填海區(qū)富水砂層下覆基巖混合斷面盾構(gòu)施工技術(shù)

王朝義

(中國中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

填海區(qū)富水砂層下覆基巖混合斷面盾構(gòu)施工技術(shù)

王朝義

(中國中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

結(jié)合深圳地鐵2號線工程實例，詳細(xì)介紹了填海區(qū)地鐵盾構(gòu)通過高強度基巖地質(zhì)區(qū)域的施工技術(shù)，對盾構(gòu)掘進過程中遇到基巖地層加固、開倉換刀、盾構(gòu)掘進等處理措施進行了全面闡述。采用洞內(nèi)、地面注漿加固，完成常壓進倉進行刀具檢查更換。盾構(gòu)過基巖隆起區(qū)合理控制掘進參數(shù)并采取必要的輔助措施，通過盾構(gòu)機掘進過程中對關(guān)鍵參數(shù)的控制，加強了對刀具的保護，順利通過了單軸抗壓強度高達(dá)110 MPa的38.4 m基巖隆起區(qū)。

盾構(gòu)掘進 富水砂層 高強度基巖 參數(shù)控制

隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)，盾構(gòu)工法以其機械化程度高、施工速度快、安全可靠性高等優(yōu)勢在我國得到了普及型推廣。但是盾構(gòu)機由于自身的天然缺陷，其地質(zhì)適應(yīng)性太差，對掘進地層變化非常敏感，在區(qū)間隧道掘進過程中遇到地質(zhì)情況突變，面臨兩大難題:一是根據(jù)原有地質(zhì)資料配置的刀具難以滿足掘進需要，需要解決刀具更換的問題;二是需要解決如何通過軟硬不均地層的問題。

1 工程概況

深圳地鐵2號線科苑站—紅樹灣站盾構(gòu)區(qū)間左線盾構(gòu)機在518環(huán)(盾構(gòu)機所處位置地面為沙河高爾夫球會人工湖邊，前體與刀盤位于岸邊，中體和盾尾位于湖水下，岸邊為沙河高爾夫球會球道發(fā)球臺處)掘進過程中遇到近40 m高強度基巖，屬粗?；◢弾r，微風(fēng)化巖最高凸入隧道開挖限界3.7 m，飽和狀態(tài)下最大單軸抗壓強度超過110 MPa，地質(zhì)斷面圖見圖1。施工過程采用地面注漿加固并輔助降水后，盾構(gòu)機直接破巖通過。

2 施工技術(shù)難點

1)始發(fā)的刀具配置為滾刀+中心羊角刀，僅僅考慮了破除局部孤石的需要，且已經(jīng)掘進了近800 m，刀具的現(xiàn)狀不具備直接通過基巖區(qū)的能力，必須就地檢查更換刀具。

2)現(xiàn)場不具備常壓開倉或壓氣作業(yè)條件，場地為填海區(qū)，地質(zhì)情況特殊，微風(fēng)化花崗巖與砂層間過渡不明顯，加固地層受潮汐影響明顯，動壓富水地層，常規(guī)加固工藝難以保證地層加固質(zhì)量。

3)盾構(gòu)機停機位置地面為高爾夫球場的球臺，地面加固占地、施工物資設(shè)備進出、人員進出、作業(yè)時間協(xié)調(diào)困難。

4)典型的上硬下軟地層掘進參數(shù)難以控制，無法確保地面安全。

圖1 地質(zhì)斷面(高程單位:m)

3 主要技術(shù)措施

3.1 設(shè)備保護

1)刀盤回縮:盾構(gòu)機在硬巖段掘進主要破巖機理在于滾刀對圍巖的碾壓破碎，掘進過程中往往出現(xiàn)偏磨、崩裂等非正常磨損，滾刀劃過的軌跡深淺不一，此時掌子面并不平整，部分刀具在實施換刀之前已嵌入巖面之中，須采取措施將刀盤回縮至少50 mm，給換刀作業(yè)留出必要的空間，以避免換刀時刀具拆卸困難，以及換刀后刀盤啟動時貫入度過大而導(dǎo)致崩刀。刀盤回縮的具體措施是:①盾尾鉸接設(shè)置為放松狀態(tài)，盾構(gòu)機推進使鉸接伸長至120 mm;②在盾尾間隙內(nèi)塞入木楔子，關(guān)閉PLC，在尾盾上緊貼管片端面焊接鋼擋塊;③每次放松千斤頂10～20 mm，正常情況下盾體在土倉壓力下會回縮;④累計回縮50 mm即可，如果回縮量不足，可通過泡沫管向刀盤內(nèi)注入泡沫，增大土倉壓力，進行回頂。⑤回縮過程中密切關(guān)注土倉壓力，確保土壓平衡，避免地面塌陷。

