馬潤韜,李永森
(1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510330;2、中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361021)
廣州地區(qū)主要包括以粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主的紅層以及花崗巖地層、灰?guī)r地層三大類地層,地層種類復(fù)雜,在國內(nèi)一直有“地質(zhì)博物館”的稱號。廣州地鐵某區(qū)間涵蓋了廣州地區(qū)三大類地層,部分地段因地面原因無法進(jìn)行詳細(xì)勘探,該區(qū)間在廣深地區(qū)盾構(gòu)施工中具有一定代表性,在施工時合理選擇盾構(gòu)機(jī)配置,及時預(yù)判風(fēng)險尤為重要。
針對該區(qū)間自有的特殊性及周邊環(huán)境的復(fù)雜性,結(jié)合以往設(shè)備選型、開倉換刀、盾構(gòu)機(jī)常見故障及裝備制造技術(shù)的提高,該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)成功運用了土倉可視化系統(tǒng),確保了盾構(gòu)施工的順利,大大提高了盾構(gòu)機(jī)在廣州地區(qū)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性[1]。
該區(qū)間從1 號車站主要經(jīng)廣州中醫(yī)藥大學(xué)校區(qū)、下穿飛鵝西路、桂花崗小學(xué)、廣州市雕塑公園,在下塘西路東側(cè)設(shè)置中間風(fēng)井,最后下穿廣州某高爾夫練習(xí)場到達(dá)2號車站。左線長約2 147 m,右線長約2 166 m,隧頂埋深13.0~65.4 m,最小曲線半徑R=545 m,最大縱坡2.8%,隧道襯砌采用左右轉(zhuǎn)彎+直線環(huán)錯縫拼裝,管片內(nèi)徑?5 800 mm,外徑為?6 400 mm,厚度為300 mm,環(huán)寬為1 500 mm。
⑴地質(zhì)情況復(fù)雜:主要以灰?guī)r、花崗巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,灰?guī)r段地層溶(土)洞發(fā)育,見洞率約50%,微風(fēng)化混合花崗巖將近1 km,最大巖石強(qiáng)度167 MPa,地層變化大,施工風(fēng)險高。
⑵穿越兩條斷裂帶:區(qū)間穿越麓湖斷裂帶與廣從斷裂帶,斷裂帶含水量較大,地層破碎,地面分布既有建構(gòu)筑物,施工過程控制難度大。
⑶穿越既有線及穿越建構(gòu)筑物:上跨地鐵11 號線,2 次下穿既有鐵路,穿越建構(gòu)筑物64 棟,沉降控制要求高。
結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件,盾構(gòu)施工需先后穿越泥質(zhì)粉砂巖(紅層)、斷裂帶、全斷面硬巖段、粉細(xì)砂層以及巖溶發(fā)育地層,部分區(qū)域地下水頭落差大,水壓高。盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層掘進(jìn)過程中,如何做到實時掌握土倉內(nèi)渣土改良及刀盤前方掌子面穩(wěn)定情況顯得尤為重要。在盾構(gòu)選型期間,通過多次組織專家會議進(jìn)行研討與論證,為確保能實時掌握土倉及刀盤情況,最終確定在盾構(gòu)土倉隔板頂部錐板安裝攝像頭[2],并與盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)連接,形成一套土倉可視化系統(tǒng),當(dāng)盾構(gòu)以“氣壓輔助模式”[3]掘進(jìn)時,土倉可視化系統(tǒng)可對盾構(gòu)機(jī)的部分掌子面和刀盤進(jìn)行實時視頻監(jiān)控。
本設(shè)計創(chuàng)新思路是通過在土倉隔板頂部錐板處安裝視頻監(jiān)控攝像頭,對攝像頭位置增加可沖洗功能,當(dāng)盾構(gòu)以“氣壓輔助模式”掘進(jìn)時,可通過監(jiān)控視頻實時監(jiān)控刀盤和土倉的工作狀況,包括刀盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、刀具的磨損狀況、開挖地層的圖像信息和渣土的流動特性等,同時可將監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡(luò)實時傳遞給地面[4]。本設(shè)計主要從操作便捷性、盾構(gòu)施工安全性、功能的適用性等角度進(jìn)行考慮,節(jié)省刀盤前段故障率的排除時間,可大大提高施工效率、施工質(zhì)量和安全性,及時掌握施工情況,降低施工風(fēng)險[5]。
