全斷面砂層土壓平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王彥臻

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司 陜西西安 710018)

1 引言

全斷面砂層土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)易造成開挖面坍塌甚至地面坍塌，當(dāng)?shù)叵滤容^豐富時(shí)，會發(fā)生螺旋機(jī)噴涌事故[1-3]。以西安地鐵一號線二期張家村站-上林路站區(qū)間砂層盾構(gòu)施工為工程背景，為適應(yīng)特殊地層條件，對盾構(gòu)機(jī)的刀盤、刀具和泡沫系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)配合泡沫和膨潤土對渣土進(jìn)行改良，并結(jié)合監(jiān)測結(jié)果分析，進(jìn)行全斷面砂層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究，研究成果可為類似地層土壓平衡盾構(gòu)施工提供參考和借鑒[4-6]。

2 工程概況

西安市地鐵一號線二期工程上林路站-張家村站區(qū)間，線路自上林路起沿世紀(jì)大道地下向東到達(dá)張家村站，區(qū)間左線長1 549.072 m，最小曲線半徑1 200 m，最大縱坡23.232‰；右線區(qū)間長1 503.268 m，最小曲線半徑800 m，最大縱坡23‰，盾構(gòu)隧道埋深范圍為10.7～16.6 m。穿越的地層主要為中砂和細(xì)砂等土層組成的全斷面砂層。區(qū)間地下水水位埋深16.5～21.0 m，基本呈西高東低的趨勢，局部黃土狀土含水量較大，可能存在上層滯水。覆蓋層為第四系松散層，含水層主要為強(qiáng)透水的中砂層，潛水含水層厚度大于50 m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，結(jié)合西安地區(qū)降水經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)段黏性土的滲透系數(shù)采用5～10 m/d，砂類土的滲透系數(shù)采用35～50 m/d，綜合滲透系數(shù)選用35～40 m/d。

3 盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間地層情況，綜合考慮選用美國羅賓斯EPB6150土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)：最大總推力36 000 kN；額定扭矩5 128.36 kN·m；刀盤轉(zhuǎn)速0.3～2.0 r/min；推進(jìn)速度0～80 mm/min；開挖直徑6 180 mm；刀盤開口率為43%。刀盤上配置62把刮刀、37把單刃貝殼刀、1把中心刮刀(魚尾刀)、1把超挖刀、1把磨損檢測刀、12把圓周保護(hù)刀、5把注射口保護(hù)刀、4把內(nèi)圓保護(hù)刀、80把犁刀。盾構(gòu)機(jī)自帶同步注漿系統(tǒng)，注漿速度24 m3/h。

4 重難點(diǎn)問題及原因分析

4.1 設(shè)備磨損

(1)重難點(diǎn)問題

刀盤面板和刀具磨損較大，刀盤的開挖直徑減小，同時(shí)刀具的切削能力下降甚至出現(xiàn)刀具失效等情況，造成掘進(jìn)困難，影響掘進(jìn)速度，嚴(yán)重時(shí)會引起地面沉降過大，甚至坍塌。

(2)原因分析

砂土摩擦系數(shù)較大，顆粒強(qiáng)度較高，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，砂土與設(shè)備之間的摩擦力大，刀盤和刀具與砂土之間的摩擦作用導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具等部位產(chǎn)生較大磨損[7-9]。同時(shí)摩擦過程中產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致刀盤和刀具溫度升高，高溫作用加劇了刀盤和刀具的磨損，甚至出現(xiàn)刀盤和刀具損壞。

4.2 掘進(jìn)參數(shù)控制

(1)重難點(diǎn)問題

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中推力較大，刀盤貫入比較困難，掘進(jìn)速度慢甚至無法推進(jìn)，刀盤扭矩大甚至超過額定扭矩[10]；螺旋輸送機(jī)排土不連續(xù)且排土較困難，偶爾伴隨著塊狀土排出，地下水豐富的砂層會出現(xiàn)噴涌，土倉壓力波動較大；刀盤、刀具和渣土的溫度較高，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)很難控制在合理的范圍。

(2)原因分析

由于砂層渣土的流塑性差，掘進(jìn)過程中會導(dǎo)致刀盤和螺旋輸送機(jī)的扭矩增大，同時(shí)刀盤前方下部土體很難排入土倉內(nèi)，進(jìn)一步導(dǎo)致掘進(jìn)速度變慢甚至無法推進(jìn)；砂層渣土的摩擦系數(shù)較大且流塑性差，出土難度增加，出土所需的動力明顯增加；砂土層摩擦系數(shù)大且砂土顆粒強(qiáng)度較大，掘進(jìn)過程中刀盤和刀具與砂土層摩擦并產(chǎn)生大量的熱量，而在隧道密閉環(huán)境下熱量不易釋放，最終導(dǎo)致刀盤和刀具溫度升高。

4.3 沉降控制

(1)重難點(diǎn)問題

盾構(gòu)隧道下穿既有西安繞城高速高架橋，掘進(jìn)過程中易產(chǎn)生超方，出現(xiàn)地面沉降，甚至發(fā)生地面坍塌，最終造成橋樁變形失穩(wěn)，影響高架橋樁基安全；隧道距離樁基較近，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對土體的擾動會導(dǎo)致樁基兩側(cè)土壓力不平衡，從而造成樁基傾斜失穩(wěn)。

(2)原因分析

全斷面砂層掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)較難實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動態(tài)土壓平衡，出土不受控制，同時(shí)砂層黏聚力小幾乎為零，自穩(wěn)性較差，開挖面上部土體較難形成穩(wěn)定的土拱，容易出現(xiàn)開挖面坍塌，最終造成地面沉降過大甚至坍塌，影響周邊建(構(gòu))筑物、高架橋和管線等安全。當(dāng)砂層中地下水豐富時(shí)，極易產(chǎn)生噴涌，甚至造成地面坍塌。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

5.1 渣土改良措施

目前，盾構(gòu)施工中渣土改良的添加劑主要有泡沫劑、膨潤土和高分子聚合物，不同添加劑的適應(yīng)性如表1所示。

表1 渣土改良添加劑適應(yīng)性對比

試驗(yàn)中按照一定配比將膨潤土、CMC(羧甲基纖維素鈉)[11-12]干粉、水充分?jǐn)嚢枧渲贸赡酀{。對配制而成的泥漿采用1002型泥漿比重儀和馬氏漏斗粘度計(jì)分別測定不同配比泥漿的比重和粘度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同配比膨潤土泥漿參數(shù)

由表2可知，當(dāng)膨潤土與羧甲基纖維素鈉(CMC)含量增加時(shí)，膨潤土泥漿的比重基本不變，粘度隨之增加，膨潤土和CMC含量對泥漿粘度影響非常明顯。在一定范圍內(nèi)，膨潤土泥漿粘度越高，濾水量越小，成膜時(shí)間越短，泥膜的質(zhì)量越好且密實(shí)，其攜帶渣土的能力越強(qiáng)，但配制泥漿的成本增高，泵送難度也越大；而泥漿粘度太低，其形成泥膜和攜帶渣土的能力差，同時(shí)泥漿滲漏量較大。由于泥漿濃度的選擇需綜合考慮地層、泥漿泵送設(shè)備、成本和地下水等因素，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和類似工程經(jīng)驗(yàn)，膨潤土泥漿配比為：膨潤土質(zhì)量占比為13.7%，CMC質(zhì)量占比為0.03%，加入膨潤土的體積為砂土體積的10%～20%。

根據(jù)試驗(yàn)和類似工程經(jīng)驗(yàn)，泡沫溶液中泡沫添加劑的含量為3%。泡沫由90%～95%壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合而成，泡沫的注入量按開挖方量及渣土實(shí)際方量確定，為300～600 L/m3。

5.2 刀盤和刀具改造

5.2.1 刀盤改造

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，砂層對刀盤圓周部位磨損最為嚴(yán)重。刀盤圓周磨損后，盾構(gòu)掘進(jìn)施工難度增加，同時(shí)隧道開挖尺寸也隨之變小。改造后刀盤的圓周為溜槽式，可以減少刀盤與砂層之間的摩擦作用，從而降低盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的推力和扭矩，提高盾構(gòu)施工效率。

5.2.2 刀具改造

(1)貝殼刀

為降低砂層對刀具的磨損作用，貝殼刀材質(zhì)為重型高耐磨碳鎢合金，同時(shí)對貝殼刀的尺寸進(jìn)行改造。改造后的刀具如圖1所示，貝殼刀的高度由140 mm增加到175 mm，從而增加了刮刀和貝殼刀的高差，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，貝殼刀最先接觸開挖面，并對砂層進(jìn)行破碎開挖，可以有效減少掌子面對刮刀的磨損，同時(shí)有利于減小刀盤扭矩，滿足全斷面砂層掘進(jìn)要求。

(2)魚尾刀

全斷面砂層盾構(gòu)施工中，中心魚尾刀磨損速度較快，而原魚尾刀頭為普通單條合金刀頭。為了提高魚尾刀的耐磨性，將魚尾刀頭進(jìn)行改造，改造后的魚尾刀頭為雙層合金刀頭。

圖1 貝殼刀改造

5.3 泡沫系統(tǒng)改造

由于羅賓斯EPB6150盾構(gòu)機(jī)泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，為了適應(yīng)全斷面砂層掘進(jìn)時(shí)對泡沫劑的需求，對原泡沫系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造后泡沫系統(tǒng)共6路，泡沫各個(gè)管路為單管、單泵、單閥。將泡沫原液和水按比例混合，通過擠壓泵送入泡沫發(fā)生器與空氣混合，形成泡沫，再通過管路注入刀盤掌子面，從而減小砂層對刀盤和刀具的摩擦作用，同時(shí)可有效地降低扭矩。

6 實(shí)施效果評價(jià)

(1)設(shè)備磨損

由于對渣土進(jìn)行改良，同時(shí)對刀盤、刀具和泡沫系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，經(jīng)過1 550 m全斷面砂層掘進(jìn)，中途未開倉換刀并順利出洞。盾構(gòu)機(jī)出洞后進(jìn)行檢查，刀盤圓周部位磨損7 cm，圓周保護(hù)刀無磨損，刀盤面板刀具磨損量相較于未改造前明顯減小，刀具仍具備切削能力。盾構(gòu)機(jī)的刀盤和刀具磨損在有效控制范圍內(nèi)，均屬于正常磨損。

(2)掘進(jìn)參數(shù)控制

區(qū)間左線80～99環(huán)未進(jìn)行渣土改良，掘進(jìn)參數(shù)如圖2所示；右線100～119環(huán)采用渣土改良技術(shù)，掘進(jìn)參數(shù)如圖3所示。由圖2和圖3對比可知，渣土改良后，推力、扭矩、掘進(jìn)速度有一定的變化，其中推力下降4.6%、扭矩下降15.2%、掘進(jìn)速度提高29.3%。利用渣土改良技術(shù)后，掘進(jìn)速度有明顯提高，刀盤扭矩下降幅度較大，推力有一定的下降。通過泡沫和膨潤土改良后，渣土的表面張力降低，渣土流塑性較好，同時(shí)由于泡沫和膨潤土的潤滑作用，砂土對刀盤和刀具的摩擦作用降低，膨潤土對刀盤和刀具也具有一定的降溫作用。

圖2 渣土未改良掘進(jìn)參數(shù)

圖3 渣土改良后掘進(jìn)參數(shù)

(3)沉降控制

全斷面砂層盾構(gòu)施工地表沉降曲線如圖4所示，累計(jì)沉降量控制在10 mm以內(nèi)，部分累計(jì)沉降量大于10 mm，但均未超過15 mm；沉降速率主要分布在0.01～0.02 mm/d范圍內(nèi)。地表管線以及建(構(gòu))筑物整體沉降在可控范圍內(nèi)，達(dá)到了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在長距離全斷面砂層掘進(jìn)中無需開倉換刀順利出洞的目的。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)沉降曲線

7 結(jié)論

復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工會遇到各種技術(shù)難題，從而影響盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。對于全斷面砂層盾構(gòu)施工，由于砂土摩擦系數(shù)大、顆粒強(qiáng)度高、流塑性和自穩(wěn)性差，導(dǎo)致刀盤和刀具磨損嚴(yán)重、掘進(jìn)推力和扭矩大、掘進(jìn)速度慢、地表沉降過大甚至出現(xiàn)地面坍塌。通過對渣土改良，刀盤、刀具和泡沫系統(tǒng)改造等施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并對施工關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施后的效果進(jìn)行評價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)渣土改良是全斷面砂層盾構(gòu)施工中的核心技術(shù)。根據(jù)地層條件利用膨潤土和泡沫劑對渣土進(jìn)行改良，改良后渣土的流塑性好，掘進(jìn)過程中推力和扭矩減小，掘進(jìn)速度提高，同時(shí)降低了渣土對刀盤和刀具的磨損作用。

(2)通過對盾構(gòu)機(jī)刀盤和刀具進(jìn)行改造，提高了刀盤和刀具的切削能力，同時(shí)延長了刀盤和刀具的使用時(shí)間，刀盤和刀具的磨損得到有效控制。

(3)將泡沫系統(tǒng)中單泵多管改造為單管單泵，改造后泡沫系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提升，提高了渣土改良效果。

(4)采用渣土改良、刀盤和刀具改造及泡沫系統(tǒng)改造等施工關(guān)鍵技術(shù)后，地表管線以及建(構(gòu))筑物整體沉降在可控范圍內(nèi)。