持勻速通過,并在盾構(gòu)姿態(tài)控制方面做到勤測勤糾、單次糾偏幅度小,以減少盾構(gòu)糾偏給土體帶來的擾動(dòng),從而減小對建構(gòu)筑物的影響。

        ⑶嚴(yán)格控制同步注漿壓力、注漿量和漿液質(zhì)量。每環(huán)盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后,補(bǔ)充壓注適量漿液,保持注漿壓力。在盾尾快脫出建構(gòu)筑物下方時(shí),須適當(dāng)增加漿液壓注量,必要時(shí)通過殼體進(jìn)行注漿。

        ⑷在穿越建筑物特殊區(qū)段(如小曲線半徑段)管片上設(shè)置剪力銷,管片上增設(shè)注漿孔(見圖2),適時(shí)壓注雙液漿,以減小盾構(gòu)穿越后的建筑物沉降。

        圖2 增開注漿孔示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Adding Grouting Hole

        ⑸對建筑物采取跟蹤注漿加固的保護(hù)措施。

        3.1.3 穿越沼氣層

        針對盾構(gòu)穿越沼氣層存在的風(fēng)險(xiǎn),主要從沼氣探測與釋放、盾構(gòu)設(shè)備配置、施工措施3個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)對。

        ⑴沼氣探測與釋放:通過補(bǔ)勘探明盾構(gòu)掘進(jìn)線路上的沼氣分布位置、氣囊大小、壓力等,對于壓力超過0.05 MPa 的應(yīng)進(jìn)行沼氣釋放。沼氣釋放施工方式為采用鉆機(jī)和靜壓結(jié)合方式。即鉆孔前進(jìn)行孔位及標(biāo)高測量,確定鉆孔深度,原則上在含氣層上面5.0 m改為靜壓施工,靜壓到位后進(jìn)行沼氣釋放。該方法在江南大道改造提升工程進(jìn)行應(yīng)用,如圖3所示。

        圖3 沼氣釋放現(xiàn)場Fig.3 Biogas Release Site

        ⑵盾構(gòu)機(jī)配置:在盾構(gòu)機(jī)的排泥口、盾尾和第一節(jié)車架處設(shè)置固定式自動(dòng)報(bào)警有毒有害氣體監(jiān)測裝置。另外考慮到第二、第三節(jié)車架電器設(shè)備較多,且較接近沼氣涌出源,故在第二和第三節(jié)車架間固定放置一把移動(dòng)式手持有害氣體監(jiān)測儀器,作為該區(qū)域特定的檢測設(shè)備。

        ⑶施工措施:推進(jìn)前后進(jìn)行充分的泥水循環(huán),以排凈可能進(jìn)入到泥水管路內(nèi)的氣體;做好隧道內(nèi)有害氣體監(jiān)測;加強(qiáng)隧道通風(fēng)。

        3.1.4 淺覆土進(jìn)出洞

        針對不同地質(zhì)和工況條件下的進(jìn)出洞加固施工方合理選擇,以及淺覆土施工中如何控制隧道上浮兩個(gè)方面,根據(jù)自身的工程經(jīng)歷,并通過對類似工程案例的總結(jié),就應(yīng)對措施進(jìn)行探討。

        ⑴盾構(gòu)進(jìn)出洞加固技術(shù)

        眾所周知,盾構(gòu)進(jìn)出洞加固方案的合理性及實(shí)施效果是盾構(gòu)進(jìn)出洞施工安全的首要保障。本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則,對于不同的地質(zhì)水文條件和環(huán)境條件,進(jìn)出洞加固方案也大有不同。通過對大量工程案例的分析,對不同工況條件下適用的進(jìn)出洞加固方案進(jìn)行總結(jié)如下:

        ①當(dāng)加固范圍內(nèi)為軟土地層,且地下水不豐富或地下水位不高的情況下,宜采用水泥系加固輔以降水井的方式。一般情況下,若加固深度不超過35 m,宜采用攪拌樁+高壓旋噴加固方式,若加固深度超過35 m,宜采用MJS或RJP進(jìn)行加固。需要注意的是,當(dāng)加固范圍存在拋石、填石等障礙物時(shí),應(yīng)預(yù)先將其清除(淺層障礙物一般采用挖除后回填,深層障礙物一般采用全回轉(zhuǎn)清除后回填)后再進(jìn)行加固,以保證加固效果。應(yīng)用案例有杭州錢江隧道、杭州江南大道提升改造等。