2)盾體保護:通過前盾和中盾處球閥注入聚氨酯來保護整個盾體。通過氣動泵將聚氨酯注入盾體內(nèi)，每個孔注3桶，共13個孔。完成后注入黃油以潤滑盾體，并保證聚氨酯的效果?？膳c螺旋輸送機保護方案同時進行。

3)主軸承密封保護:采用惰性漿液填充土倉。采用同步注漿泵，由土倉上部預(yù)留孔注入水泥砂漿。注入過程中，由下至上打開倉壁上各個預(yù)留孔，進行泄壓并觀察填充情況，以保證填充效果。整個過程中通過土倉內(nèi)土壓傳感器嚴(yán)格控制倉內(nèi)壓力，不超過0.35 MPa。水泥砂漿配比為水泥∶膨潤土∶砂∶水=400∶300∶700∶560，根據(jù)試驗結(jié)果初凝時間為14 h。

3.2 地層加固

基巖段地層表現(xiàn)為上軟下硬，不同類別圍巖單軸抗壓強度相差過于懸殊，其差值在20～110 MPa，巖面在縱橫斷面上均存在較大的起伏。盾構(gòu)掘進通過時可能由于下部基巖強度高，掘進效率低，長時間原位轉(zhuǎn)刀盤導(dǎo)致對軟弱圍巖的過分?jǐn)_動而失穩(wěn)，刀盤頂部地層被嚴(yán)重掏空，上部地層將會形成一個以刀盤為中心的漏斗狀塌空區(qū)，強行掘進可能導(dǎo)致掘進過程中地面連續(xù)坍塌。必須采取有效的措施對軟弱地層進行必要的加固處理，增強地層本身的自穩(wěn)能力。

1)微型樁配合袖閥管注漿:填海區(qū)砂層動壓富水，地層加固過程中容易出現(xiàn)塌孔、堵管，漿液進入地層后受動水影響，配比變化大，擴散無規(guī)律等。采用微型樁強制成樁施工注漿帷幕再在內(nèi)部區(qū)域配合進行袖閥管注漿有效地解決了類似地層注漿加固費工費時的問題，保證了加固質(zhì)量。

2)洞內(nèi)水平注漿:在完成密封保護后，開始實施水平注漿，注漿范圍為倉壁4點、8點位以上10個超前注漿孔，注漿深度為8 m，確保注漿直接加固范圍達(dá)到掌子面前方3 m。

3.3 開倉換刀

1)從土倉閘門開始，對土倉的土體進行清理。

2)清理刀盤正面:將土倉內(nèi)換填的砂漿清理干凈后，由下至上開始清理切口環(huán)、刀盤開口和刀箱，然后通過刀盤開口清理基巖面土體及刀盤外輪廓周邊。清理標(biāo)準(zhǔn)為將土倉內(nèi)整個基巖區(qū)土體全部清透，使巖面與刀盤之間留有40 cm空隙。清理過程中要密切關(guān)注基巖面上刀痕情況以便確定刀具磨損情況。清理完一個區(qū)域后將拆卸的刀具及時全部裝好。

3)更換刀具:根據(jù)掌子面穩(wěn)定情況采用邊清理邊更換確保作業(yè)安全。

3.4 盾構(gòu)機脫困

1)清理土倉:土倉清理后放入人倉和皮帶機之間架設(shè)的溜槽上滑向皮帶機，再由皮帶機送往渣土車。

2)脫困:盾構(gòu)機脫困的過程中，采取了分三步走的方式，首先保證刀盤能順利轉(zhuǎn)起來;然后通過土倉胸壁上的預(yù)留孔及盾殼上的徑向孔注入膨潤土，在緩轉(zhuǎn)刀盤的情況下放松鉸接，推動中前體50 mm，繼續(xù)注入膨潤土，回收中前體，以上過程循環(huán)往復(fù)，待推力明顯降低后可適當(dāng)增大行程(注意確保鉸接不超限);最后是盾尾脫困，由于盾構(gòu)機鉸接油缸能夠承受的總拉力不超過10 000 kN，經(jīng)過計算，盾尾脫困需要的拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有鉸接油缸的承受范圍，盾構(gòu)機推進油缸自身的推力在盾尾脫困的過程中受到制約。采用在盾尾上焊接支座通過增加4臺200 t輔助油缸配合小型泵站，在管片上借力，直接頂推盾尾的辦法順利的使盾尾脫困。

