盾構(gòu)穿越深槽段施工風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策

陳會(huì)良

摘要：本文以南京市緯三路過(guò)江通道工程為例，對(duì)盾構(gòu)穿越深槽段的施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。對(duì)地質(zhì)勘察準(zhǔn)確度、江底冒漿、盾尾密封、上軟下硬地層施工、開(kāi)挖面有障礙物等風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，依據(jù)具體的風(fēng)險(xiǎn)情況制定出了相應(yīng)的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施，實(shí)現(xiàn)了降低風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率的目的，對(duì)于這種施工方法的有效應(yīng)用有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：穿越深槽段；風(fēng)險(xiǎn)分析；風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

一、引言

本文主要將南京市緯三路的過(guò)江通道工程作為研究對(duì)象，對(duì)堆溝穿越深槽段施工的方式及存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)類型提出解決對(duì)策。為更好的應(yīng)用這種施工方法提供幫助。

二、工程概況

本文研究的工程項(xiàng)目，全線長(zhǎng)度7363m，需要進(jìn)行盾構(gòu)施工的距離為4135m，施工所用設(shè)備為開(kāi)挖直徑為15.02m的泥水加壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。

盾構(gòu)機(jī)穿越江中深槽段的施工，里程從盾構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入粉砂巖的SDK4+688到粉砂巖層全部結(jié)束的SDK5+274，總長(zhǎng)度為586m。該段掘進(jìn)全部位于江中段，是本工程中風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的施工區(qū)段。

三、施工風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1地質(zhì)勘測(cè)準(zhǔn)確性風(fēng)險(xiǎn)

在本文研究的工程中，地質(zhì)勘探因素和施工通過(guò)河堤的局限性因素，使得地質(zhì)調(diào)查與勘探工作存在一定的難度。且由于河流水深因素的影響。要想實(shí)現(xiàn)全面的地質(zhì)調(diào)查，所需要花費(fèi)的施工成本就會(huì)有所加大，且深度調(diào)查的準(zhǔn)確性會(huì)受到直接的影響。進(jìn)一步帶來(lái)施工刀具更換頻率過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2江底冒漿風(fēng)險(xiǎn)

在具體的掘進(jìn)施工中，當(dāng)應(yīng)用泥水加壓的盾構(gòu)方式是，當(dāng)泥水連續(xù)循環(huán)。會(huì)促使泥膜組織因大刀盤的切削作用不斷的形成和破壞。由于本工程隧道穿越地層較為復(fù)雜，盾構(gòu)推進(jìn)到礫砂層厚普遍遇到上軟下硬地層，并且在卵礫石層、粉砂巖層等存在地層孔隙較大，如地下水壓過(guò)高，也導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)。其產(chǎn)生的后果主要為：

（1）引起其前方的地表或者江底區(qū)域出現(xiàn)突出或下陷的問(wèn)題。

（2）超淺覆土的現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步引起冒頂現(xiàn)象的發(fā)生以及江水本身和泥水出現(xiàn)回灌或溢出問(wèn)題。

（3）由于承壓水而引起的盾構(gòu)塌方。

3.3盾尾密封失效風(fēng)險(xiǎn)

為了防止泥漿、地下水以及后墻的注漿液體向盾構(gòu)殼的后部滲透，確保盾構(gòu)作業(yè)的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行尾封操作，起到尾部密封作用的裝置在應(yīng)用中會(huì)隨著盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行而移動(dòng)。如在運(yùn)行過(guò)程中由于這一結(jié)構(gòu)自身配置的合理性差或者由于磨損而損壞，則不能起到良好的密封作用。會(huì)使得隧道內(nèi)出現(xiàn)水分和泥漿充斥的現(xiàn)象。影響開(kāi)挖作業(yè)的正常進(jìn)行。因此，保持盾構(gòu)作業(yè)中尾部作業(yè)面的密封性，是控制風(fēng)險(xiǎn)的主要方面。

盾尾密封失效的后果：引起地表塌陷，使得在隧道內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)施工的人員和設(shè)備都受到安全威脅。

3.4上軟下硬地層施工風(fēng)險(xiǎn)

在進(jìn)行地層施工時(shí)，需要先依據(jù)前期的地質(zhì)探查結(jié)果對(duì)盾構(gòu)隧道的橫縱斷面進(jìn)行布置安排，當(dāng)作業(yè)面深入到砂礫層后，即進(jìn)入到軟硬程度不均的地層結(jié)構(gòu)中，在這種地質(zhì)條件下，給挖掘方向和挖掘速度的控制帶來(lái)了一定的難度。從而使盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)。在軟硬不均地層中推進(jìn)時(shí)，刀具尤其是切削刀會(huì)在徑向與較硬的巖層發(fā)生磕刀現(xiàn)象，使得刀具發(fā)生剪切破壞和刀盤扭矩瞬間增大，影響后續(xù)段的施工。

3.5開(kāi)挖面有障礙物

根據(jù)勘察資料，S線盾構(gòu)范圍內(nèi)不存在類似炮彈這類目標(biāo)的鐵磁性物體。地質(zhì)情況本身的復(fù)雜性和勘探工作自身的局限性，使得隧道本身所穿越地層的具體情況得不到準(zhǔn)確的識(shí)別，這就導(dǎo)致一些可能存在的障礙物得不到及時(shí)的探測(cè)和發(fā)現(xiàn)，而如果作業(yè)中遇到巨大的障礙物，則會(huì)帶來(lái)盾構(gòu)機(jī)本身和施工作業(yè)的雙重風(fēng)險(xiǎn)。

四、降低施工風(fēng)險(xiǎn)程度的對(duì)策分析

4.1地質(zhì)勘測(cè)準(zhǔn)確性風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策

江中段進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)堪難度較大，因此只能通過(guò)合理的設(shè)置推進(jìn)參數(shù)和加強(qiáng)施工管理來(lái)彌補(bǔ)地質(zhì)勘測(cè)準(zhǔn)確性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.合理設(shè)置盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)，注意盾構(gòu)施工參數(shù)的變化，及時(shí)分析推力、推力等參數(shù)變化的原因，并采取對(duì)策；

2.配備人員對(duì)篩分設(shè)備下的渣樣進(jìn)行檢查和分析，同時(shí)與勘查資料進(jìn)行核對(duì)是否相符，當(dāng)發(fā)現(xiàn)渣樣有變化時(shí)及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)值班經(jīng)理、盾構(gòu)司機(jī)和土建工程師，及時(shí)調(diào)整參數(shù)，保證前方順利推進(jìn)。

3.加強(qiáng)盾構(gòu)維護(hù)和保養(yǎng)，確保盾構(gòu)設(shè)備的完好。

4.2防止江底冒漿風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策

盾構(gòu)在江中段推進(jìn)時(shí)，由于無(wú)法直接觀測(cè)江底是否冒漿，因此盾構(gòu)司機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注切口和空氣倉(cāng)的壓力波動(dòng)情況。做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)采取措施，避免出現(xiàn)較大事故發(fā)生。

具體來(lái)說(shuō)主要采取以下幾個(gè)措施防止江底冒漿：

1. 定時(shí)觀測(cè)長(zhǎng)江水位

在盾構(gòu)進(jìn)入江中段以前，對(duì)線路范圍內(nèi)的江底高程進(jìn)行一次全面測(cè)量，在盾構(gòu)進(jìn)入江邊時(shí)開(kāi)始定時(shí)觀測(cè)長(zhǎng)江水位變化情況，把握好盾構(gòu)機(jī)頂部覆土的深度以及水位層次，保證切口部位水泥壓力的準(zhǔn)確計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)江水位按照1次/天的頻率進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)一天內(nèi)水位變化較大時(shí)加大頻率，按照2次/天頻率進(jìn)行觀測(cè)。

2.通過(guò)精確計(jì)算控制切口處的水壓變化范圍

在江中段推進(jìn)前，提前對(duì)江中段的切口泥水壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算里程按照每20m一個(gè)斷面，對(duì)于江底高程變化較大時(shí)還必須減小分段長(zhǎng)度，從而更準(zhǔn)確的掌握切口泥水的變化情況。

推進(jìn)作業(yè)時(shí)，嚴(yán)格控制水壓波動(dòng)情況。此值控制在-0.1 bar-0.1 bar之間，以確保開(kāi)挖表面的穩(wěn)定性。盾構(gòu)機(jī)通過(guò)淺層土層時(shí)，采用人工控制切口水壓，人工調(diào)整施工參數(shù)。兩相鄰泥漿壓力的差異環(huán)不大于0.2bar。

3. 控制同步注漿壓力

依照土力學(xué)理論進(jìn)行分析，基于保證盾構(gòu)操作上方土體穩(wěn)定性的目標(biāo)，盾構(gòu)作業(yè)頂部所受到的壓力需要處在大于泥漿壓力與水泥壓力的總體壓力值?；谶@種要求?？煞治龅贸?，注漿壓力也是影響頂板注漿的一個(gè)重要因素，需要 同時(shí)控制住注漿壓力指標(biāo)，并加裝注漿安全閥，從而避免過(guò)高的注漿壓力使得覆巖被打破。

在施工中為了防止同步注漿壓力過(guò)大造成盾尾漏漿，壓力按照上下一定梯度的方式進(jìn)行設(shè)置，即上、中、下三對(duì)注漿孔出口壓力，下側(cè)一對(duì)比上側(cè)一對(duì)注漿孔分別大0.1MPa。

4.3盾尾密封失效風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策

1.本工程盾構(gòu)機(jī)設(shè)5排密封刷，盾尾水密封壓力要達(dá)到1.0Mpa。

2.密封刷經(jīng)常用自動(dòng)或手動(dòng)裝置涂油。

3.盾構(gòu)拼裝機(jī)能直接移除屏蔽尾中的管片，讓前兩根鋼絲刷在盾尾上被檢查和更換，在入江前停機(jī)對(duì)盾尾的前兩道鋼絲刷進(jìn)行檢查和更換.。

4.避免同步灌漿對(duì)鋼絲刷的破壞。

5.制備了兩種初始凝結(jié)時(shí)間較短的液漿用于后壁注漿。注漿位置在盾構(gòu)尾后5～10環(huán)，設(shè)置合理的壓力，雙液漿流道。避免雙液漿前串。

6.管片應(yīng)安裝在中間，以防止盾構(gòu)與管片之間的建筑間隙在另一側(cè)增加過(guò)大，減小過(guò)大，從而降低密封效果。

7.在盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，注意調(diào)整盾構(gòu)尾隙，防止盾構(gòu)尾部斷裂。

8.將壓力集中在泄漏的泥漿和漏泥漿部位上，以填充盾尾油脂。

4.4上軟下硬地層施工風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策

1.控制刀盤速度、掘進(jìn)速度及貫入度

在上軟下硬不均勻地層中開(kāi)挖時(shí)，局部巖石硬度較高，硬巖中的刀具滾刀具有較大的受力，而軟巖只需對(duì)掌子面進(jìn)行切削則會(huì)破壞土體，但局部硬巖石對(duì)刀具及刀盤的損傷更大。因此，有必要降低刀盤轉(zhuǎn)速，控制貫入度等于刀盤轉(zhuǎn)速的一半為較好狀態(tài)。

2.控制刀具扭矩和氣缸推力

由于硬巖造成的嚴(yán)重磨損，在連續(xù)使用過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)減小刀具的沖擊力來(lái)保護(hù)刀具。刀盤的扭矩是刀具受力的直接體現(xiàn)，因此減小刀盤扭矩實(shí)際上是為了減小刀具的沖擊力

3.掘進(jìn)方向偏差控制

這方面的控制工作需要首先對(duì)開(kāi)挖面的情況進(jìn)行控制，及其分布將情況以及地層邊界的變化情況。并在結(jié)合考慮掘進(jìn)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步方案的確定。在這期間，盾構(gòu)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用具有較高的必要性。應(yīng)按照及時(shí)性、連續(xù)性、有限性的原則，進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整。對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行小幅度、逐次的調(diào)整，以避免盾構(gòu)機(jī)因過(guò)度糾偏而產(chǎn)生的異形推進(jìn)，增加工具磨損和損壞組裝段和屏蔽尾密封。

4.5掘進(jìn)工作面障礙物風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策

本工程盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中從篩分設(shè)備出渣口被篩出來(lái)，這說(shuō)明物探未能探明該類物體的出現(xiàn)，同時(shí)，由于物探水平限制，可能有其它物體在刀盤前方，如孤石、沉船等，為了保證盾構(gòu)順利推進(jìn)，現(xiàn)在制定以下對(duì)策。

1.派專人對(duì)篩分設(shè)備出渣口進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)值班經(jīng)理和盾構(gòu)司機(jī)。

2.值班工程師注意刀盤部位的異常響動(dòng)，發(fā)現(xiàn)有金屬碰撞的聲音等應(yīng)當(dāng)立即停止推進(jìn)，探明情況后再繼續(xù)推進(jìn)。

3.盾構(gòu)司機(jī)注意扭矩、推力等異常情況。

4.如果出渣口發(fā)現(xiàn)有塊狀金屬物或木塊被篩分出來(lái)，說(shuō)明刀盤前方可能存在異物，需要減慢施工速度，并觀察刀盤扭矩的變化情況，避免設(shè)備損壞。

5.在發(fā)現(xiàn)刀盤有異?；蝿?dòng)后，應(yīng)及時(shí)分析可能產(chǎn)生的原因。如果刀盤的前部是響亮且連續(xù)的，則考慮人員帶壓進(jìn)倉(cāng)查看，必須排除較大的異物，以確保盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

五、結(jié)論

1.盾構(gòu)穿越深槽段過(guò)程中，及時(shí)觀察篩分渣樣，確認(rèn)刀盤開(kāi)挖面的地層情況，為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整提供參考依據(jù)。

2.密切關(guān)注盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，提前準(zhǔn)確計(jì)算切口泥水壓力、控制切口水壓波動(dòng)范圍，嚴(yán)格控制同步注漿壓力，盡可能規(guī)避江底擊穿、盾尾密封失效、江底段換刀等施工風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，保證盾構(gòu)穿越深槽段的施工安全。

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（作者單位：中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司）