        ②當(dāng)盾構(gòu)工作井臨江臨海,或隧道位于或受高承壓含水層影響時(shí),除了常規(guī)的水泥系加固輔以降水外,宜在加固區(qū)周邊設(shè)置一圈“U”字型的隔水帷幕(一般采用素地連墻、素咬合樁或TRD 等方式)隔斷承壓水,在隔水帷幕內(nèi)設(shè)置降水井,并在隔水帷幕外設(shè)置觀測井和備用井。應(yīng)用案例有佛山季華西延工程、媽灣跨海通道等。

        ③當(dāng)加固深度過大,或加固范圍內(nèi)存在圓礫層、礫石等地層,導(dǎo)致水泥系加固效果不佳;或受場地限制導(dǎo)致水泥系加固無法實(shí)施或加固長度不足時(shí),宜采用凍結(jié)加固方案,一般采取垂直凍結(jié)與水平凍結(jié)相結(jié)合的方案。值得注意的是,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)盡可能增設(shè)一圈“U”字型的隔水帷幕(素地連墻或素咬合樁),并設(shè)置降水井,從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用案例有珠海十字門隧道出洞加固等。

        ④當(dāng)隧道進(jìn)出洞全斷面位于巖層時(shí),一般不需要采取額外的地基加固措施,但應(yīng)做好降水、洞門圈止水裝置等措施。

        ⑵淺覆土隧道抗浮技術(shù)

        ①在淺覆土段設(shè)置管片剪力銷,增加隧道整體性。

        ②同步注漿采用高比重、抗剪能力形成快的漿液,適當(dāng)增加上部注漿量比例(一般占總量的60%甚至更多),并在管片上增設(shè)注漿孔進(jìn)行隧道二次補(bǔ)壓漿,以控制隧道上浮。

        ③通過盾殼注漿孔壓注克泥效,有效封堵泥水回竄至盾尾的通道。

        ④在盾尾附近的管片(尤其是剛脫出盾尾的管片)上設(shè)置壓重塊,以增加抗浮力。

        ⑤若覆土過淺,可采取上覆土加固、地面堆載或設(shè)置抗浮板的措施,以增加抗浮力。

        3.1.5 小曲率半徑曲線掘進(jìn)

        盾構(gòu)在小曲率半徑施工掘進(jìn)時(shí),易出現(xiàn)姿態(tài)偏差過大、管片錯(cuò)臺超標(biāo)、盾尾間隙不均導(dǎo)致管片或盾尾刷損傷等不利情況。以珠海十字門隧道為例,盾構(gòu)段全長940 m,全線處于平面小曲線半徑R=599.75 m,如圖4所示。主要采取以下措施:

        圖4 十字門隧道盾構(gòu)段平面Fig.4 Plane View of Shizimen Shield Tunnel

        ⑴設(shè)計(jì)方面:采用楔形量80 mm 的管片,保證小半徑軸線擬合需要;管片設(shè)置剪力銷,改善成環(huán)管片受力情況,保證成環(huán)質(zhì)量;在管片上增設(shè)注漿孔,適時(shí)壓注雙液漿。

        ⑵盾構(gòu)配置方面:盾構(gòu)采用倒錐形設(shè)計(jì),以滿足轉(zhuǎn)彎要求;刀盤配置仿形刀,通過PLC 控制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)角度范圍內(nèi)伸出或縮回,實(shí)現(xiàn)單邊超挖,利于盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)糾偏;配置自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)(見圖5),實(shí)時(shí)提供盾構(gòu)姿態(tài),便于操作人員控制好盾構(gòu)姿態(tài),可有效防止不當(dāng)糾偏。

        圖5 自制自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of Self-made Automatic Steering System

        ⑶施工方面:根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)以及盾尾與管片間隙,適時(shí)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)方向及姿態(tài),做到勤測勤糾,而每次的糾偏量應(yīng)盡量小,確保管片環(huán)面始終處于曲線半徑的徑向豎直面內(nèi);利用管片選型軟件,合理選擇管片旋轉(zhuǎn)角度,實(shí)現(xiàn)軸線擬合,管片拼裝盡量居中;采用同步注漿與推進(jìn)聯(lián)動(dòng)的方式,控制好漿液質(zhì)量、注漿量和注漿壓力,同時(shí),考慮到曲線段施工外側(cè)出土量更大,適當(dāng)加大曲線段外側(cè)的壓漿量,以填補(bǔ)施工空隙,必要時(shí),采取二次注漿(雙液漿)的措施,以加固隧道外側(cè)土體,減少隧道水平位移量,提高隧道穩(wěn)定性;必要時(shí)采取環(huán)、縱向拉緊措施,提高管片縱向剛度;適當(dāng)加大隧道測量頻率,加密測量點(diǎn)和后視點(diǎn),并對后視點(diǎn)進(jìn)行定期復(fù)核。

