盾構(gòu)下穿河流富水砂卵石層綜合施工技術(shù)

林 富 志，　孫　敏

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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盾構(gòu)下穿河流富水砂卵石層綜合施工技術(shù)

林 富 志，孫敏

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：盾構(gòu)下穿河流具有很高的風(fēng)險(xiǎn)性。成都地鐵4號(hào)線二期工程西延線為富水砂卵石地層，因卵石級(jí)配不連續(xù)且大粒徑卵石含量較高而被評(píng)定為特級(jí)危險(xiǎn)源。為保證地表安全、將沉降控制在可控制范圍之內(nèi)，同時(shí)又要防止噴涌等情況的發(fā)生，下穿前合理設(shè)置和調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，在盾構(gòu)下穿河流前、中、后采取相應(yīng)的措施，以保證盾構(gòu)機(jī)能夠安全順序的下穿就顯得極為重要。

關(guān)鍵詞：富水砂卵石層；下穿河流；加固措施；盾構(gòu)控制措施；地鐵

成都地鐵4號(hào)線二期工程采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，地層差異對盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)具有很大影響，尤其是在富水砂卵石地層中且上部為河流中掘進(jìn)所制定的施工技術(shù)措施是否能夠適應(yīng)掘進(jìn)地層至關(guān)重要。如何保證盾構(gòu)機(jī)的施工安全？如何將其對周邊環(huán)境的影響降到最低是筆者在文中討論的重點(diǎn)。介紹了以下穿江安河為案例針對該地層制定的專項(xiàng)施工技術(shù)措施，可為其他類似地層下穿河流提供參考。

1工程概述

(1)成都地鐵4號(hào)線二期工程。

成都地鐵4號(hào)線二期工程西延線為連接市區(qū)至西部溫江區(qū)的線路，全長10.804km,全線共設(shè)車站8座，(其中換乘站2座)，線路設(shè)計(jì)起點(diǎn)至大學(xué)城站設(shè)一段折返線，尾端西部新城站至終點(diǎn)設(shè)一區(qū)間線路連接4號(hào)線一期工程，本線路共設(shè)站8區(qū)間，由西向東依次為大學(xué)城站、楊柳河站、鳳溪站(與規(guī)劃17號(hào)支線換乘)、南熏大道站、光華公園站、西部新城西站(與規(guī)劃22號(hào)線換乘)、鳳凰大街站、西部新城站。盾構(gòu)機(jī)在鳳凰大街站～西部新城站區(qū)間下穿江安河。

(2)江安河情況。

江安河又名江安堰，河面寬度約40m，河床為原狀砂卵石。過水能力為154m3/s，分出支渠26條，斗渠196條，控灌農(nóng)田31.27萬畝(1hm2=15畝)。

江安河河水在都江堰寶瓶口從岷江分流，在寶瓶口可對江安河水進(jìn)行調(diào)蓄和分流?？菟竟?jié)水深約0.3～1m，水流平緩，豐水期水深約為1～1.5m，水流較大。

(3)江安橋情況。

距左線隧道開挖輪廓線約10m位置為光華大道江安橋，江安橋?yàn)殡p向八車道城市干線，是連接成都與溫江的城市主干道。橋的下部基礎(chǔ)為“鋼筋混凝土擴(kuò)大淺基礎(chǔ)+底系梁+墩柱”。

2工程地質(zhì)情況

本標(biāo)段隧道所穿越的巖層主要為密實(shí)卵石土(2-9-3)、(3-8-3)層(圖1)，漂石含量為5%～20%，漂石一般粒徑為20～40cm。砂卵石地層圍巖體整體強(qiáng)度較低，但單個(gè)巖塊塊體強(qiáng)度非常高，根據(jù)車站施工以及前期盾構(gòu)出渣取樣分析，該區(qū)域內(nèi)有可能存在直徑超過300mm的漂石。