3.5 過基巖掘進

3.5.1 掘進速率

軟硬不均斷面掘進時滾刀作用硬巖上的荷載要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作用于軟弱地層的荷載，而理論上承受荷載大的滾刀產(chǎn)生的掘進速率應(yīng)該高于承受荷載小的滾刀。但是由于掌子面軟硬不均，強度相差過于懸殊，盾構(gòu)掘進的機理完全不同。硬巖部分掘進遵從滾刀破巖機理，軟弱部分速率則完全受推力影響，混合斷面的特殊構(gòu)成決定了此類地層掘進推力的極限受硬巖控制，而扭矩的極限受軟弱部分控制。借鑒數(shù)學(xué)模型可以考慮對混合斷面的不同強度地層進行簡單的修正，現(xiàn)有的研究認(rèn)為:①由計算或?qū)崪y得到的均勻斷面條件下的參數(shù)(主要指凈掘進速率I或基本掘進速率I0)是混合斷面條件下相應(yīng)參數(shù)的比例強度因子。②混合斷面中的堅硬地層限制了總推力的大小。③混合斷面條件下的I/I0的降低是因總推力的降低而引起的，其值是均勻斷面條件下的比例函數(shù)。

3.5.2 速率修正系數(shù)

軟硬不均地層盾構(gòu)掘進的效率與掌子面不同強度的各地層本身的性質(zhì)及其在掌子面所占面積比例高度相關(guān)，這在施工過程中感受是非常直觀的。

混合斷面不同強度地層對掘進速率的影響可由如下修正系數(shù)KAB表示

式中，A代表堅硬地層，B代表軟弱地層。IA為盾構(gòu)在堅硬地層中掘進速率;IB為盾構(gòu)在軟弱地層中掘進速率;a為堅硬地層在混合斷面上所占面積的百分比;b為軟弱地層在混合斷面上所占面積的百分比;AB為混合斷面;KAB為修正系數(shù)。

假設(shè)盾構(gòu)在該考察混合斷面的最佳掘進速度是一定的并可供量化，分別取其所占面積的極限，則可得出如下結(jié)論:①無論混合斷面的組成地層所占比例如何，其凈掘進速率均小于IA。②當(dāng)混合斷面的組成地層所，I;，I。占比例一定時越大AB越小越小AB越大

3.5.3 掘進參數(shù)的理論計算

1)土倉壓力計算:土倉壓力的控制值主要受地下水壓力及隧道埋深的影響，土壓越高，推力越大，此類地層噴涌的幾率也越高。由于基巖段進行了適當(dāng)加固，使地層具有一定的自立性，并在盾構(gòu)掘進的同時，隧道兩側(cè)進行降水，將地下水位盡可能降低并保持穩(wěn)定。所以土倉壓力計算的理論值根據(jù)現(xiàn)場地下水位實測值選取。

2)扭矩計算:刀盤扭矩一般情況下主要受設(shè)備性能控制，但是實際操作中需與地層情況相協(xié)調(diào)，本工程根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)并保守考慮不大于2 000 kN·m。

3)速度計算:根據(jù)勘察情況，基巖面突入隧道開挖限界最大取3.80 m，盾構(gòu)開挖限界取6.28 m，取堅硬巖在掌子面面積中所占比率為60%，軟弱地層在掌子面面積中占40%;考慮前期砂層掘進速度取60 mm/min，根據(jù)調(diào)查類似強度全斷面硬巖掘進速度取20 mm/min;刀盤轉(zhuǎn)速1 rab/min。

凈掘進速率

過基巖掘進的要點在于連續(xù)、平穩(wěn)的掘進，在配備強有力的現(xiàn)場作業(yè)隊伍的同時，需要配備有經(jīng)驗的工程師加強現(xiàn)場管理、技術(shù)能力，提高盾構(gòu)掘進過程中應(yīng)對異常情況的響應(yīng)能力。

3.5.4 掘進過程的控制要點

1)控制貫入度在10 mm/rad、刀盤扭矩不超過1 500 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速1轉(zhuǎn)，推力根據(jù)地面監(jiān)測及出渣情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2)注意渣土改良，保證足夠的泡沫注入量，根據(jù)渣土情況注入膨潤土、聚合物等。

3)保持土倉壓力基本穩(wěn)定，合理控制螺旋機轉(zhuǎn)速，及時將進入土倉的巖塊排出。

4)密切關(guān)注鉸接油壓，根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整漿液類型。

5)雙液漿及時跟進，防止管片上浮。

4 結(jié)語

基巖區(qū)的掘進是盾構(gòu)施工的一大難點，填海區(qū)復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)過基巖尤甚，采用上述措施實現(xiàn)了動壓富水砂層開倉換刀，并在未損傷一把刀具的情況下一次性順利完成科苑站—紅樹灣站區(qū)間38.4 m基巖隆起區(qū)掘進。此類工況在廣深地區(qū)盾構(gòu)施工具有典型意義，進一步研究地層加固措施、掘進參數(shù)控制，尤其是不同強度基巖情況下掘進扭矩、貫入度等參數(shù)的極限控制值有利于將特殊工況常規(guī)化。

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U455.43

B

1003-1995(2011)02-0076-03

2010-10-08;

2010-11-20

王朝義(1964—)，男，四川南充人，高級工程師。

(責(zé)任審編 王紅)