賴國賓

(福州地鐵集團(tuán)有限公司,福建 福州 350009)

城市市政管網(wǎng)鋪設(shè)復(fù)雜,管線改遷難度大,盾構(gòu)施工不可避免的要近距離穿越市政管網(wǎng),如何確保盾構(gòu)近距離安全穿越管線,是地鐵建設(shè)中重要的研究課題,諸多學(xué)者對此問題進(jìn)行了研究。周紹賓、郭佳奇等通過數(shù)值模擬探究了盾構(gòu)下穿箱涵和管線共同溝的結(jié)構(gòu)變形與沉降特征,并提出了有效的加固措施[1];丁位華、劉家軍等通過試驗(yàn)探究了盾構(gòu)穿越污水管時,在隧道管片背后注入克泥效,可以有效控制沉降,保證施工安全[2];王婉婷、黃杉等通過有限差分?jǐn)?shù)值模擬對盾構(gòu)下穿熱力管溝和污水管溝進(jìn)行了動態(tài)模擬,分析了土體和管線的變形并提出了施工控制措施[3]。

本文以福州濱?？炀€閩都站—南公園站盾構(gòu)近距離下穿大直徑污水管道為背景,針對復(fù)雜的工程特點(diǎn),提出了下穿管道的盾構(gòu)機(jī)針對性措施和施工技術(shù)措施,并且結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)證實(shí)了施工技術(shù)的有效性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福州濱海快線閩都站—南公園站區(qū)間左線起終點(diǎn)里程為ZDK6+810.780—ZDK7+800.144,全長989.127 m;右線起終點(diǎn)里程為YDK6+862.780—YDK7+799.660,全長936.880 m。該區(qū)間隧道為全地下盾構(gòu)區(qū)間,隧道施工采用兩臺復(fù)合土壓平衡式盾構(gòu)機(jī),始發(fā)場地均設(shè)在南公園站,從南公園站北端頭向閩都站進(jìn)行掘進(jìn)。

1.2 地質(zhì)水文情況

區(qū)間涉及地層自上而下依次為:雜填土①2、淤泥②4-1、(含泥)中砂②5、淤泥質(zhì)土③4-2;區(qū)間主要穿越(含泥)中砂、淤泥質(zhì)土地層,污水管道位于淤泥地層,左線地質(zhì)如圖1所示。其中(含泥)中砂②5土體主要呈灰黃色,密實(shí)度以稍密—中密為主,部分(含泥)中砂為密實(shí),土體主要成分為中細(xì)粒石英顆粒和云母,大于0.25 mm粒徑含量平均占總質(zhì)量的57.4%,級配良好,分選性較差,粒間含粉黏粒,局部夾薄層淤泥。細(xì)粒土含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))占7.2%～30.7%,平均值為21.58%。地層為復(fù)雜軟弱地質(zhì),盾構(gòu)掘進(jìn)施工地層敏感性大。

(含泥)中砂地層水位較高,盾構(gòu)施工范圍內(nèi)主要受該承壓水層影響,該承壓水層與地表水聯(lián)系較弱,主要受相鄰含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給并向相鄰含水層滲流排泄,地下水位隨季節(jié)變化較大,水位變化幅度一般為1 m～3 m。由于軟土具有含水量大、壓縮性大、強(qiáng)度低、靈敏度高和易觸變等特點(diǎn),盾構(gòu)施工時,如處理不當(dāng),容易引起地表不均勻沉降,導(dǎo)致市政管線、路面和建筑物等開裂,對盾構(gòu)經(jīng)過的區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,造成難以預(yù)計(jì)的后果。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)后25 m,即里程ZDK7+793.1,YDK7+771.2附近下穿DN1 800污水管,污水管道為混凝土材質(zhì),管節(jié)2.5 m,污水管道與區(qū)間隧道夾角約為82°,管道底距隧道頂豎向凈距為1.55 m,污水管位于②4-1淤泥地層中,盾構(gòu)穿越地層為②6-1粉土層,②5富水含泥中砂地層,DN1 800污水管與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系見圖2,面臨的施工風(fēng)險(xiǎn)如下:

1)隧道上部土體較為軟弱,盾構(gòu)施工過程有可能造成上方土體變形,影響污水管道的安全。

2)該條污水管道管徑大、埋深大,且橫穿交通干道,一旦造成破壞,不易修復(fù),易造成路面塌陷、人員傷害等負(fù)面社會影響。

3 復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)研發(fā)

3.1 盾構(gòu)機(jī)選型

鑒于區(qū)間工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等特殊情況,盾構(gòu)機(jī)必須具有對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和含泥中砂地層施工的適應(yīng)性;具備安全穿越樁基礎(chǔ)地下管線,確保建(構(gòu))筑物和管線安全的能力,故本工程使用的盾構(gòu)機(jī)為中鐵裝備復(fù)合土壓平衡式盾構(gòu)機(jī),可以設(shè)定可行合理的土倉壓力,根據(jù)地表沉降監(jiān)測結(jié)果控制好排渣量調(diào)整土倉壓力;設(shè)備配置高扭矩、高推力等參數(shù),能夠減小施工中沉降的產(chǎn)生概率。

盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為8 630 mm,刀盤為復(fù)合式刀盤,采用長度1 800 mm,外徑8 300 mm、內(nèi)徑7 500 mm管片,盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

3.2 盾構(gòu)機(jī)改進(jìn)工藝

3.2.1 掌子面輔助支撐系統(tǒng)

由于隧道斷面大,尤其是在沉降控制嚴(yán)格地段,為避免掘進(jìn)過程中隧道頂部擾動,設(shè)計(jì)了膨潤土保壓系統(tǒng),主要功能為:

1)在拱頂和前方掌子面中滲入從土倉頂部添加的膨潤土,從而形成泥膜隔離層,起到承受外部壓力的支撐作用。

2)膨潤土具有強(qiáng)的吸濕性和膨脹性,具有良好的止水效果,可以隔離地下水,確保渣土改良措施的應(yīng)用效果,避免發(fā)生噴涌現(xiàn)象[4]。

3.2.2 濃泥漿系統(tǒng)

前盾頂部設(shè)置濃泥漿/克泥效注入口,必要時注入濃泥漿/克泥效,防止拱頂坍塌[5]。

3.2.3 土倉頂部坍塌檢測系統(tǒng)

盾體頂部設(shè)置有可以在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中伸出的油缸,保持壓力,如果有坍塌,壓力就會隨之改變。此系統(tǒng)具備實(shí)時監(jiān)測功能,可以通過數(shù)據(jù)反映盾構(gòu)頂部圍巖受擾動程度,從而為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整提供一定的參考。

3.2.4 同步砂漿稱重系統(tǒng)

同步砂漿稱重系統(tǒng)可以實(shí)時檢測盾構(gòu)掘進(jìn)過程中每一環(huán)的注漿量,并將重量直接顯示在主控室中。此系統(tǒng)能夠確?？傋{量達(dá)到預(yù)設(shè)值,同時避免由于注漿量不足引起的沉降。

4 下穿污水管道施工技術(shù)措施

本盾構(gòu)區(qū)間與直徑為1 800 mm的大直徑污水管道凈距僅為1.55 m,且盾構(gòu)隧道上部土體較為軟弱,施工條件復(fù)雜,要嚴(yán)格按照“壓力合理、快速掘進(jìn)、注漿充分、嚴(yán)密監(jiān)測、快速反饋、預(yù)案恰當(dāng)”的施工原則,采用“管線預(yù)加固”和“盾構(gòu)安全、連續(xù)、快速均衡通過管線”的施工方法。

4.1 地面預(yù)注漿加固措施

在盾構(gòu)穿越前完成地面預(yù)注漿加固,注漿管采用袖閥管,漿液采用水泥漿,注漿鉆孔直徑91 mm,袖閥管外徑52 mm,首次注漿采用水泥漿(水灰質(zhì)量比0.5～1.0),在污水管兩側(cè)按孔間距1.5 m,距離管線兩側(cè)邊緣0.5 m布置單排袖閥管注漿孔,如圖3所示,孔深約10 m(污水管線底下1 m),污水管加固范圍為隧道開挖邊線外10 m范圍,壓力0.5 MPa～1.0 MPa,并密切關(guān)注管線記錄沉降變形數(shù)據(jù),其后跟蹤注漿視實(shí)際情況決定采用水泥漿或雙液漿,且跟蹤注漿應(yīng)在盾尾通過至少2環(huán)后開始。