圖1　工程地質(zhì)剖面圖

(1)(2-9-3)密實(shí)卵石土(Q4al)：青灰、灰白、灰褐色，密實(shí)，飽和，漂卵石含量為75%～90%，多為中砂充填，卵石粒徑一般為20～180mm。根據(jù)1-5#、2#坑探揭示該段含10%～25%的漂石，局部地段富集，漂石粒徑一般為200～300mm，石質(zhì)以花崗巖、砂巖為主，磨圓度較好，分選性較差。根據(jù)本段卵石點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果，卵石單軸抗壓強(qiáng)度值為112.7～163.7MPa。石質(zhì)為Ⅴ類，堅(jiān)硬程度分類為堅(jiān)硬巖。本層鉆孔揭示，層厚3.8～9.8m，埋深9.1～12.2m，修正后超重型動(dòng)探擊數(shù)N′120=9.4～23擊。

(2)(3-8-3)密實(shí)卵石土(Q3fgl+al)：青灰、灰黃色，飽和，密實(shí)，漂卵石約占75%～90%，卵石粒徑一般為20～180mm。根據(jù)1-5#、2#坑探資料，漂石含量約為10%～25%，局部地段富集，漂石粒徑集中在200～300mm。石質(zhì)成分主要以石英砂巖、花崗巖等為主，磨圓度較好，分選性差。根據(jù)本段卵石點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果，卵石單軸抗壓強(qiáng)度值為83.7～205.2MPa。石質(zhì)堅(jiān)硬程度分類為堅(jiān)硬巖。

3水文地質(zhì)情況

本標(biāo)段地層富水，枯水期埋深一般在3～5m之間，豐水期埋深一般在1～3m之間，本段地層富含大量卵石，具有較強(qiáng)的透水性，滲透系數(shù)為28m/d。

河流與地下水未發(fā)現(xiàn)有聯(lián)通，但具有較強(qiáng)的補(bǔ)給性。

根據(jù)江安河水文站數(shù)據(jù)，近6年5月份最大流量為63.8m3/s(2009年5月28日)，近3年最大流量為56.3m2/s(2012年5月21日)；近6年7月份最大流量為61.5m3/s(2013年7月13日)，近3年最大流量為56.3m3/s(2013年5月21日)。

4河堤及河床加固采取的有效措施

(1)河堤加固措施。

河堤加固采用袖閥管注漿加固。在盾構(gòu)隧道通過江安河前，對河堤兩側(cè)沿隧道方向前后6m范圍內(nèi)、隧道外3m范圍內(nèi)的河堤段地層采取地表注漿預(yù)加固處理，地表注漿預(yù)加固孔布置為間排距3m×3m。分兩個(gè)加固區(qū)，每個(gè)加固區(qū)布置30個(gè)孔，上游側(cè)孔深為22.386m，下游側(cè)孔深為22.75m，布置方式見圖2。

(2)河床加固措施。

河床加固范圍為在上游側(cè)距離左線隧道邊線6m，下游側(cè)距離右線隧道邊線2m，沿河流方向25m范圍內(nèi)采用鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片前澆筑C15混凝土墊層厚5cm，然后澆筑C20混凝土20cm厚(圖3、4)。

圖2　袖閥管注漿加固區(qū)域圖

圖3　河床加固區(qū)域范圍圖

圖4　河床加固剖面圖

①河道導(dǎo)流。

施工時(shí)值枯水期及河流下游的非灌溉期，河道主要承擔(dān)沿河居民區(qū)廢水排放功能。施工期間項(xiàng)目部與河道管理部門聯(lián)系，上游關(guān)閘以減小河道水流量。在盾構(gòu)穿越段河道的上下游采用砂袋圍堰斷流、φ1 500無縫鋼管導(dǎo)流。