        3.2 盾構(gòu)穿越復(fù)合地層

        3.2.1 盾構(gòu)穿越軟硬不均地層

        盾構(gòu)穿越軟硬不均地層易出現(xiàn)地面沉降過大、刀具磨損嚴(yán)重、軸線控制困難、刀盤結(jié)泥餅[18]等施工難點(diǎn)。以媽灣跨海通道Ⅰ標(biāo)為例,闡述應(yīng)對措施。

        媽灣跨海通道I 標(biāo)盾構(gòu)段全長2 060 m,采用1 臺?15.55 m的泥水氣壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工,主要穿越地層為〈5-1〉黏土、〈5-1〉淤泥質(zhì)土、〈8-1〉砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、〈10-1〉全風(fēng)化巖、〈10-2〉強(qiáng)風(fēng)化巖、〈10-3〉中風(fēng)化花崗巖、〈10-4〉微風(fēng)化花崗巖。其中,822 m為全斷面硬巖,938 m為上軟下硬土層,300 m為軟土。

        主要難點(diǎn)分析及應(yīng)對措施如下:

        ⑴地面沉降控制

        地面沉降在軟硬不均地層中開挖時(shí),上部軟土地層易于切削,下部巖層強(qiáng)度高,不易切削。施工時(shí)掘進(jìn)速度低,增大了對上部地層的擾動(dòng),引起地面沉降過大。施工時(shí)可適當(dāng)降低盾構(gòu)機(jī)推力及刀盤扭矩,減小對地層的擾動(dòng)。提高泥水質(zhì)量,防止開挖面上部土體坍塌。同時(shí)加強(qiáng)沉降監(jiān)測和出碴量管理,保證掘進(jìn)順利進(jìn)行。

        ⑵刀具磨損

        難點(diǎn)分析:在軟硬不均地層中施工時(shí),刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞,刀盤受到的沖擊力很大,容易造成局部刀具受力超載,刀盤和軸承受偏心荷載作用致使主軸承受損或主軸承密封被破壞。同時(shí),由于切削所釋放的熱量高,導(dǎo)致刀盤刀具溫度升高,加速了刀盤刀具的磨損速度,對盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)非常不利。

        主要措施:

        ①目前盾構(gòu)機(jī)均配置了滾刀旋轉(zhuǎn)檢測裝置和刀具溫度、荷載檢測裝置,施工過程中應(yīng)密切關(guān)注刀具檢測裝置的完好性及檢測數(shù)據(jù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)“零號病刀”,并及時(shí)更換。

        ②因巖面起伏較大,在掘進(jìn)施工中應(yīng)掌握每一環(huán)穿越的地層分布情況,按照“一環(huán)一策”的原則設(shè)定相關(guān)施工參數(shù)。適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速(一般不超過1.5 r∕min),防止刀具因轉(zhuǎn)速過快而與巖層發(fā)生嚴(yán)重碰撞從而損壞刀具。密切關(guān)注推力、推進(jìn)速度、扭矩的變化,當(dāng)出現(xiàn)推力或扭矩陡升、推進(jìn)速度陡降等異常情況時(shí),應(yīng)立即停推,對刀具磨損、泥水倉集渣等情況進(jìn)行排查,并采取換刀、清倉排渣等措施后,再恢復(fù)推進(jìn)。

        ③保證泥水質(zhì)量和泥水流量及分配,必要時(shí)進(jìn)行清倉工作,將切削下來的渣土排除,減輕對刀具的磨損,減少換刀頻率,提高掘進(jìn)效率。

        ⑶軸線控制

        在軟硬不均地層中,土體性質(zhì)極不均勻,致使盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制閑難,容易引起軸線偏差,姿態(tài)控制難度大。在巖面起伏大或侵入盾構(gòu)斷面巖層較小的情況下,應(yīng)適當(dāng)降低推進(jìn)速度和刀盤扭矩,并合理設(shè)置各區(qū)域千斤頂油壓,從而有效控制盾構(gòu)軸線。另外,在軟硬不均地層施工易出現(xiàn)盾構(gòu)轉(zhuǎn)角過大現(xiàn)象,應(yīng)予以密切關(guān)注并通過正反轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