4.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)控制措施

4.2.1 碴土改良措施

盾構(gòu)下穿污水管道時,注入膨潤土泥漿進(jìn)行碴土改良,提高土體流塑性、止水性和防黏附性,利于螺旋輸送機(jī)排土,利于穩(wěn)定開挖面,控制地表沉降。

在此次盾構(gòu)下穿掘進(jìn)中,膨潤土泥漿和水配比為膨潤土∶水=140∶1 000,選擇優(yōu)質(zhì)的鈉基膨潤土,膨脹倍數(shù)大、黏結(jié)性強(qiáng)、可塑性高,膨化時間應(yīng)在8 h以上;選用發(fā)泡率較高、止水性較好的泡沫,使碴土具有良好的土壓平衡效果,降低刀盤扭矩和螺旋輸送機(jī)扭矩,減少對刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損,提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

4.2.2 出土量控制

盾構(gòu)下穿污水管道時要加強(qiáng)對出土量的管理,出土過程中對碴土體積進(jìn)行重量復(fù)核,確保實(shí)際出土量在理論出土量的98%～100%之間。理論出土量計(jì)算公式如式(1)所示[6-7]:

(1)

其中,D為刀盤直徑;L為管片寬度;S為松散系數(shù)。

本工程中管片環(huán)寬1.8 m,每環(huán)理論出土量為136.8 m3,實(shí)際出土量保持在136 m3,偏差量為±2 m3。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,嚴(yán)格按照此標(biāo)準(zhǔn)控制出土量,以減小地層損失率,保證盾構(gòu)掘進(jìn)中開挖面的穩(wěn)定。

4.2.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制及調(diào)整

盾構(gòu)下穿污水管前通過人工復(fù)測和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)導(dǎo)向系統(tǒng)測量等方式調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài),確保盾構(gòu)機(jī)以設(shè)計(jì)姿態(tài)下穿污水管道。盾構(gòu)下穿污水管過程中,掘進(jìn)速度每分鐘保持在20 mm～30 mm,通過預(yù)估管片上浮量,盾構(gòu)機(jī)垂直方向姿態(tài)控制在-20 mm～-30 mm,水平方向姿態(tài)控制在-10 mm～+10 mm,遇到管片上浮較大的情況,垂直偏差可以適當(dāng)調(diào)大,控制在-30 mm～-40 mm。

盾構(gòu)趨勢調(diào)節(jié)時不能急糾、也不能猛糾,糾偏要做到“勤糾偏”“小糾偏”“不超限”,掘進(jìn)過程中進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整要確保管片質(zhì)量和盾尾間隙,不能破壞管片,保證地鐵隧道的工程質(zhì)量。

4.2.4 同步注漿及二次注漿

盾構(gòu)下穿污水管段壁厚注漿分為同步注漿和二次注漿。同步注漿是保證污水管道運(yùn)行的重要一環(huán),通過填充盾尾空隙,穩(wěn)固管片與周圍土體,保持盾構(gòu)隧道的安全與穩(wěn)定。盾構(gòu)施工時,使用結(jié)實(shí)率高、耐久性好的水泥砂漿進(jìn)行注漿,同步注漿漿液配合比如表2所示。在下穿污水管道時,要增加注漿量,控制注漿壓力,減少凝結(jié)時間,將同步注漿壓力控制在0.2 MPa～0.5 MPa,初凝時間控制在6 h內(nèi)。

表2 同步注漿漿液配合比

盾構(gòu)通過污水管道后,根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),對污水管道影響的前后各5環(huán)管片,和沉降單次變化速率超過3 mm的部位,采用水泥漿與水玻璃1∶1拌制而成的雙漿液,通過吊裝孔注入進(jìn)行二次補(bǔ)漿,注漿壓力控制在0.2 MPa～0.4 MPa,迫使管片向指定方向產(chǎn)生位移,確保隧道穩(wěn)定,控制地面沉降。

