郭守志

(中鐵十四局大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 210000)

1 引言

當(dāng)前，盾構(gòu)法施工已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域，并向著大埋深、大斷面、長距離方向發(fā)展[1]。渣土滯排是盾構(gòu)施工過程中常見問題之一。竺維彬等[2-3]基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對盾構(gòu)施工滯排的分類、風(fēng)險(xiǎn)、原因及對策等進(jìn)行總結(jié)和分析，提出泥水盾構(gòu)施工滯排分為刀盤前滯排、泥水艙內(nèi)滯排、出渣系統(tǒng)排泥管滯排，并給出響應(yīng)解決措施。滯排可導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)械部件損壞、盾構(gòu)掘進(jìn)困難、擠壓或超挖土體，甚至引發(fā)塌方或隆起等事故。而滯排的渣土?xí)鸲軜?gòu)掘進(jìn)參數(shù)，尤其是泥水參數(shù)的異常，泥水循環(huán)系統(tǒng)管路(特別是彎管和格柵)一旦被堵塞，會出現(xiàn)瞬間高壓，高壓力泥水會形成“水錘”破壞掌子面平衡[4-5]。

本文依托盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，利用數(shù)據(jù)分析泥水盾構(gòu)滯排原因及解決措施，構(gòu)建滯排預(yù)警模型并在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證。

2 基于泥水系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)的滯排現(xiàn)象描述

以南京某過江通道工程項(xiàng)目為例，通過泥水系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)對滯排現(xiàn)象進(jìn)行描述。

該工程管片外徑為14.5 m，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，穿越地層可分為全基巖斷面、土巖復(fù)合斷面。其中江北和穿江段以土層為主，江南段主要為泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖、砂礫巖、角礫巖，巖石強(qiáng)度差異大，局部發(fā)育破碎。角礫巖的礫石成分中含灰?guī)r；中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為軟巖；中風(fēng)化含礫砂巖、砂礫巖為軟巖、較軟巖；中風(fēng)化角礫巖為較硬巖。各巖層全～強(qiáng)風(fēng)化帶較發(fā)育，厚度不等，均具有易軟化崩解的特性。

2.1 非滯排狀態(tài)

根據(jù)泥水盾構(gòu)施工平衡經(jīng)驗(yàn)公式[6-10]:

式中:Paxe為開挖艙軸部支撐壓力；Pair為氣泡艙氣體壓力；ρ為泥漿密度；g為重力加速度；H為氣泡艙液位；R為盾構(gòu)半徑。

故當(dāng)氣泡艙液位為0時(shí)，氣泡艙壓力≈(略大于)開挖艙軸部壓力≈(略大于)開挖艙頂部壓力＋開挖直徑×0.5/10 bar(泥漿密度大于1，重力加速度取10)。施工過程中氣泡艙液位會有所波動，不能時(shí)刻維持在0位，但各壓力數(shù)值變化趨勢相對穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 非滯排狀態(tài)泥水系統(tǒng)壓力變化情況

圖1為1～893環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)，掘進(jìn)過程中無明顯滯排現(xiàn)象，泥水系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)符合盾構(gòu)施工平衡原理；隨著隧道埋深和穿越構(gòu)筑物變化情況泥水壓力數(shù)據(jù)呈上升趨勢，但總體表現(xiàn)為相對平行的穩(wěn)定關(guān)系。

2.2 開挖艙滯排

開挖艙滯排會打破原有的相對穩(wěn)定關(guān)系，使得開挖艙內(nèi)各項(xiàng)壓力值變大，如圖2所示。

圖2 開挖艙滯排狀態(tài)泥水系統(tǒng)壓力變化情況

圖2為935～946環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)，掘進(jìn)過程中，945環(huán)存在一定滯排現(xiàn)象，導(dǎo)致開挖艙軸部壓力波動較大，且明顯高于氣泡艙壓力；開挖艙頂部壓力也隨之變大。

2.3 泥水艙格柵處滯排

泥水循環(huán)系統(tǒng)格柵擁堵時(shí)，盾構(gòu)機(jī)排漿泵吸口壓力會驟降甚至可能形成負(fù)壓，如圖3所示。

圖3 泥水艙格柵處滯排P2.1排漿泵吸口壓力變化情況

圖3為935～946環(huán)P2.1排漿泵吸口壓力數(shù)據(jù)。同上，945環(huán)存在滯排現(xiàn)象，格柵處滯堵，排漿泵吸口壓力明顯下降。