②河床清理。

圍堰斷流后，采用小型挖掘機(jī)清除河床表層含淤泥的砂卵石，清除厚度不小于50cm，并對清除后的開挖面進(jìn)行整平、壓實(shí)。

③鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè)。

鋼筋網(wǎng)片采用φ8鋼筋加工，網(wǎng)格尺寸為20cm×20cm。鋼筋網(wǎng)采用加工廠預(yù)制、現(xiàn)場鋪設(shè)的方式，鋪設(shè)前在河床面澆筑5cm厚找平C15混凝土墊層。

將鋼筋網(wǎng)搭接成一個(gè)網(wǎng)格，長度不小于10cm，搭接點(diǎn)采用點(diǎn)焊連接，鋪設(shè)須平順。

④混凝土澆筑。

河床部位清理后，先鋪5cm厚C15墊層混凝土，鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)完成后進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土采用商用C20混凝土，澆筑厚度為20cm。

混凝土必須一次澆筑成形，不留施工縫、杜絕混凝土冷縫，保證混凝土板的整體性。

5防止噴涌、涌砂的控制措施

5.1渣土改良措施

渣土改良是指通過向刀盤前方加膨潤土、泡沫劑、聚合物和外加劑與刀盤切削下來的渣土拌和，增大渣土的流動(dòng)性、和易性，方便出渣，同時(shí)在掌子面形成泥膜以保護(hù)掌子面的穩(wěn)定性，對刀具也可起到一定的保護(hù)作用。

隧道下穿越地層主要為砂卵石(2-9-3)、(3-8-3)地層，注入泡沫+膨潤土可有效改善土體流塑性及透水性，泡沫膨化土體、潤滑刀具，可有效防止刀盤結(jié)泥餅；同時(shí)，可以防止渣土過于粘稠而導(dǎo)致的刀盤扭矩增大、螺旋機(jī)堵塞等現(xiàn)象出現(xiàn)。

(1)采用加聚合物的BASF泡沫劑。

采用BASF公司加聚合物的高效發(fā)泡劑進(jìn)行渣土改良，以潤滑刀盤刀具，減小刀盤扭矩、降低渣土的滲透率，增加渣土的流動(dòng)性和塑性。

1t泡沫劑中加入聚合物100L，每環(huán)(1.5m)泡沫劑注入量不少于80L，泡沫劑的發(fā)泡率為10～12倍，以形成濃稠泡沫為準(zhǔn)，根據(jù)渣土的性狀即時(shí)調(diào)整泡沫參數(shù)，以期達(dá)到最佳的渣土改良效果。

穿越過程中，在保持土壓穩(wěn)定的前提下，減少發(fā)泡倍率，降低泡沫氣體流量，防止河床被擊穿。

(2)膨潤土+聚合物。

如果地下水量較大，單靠泡沫是無法避免噴涌發(fā)生的。若要防止噴涌，一方面需降低進(jìn)入土倉的地下水量，另一方面要避免地下水進(jìn)入土倉。經(jīng)過大量的試驗(yàn)確定采用的具體措施如下。

①采用盾構(gòu)機(jī)渣土改良管路，向土倉上部人閘門附近注入膨潤土+聚合物改良材料，隨著刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，改良材料與渣土充分?jǐn)嚢?，在土倉內(nèi)形成低滲率的渣土，使地下水無法進(jìn)入土倉內(nèi)進(jìn)而防止噴涌的發(fā)生。

②向土倉中注入膨潤土+聚合物改良材料，一方面使土倉中的卵石不至于沉積，另一方面使已經(jīng)進(jìn)入土倉的水與改良材料混合，增加渣土的粘稠度、降低水的流動(dòng)性，進(jìn)而防止噴涌。

③膨潤土+聚合物改良材料的配合比摻量通過試驗(yàn)及現(xiàn)場試用后最終確定。根據(jù)前期使用效果分析，初步確定膨潤 土∶水∶聚 合 物=1 000∶