        ⑷刀盤結(jié)泥餅

        盾構(gòu)在泥巖、富含粘性顆粒的全、強(qiáng)風(fēng)化巖層中掘進(jìn)時(shí),極易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象,主要原因?yàn)椋赫承灶w粒易成團(tuán)聚集在刀盤正面,同時(shí)由于切削釋放的高熱量進(jìn)一步加劇了泥團(tuán)的失水和固結(jié)硬化,導(dǎo)致結(jié)泥餅現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,不僅造成滾刀偏磨加劇,而且大幅削弱刀具切削功能,并造成排泥管吸口堵塞。主要措施:在刀盤正面和刀筒內(nèi)設(shè)置大流量、高壓力的泥水沖刷裝置,有效減低泥餅的形成;適當(dāng)增加泥水流量,在排泥管吸口設(shè)置沖刷口,以增加排渣、攜渣能力;加強(qiáng)刀具檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換磨損嚴(yán)重的刀具。

        3.2.2 盾構(gòu)穿越礫石層

        盾構(gòu)穿越礫石層易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、泥漿漏失導(dǎo)致開挖面不穩(wěn)、礫石滯排堵塞排泥管吸口等問題。以江南大道改造提升工程為例,盾構(gòu)段南線、北線分別穿越約350 m、600 m 長圓礫層,且位于高承壓水地層中,其中,最大覆土厚度約37.5 m。采取措施如下:

        ⑴刀具配置上選擇重型刮刀和撕裂刀,采用固定刀具+帶壓可更換刀箱的組合形式,且每個(gè)軌跡上至少布置2 把。刀盤外緣有高度耐磨硬質(zhì)堆焊層,同時(shí)配置液壓刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)?shù)毒吣p到設(shè)定值時(shí),及時(shí)開倉更換刀具。

        ⑵配置高性能刀盤驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)與盾尾密封系統(tǒng),以滿足高水壓下密封要求。

        ⑶刀盤背面配置有4根主動(dòng)攪拌棒,可大幅提高出渣效果。并在掘進(jìn)過程中適當(dāng)增加泥水流量,以提高攜渣能力,防止渣粒在管路內(nèi)沉淀引起管路堵塞,影響正常施工。

        ⑷采用重漿推進(jìn),并在泥水中增加堵漏劑,以提高泥漿護(hù)壁效果,保證開挖面穩(wěn)定。

        3.2.3 盾構(gòu)穿越斷裂帶地層

        針對盾構(gòu)在斷裂帶地層中的施工風(fēng)險(xiǎn),需要從盾構(gòu)機(jī)針對性配置、預(yù)處理以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制幾個(gè)方面綜合考慮。以媽灣跨海通道工程為例,盾構(gòu)在兩處穿越斷裂帶,斷裂段中含承壓水,水量豐富,推進(jìn)時(shí)易造成泥水逃溢,導(dǎo)致開挖面失穩(wěn),隧道穩(wěn)定控制難度大。采取措施如下:

        ⑴首先,需要通過補(bǔ)勘等方式探明斷裂帶的產(chǎn)狀、破碎程度、填充物、含水狀況等,從而對盾構(gòu)機(jī)配置及是否需要預(yù)處理等提供依據(jù)。若斷裂帶破碎嚴(yán)重、含水量大且水壓高,則需要對其進(jìn)行注漿加固預(yù)處理,若條件允許,首選地面開孔注漿加固,若無地面注漿加固條件,可通過盾構(gòu)機(jī)配置的超前鉆探和注漿裝置,對盾構(gòu)前方地層情況進(jìn)行預(yù)判,在穿越碎裂帶巖層進(jìn)行鉆孔超前注漿。

        ⑵在排泥管吸口設(shè)置格柵,并配置高性能顎式破碎機(jī),可將切削下來的大塊石塊破碎至20 cm以內(nèi),從而避免石塊留滯在泥水倉,造成滯排或堵塞吸口。

        ⑶盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)采用自動(dòng)加壓系統(tǒng)。盾尾密封系統(tǒng)可承受高水壓能力,采用4 道鋼絲刷和1 道鋼板刷密封形式,如圖6 所示。盾尾油脂采用壓注量和壓力雙控系統(tǒng),有效防止產(chǎn)生滲漏。

        圖6 盾尾密封示意圖Fig.6 Diagram of Shield Tail Seal

        ⑷盾構(gòu)掘進(jìn)中嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)范圍,將其制在(-0.05)bar~(+0.05)bar 內(nèi),保證正面穩(wěn)定。合理設(shè)定推進(jìn)速度,保證掘進(jìn)穩(wěn)定同時(shí),注意刀盤扭矩、推力等參數(shù)的變化。當(dāng)發(fā)現(xiàn)泥漿損失量很大,在不降低開挖面水壓下能進(jìn)行推進(jìn),則向前推進(jìn)(并使用堵漏型泥水材料),應(yīng)適當(dāng)加快推進(jìn)速度,提高拼裝效率,使盾構(gòu)盡早穿過斷裂帶。

        3.2.4 盾構(gòu)穿越孤石地層

        盾構(gòu)穿越孤石地層易出現(xiàn)刀具損壞(因磕碰出現(xiàn)缺損甚至掉落或磨損)、卡刀盤、孤石隨著刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)從而對地層帶來較大擾動(dòng)等問題。采用的有效手段為首先對孤石進(jìn)行探測,明確其位置和大小。若孤石較小,能夠從刀盤開口通過,則不需要額外處理,可通過在排泥管吸口處的高性能破碎機(jī)予以破除后通過吸口格柵,并在排泥泵前安裝捕石器,予以清除。若孤石尺寸過大,不能通過刀盤開口,則需要在穿越前預(yù)先進(jìn)行處理。以珠海馬騮洲交通隧道為例,盾構(gòu)掘進(jìn)斷面內(nèi)位于軟硬不均地層中,存在大量的孤石,采取如下措施:

        ⑴在盾構(gòu)機(jī)上加裝SSP 超前探測裝置(見圖7),對盾構(gòu)開挖面前方孤石進(jìn)行探測,SSP 探測精度為刀盤前40 m,直徑大于800 mm 的障礙物。并結(jié)合鉆孔探測的方式對疑似孤石點(diǎn)和基巖突起進(jìn)行確認(rèn)。

        圖7 SSP安裝位置示意圖Fig.7 SSP Installation Position Diagram

        ⑵采取全回轉(zhuǎn)清障、定點(diǎn)爆破等方式對盾構(gòu)斷面內(nèi)的孤石進(jìn)行清除。定點(diǎn)爆破采用深孔控制爆破技術(shù),可將破碎后的石塊控制在10 cm以內(nèi),從而滿足盾構(gòu)切削及排渣要求。若盾構(gòu)機(jī)開挖面出現(xiàn)了未探測到的孤石,則采用氣壓法人工進(jìn)倉清障的方式,清除刀盤前的孤石。

        ⑶為保證盾構(gòu)順利穿越孤石(經(jīng)預(yù)處理后),盾構(gòu)機(jī)設(shè)置滾刀以提高破巖能力,并且安裝刀具磨損檢測裝置,及時(shí)進(jìn)行刀具磨損檢測并更換“病刀”。

        4 結(jié)語與展望

        泥水盾構(gòu)作為城市交通系統(tǒng)的利器,在城市跨江跨河工程項(xiàng)目中起到了舉足輕重的作用。本文先簡要介紹了泥水盾構(gòu)的施工現(xiàn)狀與挑戰(zhàn),然后基于多年參與過的泥水盾構(gòu)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了目前泥水盾構(gòu)隧道施工過程中遇到的一些重難點(diǎn)問題,并對解決重難點(diǎn)問題提供了對應(yīng)的施工方案措施與建議,以期對今后泥水盾構(gòu)施工項(xiàng)目的發(fā)展提供借鑒和參考。除了上述總結(jié)之外,對于泥水盾構(gòu)的發(fā)展,提出幾點(diǎn)展望,希望為相關(guān)行業(yè)的研究人員提供研究的思路:

        ⑴泥水盾構(gòu)隧道經(jīng)常處于江河等水底下進(jìn)行作業(yè),現(xiàn)存在部分方面的監(jiān)測無法像土壓平衡盾構(gòu)一樣進(jìn)行直接監(jiān)測,但是其隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對于施工有著巨大指導(dǎo)意義。做到巖層-機(jī)器相互作用智能感知是今后水下隧道需要突破的方向;

        ⑵泥水盾構(gòu)的施工環(huán)境存在大量的特殊復(fù)雜地層,掘進(jìn)后的復(fù)雜地層渣土如何進(jìn)行利用,給現(xiàn)在提倡的綠色施工和渣土再利用帶來一定的困難。如何快速高效地處理好泥水盾構(gòu)的渣土是亟需解決的問題,也是支撐城市綠色、低碳發(fā)展的重要路徑;

        ⑶當(dāng)泥水盾構(gòu)遇到地層復(fù)雜、臨近結(jié)構(gòu)敏感、生態(tài)環(huán)保要求高等問題時(shí),抓住信息化社會(huì)帶來的機(jī)遇,跟隨創(chuàng)新科技技術(shù)的發(fā)展,通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、5G 大數(shù)據(jù)等相結(jié)合的方式,推進(jìn)泥水盾構(gòu)數(shù)字化建造是今后的重要方向。

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