3 基于泥水系統(tǒng)壓力差變化的滯排預(yù)警模型

一般來講，氣泡艙配備保壓系統(tǒng)，其壓力值較穩(wěn)定，故取氣泡艙壓力作為基準(zhǔn)壓力。另由上述內(nèi)容可知，滯排現(xiàn)象的發(fā)生可能會導(dǎo)致開挖艙壓力上升以及P2.1排漿泵吸口壓力的下降。通過比較氣泡艙壓力與開挖艙壓力及排漿泵吸口壓力，基于兩個(gè)壓力差的變化情況，可從一定程度上反映泥水系統(tǒng)滯排現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 基于泥水系統(tǒng)壓力差變化的滯排現(xiàn)象描述

從圖4可以看出，滯排現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，氣泡艙壓力與開挖艙軸部壓力差值變小、與排漿泵吸口壓力差值變大，兩個(gè)壓力差值呈現(xiàn)出明顯的反向變化，這說明泥水艙格柵處以及開挖艙內(nèi)均存在滯排跡象。

3.1 確定滯排模型閾值范圍

根據(jù)式(1)以及連通器原理[11-12]，可得:

式中:Psuction為P2.1排漿泵吸口壓力；Pair為氣泡艙氣體壓力；ρ為泥漿密度；g為重力加速度；H為氣泡艙液位；hc為P2.1排漿泵吸口管路中心相對于盾體底部的安裝高度。

故當(dāng)氣泡艙液位為0時(shí)，氣泡艙壓力-開挖艙軸部壓力≈(略大于)0 bar；另外，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力≈(略小于)氣泡艙中心與P2.1排漿泵吸口中心的高度差/10 bar(泥漿密度大于1，重力加速度取10)。該工程盾構(gòu)機(jī)兩者的高度差為5.5 m，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力≈(略小于)0.55 bar。

對本項(xiàng)目及另外兩個(gè)項(xiàng)目滯排現(xiàn)象發(fā)生時(shí)兩個(gè)壓力差值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

表1 泥水系統(tǒng)壓力差值統(tǒng)計(jì)分析

3.2 滯排預(yù)警模型規(guī)則

首先根據(jù)盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)獲取泥水系統(tǒng)壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1結(jié)果，結(jié)合考慮容錯、避免預(yù)警信息濫報(bào)，取表2閾值作為控制線進(jìn)行預(yù)警。

表2 滯排預(yù)警模型規(guī)則

4 基于泥水系統(tǒng)壓力差變化的滯排預(yù)警模型應(yīng)用及驗(yàn)證

杭州某過江通道項(xiàng)目，管片外徑為14.5 m，主要涉及地層為:砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土等，其中各類黏土占比56.05%。

基于上述壓力差變化的盾構(gòu)滯排預(yù)警模型，利用盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)對杭州項(xiàng)目滯排風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。

如圖5所示，158環(huán)之前，氣泡艙壓力-P2.1排漿泵吸口壓力數(shù)值≥2 bar，但氣泡艙壓力-開挖艙軸部壓力數(shù)值＞-0.5 bar。根據(jù)滯排預(yù)警模型，說明存在Ⅱ級滯排風(fēng)險(xiǎn)，且泥水艙格柵處滯堵較為嚴(yán)重，但開挖艙內(nèi)無明顯滯排跡象。

圖5 杭州某項(xiàng)目滯排預(yù)警模型應(yīng)用及數(shù)據(jù)驗(yàn)證

依據(jù)預(yù)警信息采取措施[13-14]，將格柵拆除，并對底部淤積渣土進(jìn)行清理。158環(huán)后滯排現(xiàn)象明顯改善，氣泡艙壓力與P2.1泵吸口壓力差值在1 bar控制線內(nèi)。但推進(jìn)兩環(huán)后吸口處仍存在一定程度的滯排現(xiàn)象，與其掘進(jìn)地層情況相關(guān)，需采取其他措施進(jìn)行應(yīng)對。

5 結(jié)論與討論

(1)本文根據(jù)泥水盾構(gòu)施工平衡原理分析滯排發(fā)生時(shí)泥水系統(tǒng)各壓力數(shù)據(jù)的變化情況。

(2)以氣泡艙壓力為基準(zhǔn)，依據(jù)開挖艙軸部壓力和P2.1排漿泵吸口壓力差值變化情況，通過統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立基于壓力差值變化的滯排預(yù)警模型。

(3)結(jié)合盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，對杭州某項(xiàng)目滯排風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)警，為施工決策提供有力參考。

該滯排預(yù)警模型完全基于泥水盾構(gòu)施工平衡原理和壓力變化，未充分考慮不同地質(zhì)情況，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中仍需對模型控制閾值進(jìn)一步調(diào)整，以確保預(yù)警準(zhǔn)確。另外，滯排現(xiàn)象發(fā)生除使泥水壓力產(chǎn)生變化外，通常還伴隨其他掘進(jìn)參數(shù)的變化，后續(xù)可融合掘進(jìn)參數(shù)，進(jìn)一步提高預(yù)警精度。