⑴該系統(tǒng)主要由上位機(jī)、前端設(shè)備、PLC、水氣閥及其管路等組成,其中前端設(shè)備主要由控制單元、攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、冷卻裝置和殼體等組成,與盾構(gòu)系統(tǒng)集成融合,通過盾構(gòu)操控界面由盾構(gòu)司機(jī)控制,方便快捷,如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)上位機(jī)控制界面Fig.1 Upper Computer Control Interface of the System
⑵可適應(yīng)惡劣的土倉環(huán)境,環(huán)境工作溫度:0~80 ℃;環(huán)境工作濕度:≤70%RH;工作環(huán)境大氣壓力≤3 MPa;環(huán)境因素:黑暗、高溫、高壓、高濕。
⑶可通過土倉可視化系統(tǒng)判斷倉內(nèi)渣土流塑性的改良情況,并實時準(zhǔn)確地調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),有效避免司機(jī)通過參數(shù)界面判斷的盲目和滯后性,大大降低了施工風(fēng)險[6]。
⑷在攝像頭總成件上組裝水/氣管路及補(bǔ)光燈電源及攝像頭線路,涂抹密封膠及安裝O 型圈,利用內(nèi)置沖水裝置沖洗攝像頭鏡面,避免因土倉惡劣環(huán)境造成攝像頭被渣土糊住,系統(tǒng)總成安裝效果如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)總成安裝效果Fig.2 System Assembly Installation Effect
操作便捷,安全性、時效性高的優(yōu)點突出。實時掌握土倉情況及刀盤工作狀況,出現(xiàn)異常時,可以最便捷地找到原因,使用過程效果如圖3所示。具體如下:
圖3 使用過程效果Fig.3 The Process Uses Renderings
⑴穿越紅層時,盾構(gòu)施工參數(shù)(扭矩、推力等)開始出現(xiàn)波動,通過可視化系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)刀盤出現(xiàn)結(jié)泥餅的現(xiàn)象,立即調(diào)整參數(shù)并采用分散劑“泡倉”的措施,情況得到明顯改善。
⑵穿越斷裂帶時,掌子面出水量增大,掌子面出現(xiàn)了坍塌的前兆,盾構(gòu)施工管理人員第一時間發(fā)現(xiàn)并及時調(diào)整了盾構(gòu)施工參數(shù)及土倉壓力,多次避免了該問題的擴(kuò)大[7]。
⑶穿越硬巖地層時,通過可視化系統(tǒng),實時掌握刀具磨損情況,提前選擇換刀地點,大大減少了開倉次數(shù)與開倉風(fēng)險。
實踐證明,該可視化系統(tǒng)的應(yīng)用,可使盾構(gòu)施工過程的問題及風(fēng)險提前得到預(yù)警,將問題結(jié)束在萌芽狀態(tài),降低了施工風(fēng)險;同時也能夠通過可視化系統(tǒng)觀察到同步注漿液是否流入土倉,確保掘進(jìn)同步注漿的質(zhì)量以及避免材料的損失浪費[8]。
盾構(gòu)機(jī)土倉可視化系統(tǒng)的運用,有效克服了盾構(gòu)操作者對地層突變判斷的滯后性,提高了應(yīng)對措施的時效性,有效減少掘進(jìn)過程的不可控因素,最大限度地降低了盾構(gòu)施工安全風(fēng)險和質(zhì)量風(fēng)險,提高了成型隧道的整體線型質(zhì)量,成型隧道質(zhì)量如圖4所示,具體分析對比如表1所示。
圖4 成型隧道效果Fig.4 Forming Tunnel Effect
該項創(chuàng)新設(shè)計適用性強(qiáng),具有較好的技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)效益。尤其在復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工中,通過土倉可視化系統(tǒng)的運用,能夠更加直觀地監(jiān)控地層變化、土倉內(nèi)的渣土改良效果及刀具的磨損情況,從而及時采取針對性的應(yīng)對措施,有效降低了施工風(fēng)險,提高了施工效率;同時通過可視化系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)成型隧道管片壁后同步注漿液是否因流入土倉內(nèi)造成損失而影響隧道防水和造成地面沉降[9],降低施工風(fēng)險的同時,提升了隧道的質(zhì)量并可直接節(jié)省施工成本。接下來將根據(jù)“土倉可視化系統(tǒng)”的運用情況,優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計,提升安裝簡便性并盡量擴(kuò)大土倉可視化范圍,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實用性[10]。