5 000∶50(kg)。

5.2加強(qiáng)同步注漿

盾構(gòu)開挖直徑為6 280mm，管 片 外 徑 為

6 000mm，管片與開挖輪廓之間的間隙為140mm，因此，必須通過同步注漿材料進(jìn)行填充并確保密實(shí)，防止地層滯后沉降。在這種砂卵石地層條件下，地層滲透性很大，為了保證成形隧道及河道安全，必須確保管片外側(cè)間隙充填密實(shí)，并通過試驗(yàn)確定同步注漿液的配比。同步注漿液配比見表1，凝結(jié)時(shí)間為6h。

表1　同步注漿配合比表　/m3

6對盾構(gòu)機(jī)采取的控制措施

6.1盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)9#、10#盾構(gòu)在砂卵石地層目前已經(jīng)完成的掘進(jìn)完成情況，結(jié)合本標(biāo)段的地質(zhì)情況及隧道埋深設(shè)定的盾構(gòu)下穿江安河的掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2　掘進(jìn)參數(shù)表

6.2防止刀盤卡住的控制措施

(1)選用砂卵石地層掘進(jìn)水平高的盾構(gòu)機(jī)操作手，避免由于操作水平低造成刀盤卡?。?/p>

(2)做好渣土改良工作 ，防止噴涌、涌砂，造成刀盤卡死；

(3)制定領(lǐng)導(dǎo)值班制度，出現(xiàn)問題及時(shí)處理，避免河床下長時(shí)間停機(jī)；

(4)強(qiáng)化施工流程，避免不必要的停機(jī)；

(5)若刀盤卡住、使用脫困扭矩?zé)o法啟動(dòng)、刀盤不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，注入大量的膨潤土、砂和聚合物的粘稠液體用以置換土倉內(nèi)的渣土，降低刀盤扭矩，最終脫困。

6.3超方控制措施

(1)超方<5m3。

①加強(qiáng)同步注漿量。

②及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

(2)超方> 5m3。

①加大注漿量，河床內(nèi)的盾構(gòu)機(jī)應(yīng)盡快通過塌方區(qū)。

②在河流枯水期進(jìn)行打孔回填。

6.4盾尾漏水控制措施

(1)使用優(yōu)質(zhì)盾尾油脂。

(2)盾尾密封處如發(fā)生較大泄漏，首先考慮多注盾尾油脂止水止砂。

(3)根據(jù)掘進(jìn)情況，觀察盾尾的漏漿情況判斷是否更換盾尾刷。

7后續(xù)保障措施

(1)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，采用地面預(yù)留的跟蹤注漿孔，及時(shí)通過地面進(jìn)行跟蹤注漿。

(2)采用管片上預(yù)留的二次注漿孔，待盾構(gòu)通過后及時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)二次補(bǔ)充注漿，以確保盾構(gòu)通過后河床的穩(wěn)定性及安全。

(3)左線盾構(gòu)穿越江安河前，對已成型隧道左右線間的土體采取洞內(nèi)加固措施，以確保左線掘進(jìn)的安全。

8結(jié)語

盾構(gòu)在富水砂卵石地層穿越河流具有很高的風(fēng)險(xiǎn)性，若發(fā)生冒頂或噴涌，將對盾構(gòu)的掘進(jìn)安全造成嚴(yán)重威脅。為保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全，防止冒頂和噴涌的發(fā)生，掘進(jìn)前對河堤和河床進(jìn)行加固，對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行檢查維修，掘進(jìn)過程中對渣土改良實(shí)施改進(jìn)，控制泡沫劑的發(fā)泡率，確保同步注漿量和注漿壓力，掘進(jìn)后對洞內(nèi)實(shí)施二次注漿加固，從而為左線的穿越提供了安全保障。

林富志(1983-)，男，山東棲霞人，工程師，從事地鐵施工技術(shù)與管理工作；

孫敏(1985-)，女，湖北黃岡人，助理工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0013-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV52;TV544

作者簡介: