小凈距隧道盾構(gòu)接收施工控制技術(shù)

張慶欣

(新疆昆侖工程咨詢管理集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450016)

1 工程概況

鄭州市軌道交通12號線一期工程河西車輛段—圣佛寺站區(qū)間,包含1個(gè)盾構(gòu)區(qū)間和1個(gè)明挖區(qū)間[1]。其中隧道區(qū)間出河西車輛段向北敷設(shè)下穿機(jī)場高速后,到達(dá)位于經(jīng)開第三大街的圣佛寺站南端頭。

盾構(gòu)區(qū)間左線起點(diǎn)里程為左SSK0+088.941,終點(diǎn)里程為左SSK0+997.842,左線長度為908.901 m,設(shè)計(jì)605環(huán)管片。區(qū)間出口端605環(huán)處最小凈間距1.73 m,602環(huán)位置凈距2.12 m,600環(huán)位置凈距2.50 m,598環(huán)位置凈距2.88 m,596環(huán)位置凈距3.27 m,594環(huán)位置3.65 m,592環(huán)位置凈距4.04 m,590環(huán)位置凈距4.42 m,575環(huán)位置凈距為6.8 m,線間距約13 m,過渡到正常線間距,見圖1。

始發(fā)井設(shè)置在河西成兩段端,圣佛寺站端接收,接收端設(shè)計(jì)為4線隧道,進(jìn)出河西車輛段2條線,預(yù)留二期工程2條正線。圣佛寺站始發(fā)端采用WSS樁加固,加固長度4 m,開挖輪廓線外3 m;接收端采用三軸攪拌樁和高壓旋噴樁加固,加固長度8 m,開挖輪廓線外3 m。

工程位于鄭州市東南部,為黃河沖擊平原。接收端頭自上而下主要為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉砂及細(xì)砂層,地下水類型屬第四系松散巖類孔隙潛水,主要賦存于②42粉砂、②51細(xì)砂層中,屬強(qiáng)透水層。接收端頭初勘期間穩(wěn)定水位埋深約為13 m。圣佛寺站南區(qū)影響車站主體施工管線全部遷改完成,現(xiàn)對圣佛寺站南區(qū)場地內(nèi)及周邊管線進(jìn)行交底,管線主要有:雨水,污水,給水,天然氣,10 kV電力,弱電,熱力。采用兩臺CTE6440E-0660型土壓平衡施工。

2 工程風(fēng)險(xiǎn)分析

工程風(fēng)險(xiǎn)一般包括工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和工程自身風(fēng)險(xiǎn)。本工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要為接收端附近地下管線,有雨水、污水、燃?xì)獾裙芫€通過,但不在端頭加固區(qū)范圍內(nèi),且埋置較淺,總體風(fēng)險(xiǎn)不大。工程風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)是工程自身風(fēng)險(xiǎn),接收端頭的高水位、高透水性的粉砂、細(xì)砂地層,1.7 m的小凈距隧道和施工不當(dāng)可能誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在下列四方面:1)端頭加固不到位,施工控制不當(dāng)超挖,富水砂層泥水流失引起地表變形、沉降、塌陷等風(fēng)險(xiǎn)。2)地表變形、沉降、塌陷引起地下雨污水管沉降、變形、破裂、涌水、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。3)地下水降水不到位或雨污水管道破裂引起隧道透水、涌水、涌泥、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)[2]。4)盾構(gòu)掘進(jìn)出洞側(cè)壓力增大、圍巖擾動變形引起先行隧道管片變形沉降、錯臺、破裂甚至坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。

3 接收施工控制技術(shù)方案

3.1 總體方案

根據(jù)小凈距隧道盾構(gòu)施工接收可能產(chǎn)生的工程風(fēng)險(xiǎn),制定有針對性的接收措施方案。通過改善接收工程自身不良水文、地質(zhì)條件,優(yōu)化盾構(gòu)出洞掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)和控制措施,提高監(jiān)控量測信息化管理水平,實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)接收動態(tài)控制以保證盾構(gòu)安全接收出洞。先行洞右線隧道先期貫通,后行洞左線隧道滯后1個(gè)月左右再貫通,前后拉開距離約180環(huán)270 m。

3.2 接收控制技術(shù)措施

富水砂層小凈距隧道盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)較大,施工控制難度大,我們通過事前、事中和事后系統(tǒng)控制化解風(fēng)險(xiǎn)。事前做好端頭加固、端頭降水、接收聯(lián)系測量、監(jiān)控量測、接收托架、軌道架設(shè),洞門破除、洞門密封、先行洞加固、后行洞加固、材料準(zhǔn)備(管片)和盾構(gòu)維修保養(yǎng)、人員交底教育培訓(xùn)等工作,事中做好盾構(gòu)掘進(jìn)、管片拼裝、同步注漿和盾構(gòu)姿態(tài)等技術(shù)控制工作,事后做好洞門環(huán)梁、壁厚二次注漿加固和工后監(jiān)控量測等工作,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)動態(tài)處理,確保施工質(zhì)量和安全。

3.2.1 端頭加固

圣佛寺站端頭設(shè)置一道三軸攪拌樁止水帷幕,攪拌樁加固體與止水帷幕同期施工,端頭加固攪拌樁與止水帷幕攪拌樁搭接長度為250 mm,在加固體和圍護(hù)樁之間進(jìn)行一排φ800@550 mm旋噴樁加固,旋噴樁需在攪拌樁與主體結(jié)構(gòu)施工均完成后再進(jìn)行施工,保證加固體與車站圍護(hù)樁間密貼、連續(xù)、無滲水通道。φ850@600 mm三軸攪拌樁加固范圍:縱向加固長度為8.0 m,加固寬度均為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)輪廓線左右各3 m,豎向加固范圍均為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)輪廓線上下各3 m。地基加固檢測在旋噴樁施工結(jié)束28 d后進(jìn)行,采用鉆孔取芯法進(jìn)行,檢驗(yàn)左右隧道范圍以外,距加固邊1.5 m各3個(gè)點(diǎn)。加固區(qū)加固強(qiáng)度指標(biāo)為:土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa,滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s,同時(shí)確保加固土體的均勻性、密實(shí)性,見圖2。

3.2.2 端頭降水

端頭加固完成之后進(jìn)行端頭降水工作,根據(jù)水文地質(zhì)情況及現(xiàn)場實(shí)際在端頭布置3口降水井,2口水位觀測井,降水井深度在加固區(qū)底部以下5 m,確保水位降到隧道底以下1 m。降水井壁管采用無砂混凝土管,管徑內(nèi)徑300 mm,外徑360 mm,采用型號規(guī)格QY12-40-2.2A的潛水泵抽水。

3.2.3 先行洞加固

為保證左線接收段掘進(jìn)時(shí)右線先行洞成型隧道結(jié)構(gòu)安全,在右線洞口位置沿隧道水平中心位置設(shè)置“*”字型橫向支撐和斜向支撐架,采用20工字鋼,每環(huán)設(shè)置一道,總計(jì)設(shè)置12道,對右線591環(huán)～604環(huán)范圍管片進(jìn)行加固,并沿隧道縱向設(shè)置20環(huán)管片槽鋼拉緊,采用16B槽鋼,設(shè)置6道,見圖3。

先行洞小凈距段盾構(gòu)隧道采用加強(qiáng)型Ⅱ型管片,鋼筋配筋量大,承載能力強(qiáng),并且每環(huán)管片增加6個(gè)注漿孔,通過注漿孔進(jìn)行小凈距中側(cè)壁深孔注漿,對中壁圍巖進(jìn)行進(jìn)一步加固。

3.2.4 監(jiān)控量測

1)管片結(jié)構(gòu)凈空收斂監(jiān)測。布點(diǎn)原則是沿著盾構(gòu)推進(jìn)方向,在盾構(gòu)接收段100 m范圍內(nèi)每5環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測斷面,標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間段每10環(huán)布設(shè)1個(gè)斷面;每個(gè)監(jiān)測斷面在兩側(cè)拱腰處布設(shè)管片結(jié)構(gòu)凈空收斂監(jiān)測點(diǎn)。因左線出洞位置與右線凈距較小(最小凈距為1.7 m),盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)中易對右線成型管片造成影響,現(xiàn)將該區(qū)域凈空收斂加密至每2環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測斷面,從586環(huán)到605環(huán)。

2)管片結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測。布點(diǎn)原則沿著盾構(gòu)推進(jìn)方向,在盾構(gòu)始發(fā)與接收段100 m范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間按照每10環(huán)設(shè)1個(gè)斷面,接收段按照5環(huán)設(shè)1個(gè)斷面進(jìn)行加密,區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段每個(gè)監(jiān)測斷面在拱底布設(shè)管片結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測點(diǎn)。因左線出洞位置與右線凈距較小(最小凈距為1.7 m),盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)中易對右線成型管片造成影響,現(xiàn)將該區(qū)域凈空收斂加密至每2環(huán)布設(shè)一個(gè)監(jiān)測斷面,從586環(huán)到605環(huán)。

3.2.5 接收聯(lián)系測量

在盾構(gòu)隧道貫通線100 m,60 m,30 m前各進(jìn)行三次貫通前的聯(lián)系測量,精確測設(shè)隧道中線和高程。根據(jù)貫通誤差調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài),以便于順利出洞。

3.2.6 接收托架、軌道安裝

接收托架安裝要嚴(yán)格根據(jù)隧道中線和軌道標(biāo)高定位,接收軌道中線要與隧道中線、盾構(gòu)中線三線合一,接收軌道標(biāo)高略低于始發(fā)軌道標(biāo)高10 mm,便于盾構(gòu)順利上接收軌道。

3.2.7 洞門密封

盾構(gòu)出洞前檢查洞門鋼環(huán)梁,安裝洞門折頁板和橡膠密封簾子布,穿好收口鋼絲繩,設(shè)置收口固定栓。折頁板、簾子布要圓順能夠密貼在盾構(gòu)上不漏水、不漏泥。

3.2.8 盾構(gòu)檢修

盾構(gòu)出洞前距洞口約30 m對盾構(gòu)最后一次檢查、維修、保養(yǎng),確保狀態(tài)良好一次性出洞成功。重點(diǎn)檢查盾構(gòu)推力油缸、主軸承、盾尾刷、拼裝機(jī)、螺旋機(jī)、測量裝置等。

3.2.9 材料準(zhǔn)備

出口段小凈距隧道采用Ⅲ型重載加強(qiáng)型管片,比通用管片承載能力強(qiáng),增加注漿孔,便于注漿加固圍巖。注漿漿液事前準(zhǔn)備好不同稠度、凝膠時(shí)間、強(qiáng)度的單液漿、雙液漿等注漿材料。

3.2.10 作業(yè)教育、交底

掘進(jìn)出洞前再次對作業(yè)及管理人員教育和交底,對總體出洞方案、步序、技術(shù)參數(shù)、控制要點(diǎn)和注意事項(xiàng)、可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)等講清楚、講明白,尤其是現(xiàn)場盾構(gòu)司機(jī)、管片拼裝工、注漿工和測量工,使每個(gè)人都了然于胸,有的放矢。

3.2.11 掘進(jìn)出洞技術(shù)控制

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中,盾構(gòu)姿態(tài)變幅越大,盾構(gòu)機(jī)越難控制,對地面沉降的影響也越大,要堅(jiān)持“勤監(jiān)測、勤糾偏、小糾偏”的原則,盡量實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的平緩?fù)七M(jìn);嚴(yán)禁一次性大幅度糾偏,造成超挖和對周圍土層的擾動,尤其是在小凈距接收段盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)參數(shù)的控制尤為重要,要保證平穩(wěn)、低速、連續(xù)、一次性通過,避免中途停機(jī)。

在進(jìn)入?yún)^(qū)間小凈距590環(huán)前,區(qū)間正常掘進(jìn),推力控制在800 t～1 100 t。在區(qū)間591環(huán)～600環(huán)掘進(jìn)過程中,降低推力至500 t,進(jìn)一步減小因盾體前進(jìn)所產(chǎn)生對區(qū)間右線隧道的水平側(cè)壓力,推進(jìn)速度控制在10 mm/min以內(nèi),扭矩控制在1 000 kN·m～1 300 kN·m,刀盤轉(zhuǎn)速控制在1 rpm～1.2 rpm。注漿壓力應(yīng)大于土倉壓力0.5 bar～1 bar,但必須小于盾尾油脂倉壓力,因此注漿壓力控制在2 Pa～2.5 Pa。根據(jù)管片壁后環(huán)形空隙與地層有效填充的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,Q=π(R2-r2)Lα=3.14×(3.232-3.12)×1.5×(1.5～2)=5.8 m3～7.8 m3。注漿量取盾尾空隙理論體積的1.5倍～2倍。根據(jù)前期掘進(jìn)過程中地面沉降監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整注漿量和注漿壓力。采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制,即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí),注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的95%以上時(shí),即可認(rèn)為達(dá)到了質(zhì)量要求,見表1。

表1 左線接收段掘進(jìn)參數(shù)表

4 其他注意事項(xiàng)

4.1 先行洞與后行洞要保持合適的距離和時(shí)間

本盾構(gòu)區(qū)間右洞先行貫通,左洞后行貫通,左右洞保持180環(huán)約270 m的距離,施工時(shí)間約一個(gè)月。先行動貫通后對其洞身進(jìn)行注漿加固,小凈距側(cè)壁深孔注漿加固,洞身設(shè)置“*”字型型鋼支撐架,鋼筋混凝土洞門環(huán)梁施工完成,增加先行洞洞身的整體穩(wěn)定性。

4.2 零環(huán)管片的拆除時(shí)機(jī)

盾構(gòu)機(jī)成功接收出洞后要對洞口段管片壁厚二次注漿,確保洞門段、環(huán)梁部位不滲不漏,壁厚漿液密實(shí),強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求方可拆除零環(huán)管片。零環(huán)管片的拆除切忌死拉硬拽粗暴摘除,防止損害正環(huán)管片棱角和螺栓孔,甚至不小心跌落砸傷管片及人員。

4.3 洞門環(huán)梁澆筑時(shí)機(jī)

零環(huán)管片拆除后及時(shí)施工洞門鋼筋混凝土環(huán)梁,使洞門環(huán)梁、車站端墻和隧道管片有機(jī)連成一體,增強(qiáng)整體性。洞門環(huán)梁施工完成強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,如有滲漏再次注漿封堵。

4.4 盾尾密封

盾構(gòu)穿越不良地質(zhì)或出洞前應(yīng)認(rèn)真檢查盾尾密封情況,檢查盾尾刷磨損情況,有無漏漿情況,及時(shí)維護(hù)和添加密封油脂,保證正常壓力不漏漿。盾尾漏漿將影響同步注漿質(zhì)量,可能導(dǎo)致隧道滲漏、錯臺等異常情況產(chǎn)生。

4.5 洞門密封

盾構(gòu)出洞前檢查洞門鋼環(huán)梁,安裝洞門折頁板和橡膠密封簾子布,穿好收口鋼絲繩,設(shè)置收口固定栓。折頁板、簾子布要圓順能夠密貼在盾構(gòu)上不漏水、不漏泥。

4.6 管片螺栓二次復(fù)緊

管片脫離盾尾后二次注漿前及時(shí)對管片彎螺栓二次復(fù)緊,提高隧道管片的整體性,防止螺栓松弛、圍巖應(yīng)力二次分布導(dǎo)致管片變形錯臺。

4.7 渣土改良

不同地質(zhì)和施工情況,科學(xué)合理的渣土改良可以有效改善渣土稠度黏性,可以預(yù)防渣土黏結(jié)刀盤、輸送帶產(chǎn)生泥餅,保持土倉壓力平衡穩(wěn)定開挖面,降低對刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損,預(yù)防螺旋輸送機(jī)噴涌等情況。在富水砂層小凈距隧道選擇適宜的渣土改良材料至關(guān)重要,根據(jù)試驗(yàn)采用天然鈉基膨潤土漿液和高分子聚合物作為渣土改良劑,渣土改良以膨潤土漿液為主,高分子聚合物為輔,取得了很好的效果。

4.8 應(yīng)急預(yù)案的落實(shí)

盾構(gòu)始發(fā)、接收和穿越障礙物是盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)較大的三種工況,應(yīng)根據(jù)工況編制有針對性切實(shí)可行的應(yīng)急預(yù)案,明確應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組人員和職能,技術(shù)組、救援組、醫(yī)療組、聯(lián)絡(luò)組、物資設(shè)備組等各職能小組的人員和分工職能,制定好應(yīng)急預(yù)案,備好人員、材料和設(shè)備以防不測[3]。

4.9 施工管理

盾構(gòu)隧道施工是大型設(shè)備高集成多工序一體化的施工方法,涉及開挖、掘進(jìn)、支護(hù)、襯砌、運(yùn)輸?shù)榷喙ば?各工序人員有效密切配合至關(guān)重要,預(yù)防中途無故停機(jī),保證連續(xù)、穩(wěn)定、快速掘進(jìn)通過可以有效避免很多意外產(chǎn)生。

5 結(jié)語

小凈距盾構(gòu)隧道始發(fā)、接收風(fēng)險(xiǎn)較大,需要根據(jù)地質(zhì)水文條件和工況特點(diǎn)制定有針對性的工程措施方可有效預(yù)防意外情況的發(fā)生,才能做到安全出洞順利接收成功。本工程從2022年3月10日至15日順利接收出洞,無任何意外情況發(fā)生。