4.2.5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)下穿污水管道時的推力、扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)見表3,在掘進(jìn)過程中通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果及時調(diào)整土倉壓力、注漿量和掘進(jìn)速度等參數(shù),將地表變形控制在允許的范圍內(nèi)。

表3 盾構(gòu)下穿污水管掘進(jìn)參數(shù)表

5 監(jiān)測結(jié)果分析

在盾構(gòu)區(qū)間左線下穿直徑DN1 800 mm污水管時,對地表沉降和管線沉降進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測頻率為1次/d,遇到超過預(yù)警值或異常情況時,加密監(jiān)測頻率。

5.1 測點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測點(diǎn)按照與盾構(gòu)軸線正交的監(jiān)測斷面形式布置,以盾構(gòu)區(qū)間兩條軸線為中心,向左右兩側(cè)展開布置監(jiān)測點(diǎn),上下行線之間存在沉降區(qū)的疊加,疊加區(qū)域點(diǎn)位布置在同一點(diǎn)上,下行線監(jiān)測完畢后繼續(xù)在上行線穿越時進(jìn)行監(jiān)測?？v向監(jiān)測點(diǎn)自盾構(gòu)始發(fā)段、接收段,每5 m(2環(huán)—3環(huán))布置一個監(jiān)測點(diǎn)。橫向監(jiān)測點(diǎn)自盾構(gòu)始發(fā)段和接收段每30 m設(shè)一個監(jiān)測斷面,一個監(jiān)測斷面每個橫斷面布設(shè)6個～10個點(diǎn)。污水管線附近監(jiān)測點(diǎn)見圖4。

5.2 管線沉降

選取DN1 800污水管上的四個監(jiān)測點(diǎn),管線沉降曲線如圖5所示,刀盤到達(dá)掌子面對土體產(chǎn)生擾動,經(jīng)過調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿和二次注漿等措施,管線監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。由圖5可知,沉降值均在-7 mm～4 mm之間,污水管最大沉降值為-6.33 mm,均未超過預(yù)警值。

5.3 地表沉降

選取DN1 800污水管附近的地表沉降監(jiān)測點(diǎn),地表沉降曲線如圖6所示。由圖6可知,沉降值均在-12.5 mm～7.5 mm之間,盾構(gòu)經(jīng)過及盾尾脫出時變形較大,地表最大沉降位于盾構(gòu)隧道正上方,值為-10.85 mm,結(jié)合監(jiān)測發(fā)出的預(yù)警信息,及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),按照預(yù)定方案進(jìn)行二次補(bǔ)漿,地表沉降趨于穩(wěn)定,保證了盾構(gòu)穿越的安全。

6 結(jié)論

本文以福州濱?？炀€閩都站—南公園站區(qū)間盾構(gòu)為工程依托,詳細(xì)介紹了盾構(gòu)機(jī)針對性的設(shè)計(jì)和下穿污水管道施工技術(shù)措施,結(jié)合施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù),得到了以下結(jié)論:1)針對不同的工程地質(zhì)條件,要合理選擇盾構(gòu)機(jī),通過增加掌子面輔助支撐、濃泥漿和土倉頂部坍塌檢測等系統(tǒng),可以有效的控制沉降。2)對于盾構(gòu)近距離下穿大直徑污水管,盾構(gòu)下穿前采取地面預(yù)注漿加固措施,盾構(gòu)下穿管線過程中采取碴土改良、出土量控制、盾構(gòu)姿態(tài)控制和同步注漿等措施,并及時進(jìn)行二次補(bǔ)漿,保證管線運(yùn)行的正常和盾構(gòu)掘進(jìn)的安全。3)通過對盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的地表、管線和建筑物進(jìn)行監(jiān)測,為盾構(gòu)施工提供數(shù)據(jù)支撐,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)修正掘進(jìn)參數(shù),及時采取加固措施消除隱患,避免事故的發(fā)生。