巴偉軍
(杭州市富陽(yáng)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,浙江 杭州 311499)
隨著城市人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市的交通壓力急劇增大,城市地面交通難以承受巨大的交通壓力。因此許多大型城市開(kāi)始建設(shè)地下交通網(wǎng)絡(luò),地下交通也成為城市交通網(wǎng)的重要一環(huán),地鐵隧道、地下公路隧道建設(shè)越來(lái)越多[1]。
在城市內(nèi)部開(kāi)挖隧道時(shí),要求對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較小以及盡量不影響城市地面的交通運(yùn)行,所以城市內(nèi)隧道開(kāi)挖通常采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工[2]。過(guò)江地鐵隧道、過(guò)江公路隧道通常是位于富水卵石地層中的超淺埋隧道。由于隧道上層覆土的深度較淺,并且位于飽和水體中,在盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中浮力和隧道自身重力難以平衡,存在著隧道上浮偏離軸線的問(wèn)題[3]。并且在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中隧道還會(huì)受到地基回彈的影響,一定程度上加劇隧道的向上偏離[4]。在開(kāi)挖過(guò)程中,不采取一定的加固措施,隧道可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、漏水的情況,造成極大的生產(chǎn)事故。
針對(duì)上述的問(wèn)題,許多學(xué)者對(duì)富水卵石地層中的超淺埋隧道施工進(jìn)行了研究。胡長(zhǎng)明等[5]為了提高盾構(gòu)設(shè)備在富水砂卵石地層中掘進(jìn)施工的能力,研究對(duì)富水卵石地層進(jìn)行碴土改良的方法,并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析驗(yàn)證渣土改良劑的比例。戴志仁等[6]提出在隧道開(kāi)挖過(guò)程中向中盾注入惰性漿液以增加隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)可控性的方法。這為富水卵石地層中的超淺埋隧道掘進(jìn)問(wèn)題提供新思路。
本文基于杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路工程實(shí)例,針對(duì)該類隧道施工問(wèn)題,提出一種適用于超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工技術(shù)。
杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路起始于富春江東南側(cè)的江南始發(fā)井,如圖1 所示。盾構(gòu)機(jī)穿越江濱南大道和江南大堤進(jìn)入富春江,橫跨富春江后再下穿江北大堤和江濱西大道,最后到達(dá)江北工作井進(jìn)行接收。線路全長(zhǎng)為1253.9m,盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖隧道直徑為15.76m。隧道段靠近江南始發(fā)井一側(cè)120m 范圍內(nèi)為粉細(xì)砂、卵石土夾雜少量圓礫地層,后續(xù)934m 為全斷面卵石地層,最后靠近江北工作井一側(cè)200m 范圍內(nèi)為卵石土夾雜少量圓礫土地層。施工期間盾構(gòu)隧道的覆土厚度僅為9.5m~13.6m,均小于1 倍隧道洞徑,最小覆土厚度僅0.63D。該隧道屬于超淺埋富水卵石地層的大斷面盾構(gòu)隧道。
圖1 工程平面示意圖
本工程江南始發(fā)井附近地層主要由粉細(xì)砂、卵石土構(gòu)成,該地層具有較強(qiáng)的透水性。盾構(gòu)機(jī)在江南始發(fā)井開(kāi)始進(jìn)入土體時(shí)容易發(fā)生涌水、涌砂的情況,處理不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)掌子面塌方等嚴(yán)重事故。
本工程隧道下穿富春江的防洪大堤,一旦大堤受損后果不堪設(shè)想。施工過(guò)程中必須減少對(duì)防洪大堤的擾動(dòng),確保防洪大堤的安全穩(wěn)定。
本工程盾構(gòu)隧道超大斷面掘進(jìn)且穿越富春江江底覆土層較淺,掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)覆土擊穿和管片上浮的問(wèn)題。一旦發(fā)生覆土擊穿將會(huì)使開(kāi)挖過(guò)程中的泥漿進(jìn)入富春江造成污染。管片上浮則會(huì)導(dǎo)致管片出現(xiàn)滲水、漏水的問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片間隙間涌水、涌砂。
本工程盾構(gòu)穿越透水性極強(qiáng)的地層時(shí),保證盾構(gòu)整體的密封狀態(tài),是本工程施工的難點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中需要保持良好的姿態(tài)來(lái)取得較好的密封效果。
隧道的始發(fā)井靠近富春江,地質(zhì)條件較差。盾構(gòu)機(jī)在江南始發(fā)井開(kāi)始進(jìn)入土體時(shí),需要打通洞門范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻,穿越洞門。始發(fā)井周圍地層主要由含水量高的粉細(xì)砂、卵石土構(gòu)成,土體強(qiáng)度較低。打通地下連續(xù)墻時(shí),土體極易發(fā)生涌水、涌砂的問(wèn)題,處理不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)掌子面塌方等嚴(yán)重事故。因此需要針對(duì)洞門處土體穩(wěn)固問(wèn)題,做出保險(xiǎn)措施并裝備應(yīng)急預(yù)案。
在城市內(nèi)部開(kāi)挖隧道時(shí),要求對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小,盾構(gòu)段盡量不影響城市地面的交通運(yùn)行;同時(shí),工程隧道下穿富春江的防洪大堤,保證富春江防洪大堤的安全。始發(fā)井到富春江大堤的距離為80m,地質(zhì)條件較差,掘進(jìn)過(guò)程中泥漿流失過(guò)多將對(duì)大堤產(chǎn)生影響。如何確保盾構(gòu)平穩(wěn)穿越富春江大堤,同時(shí)對(duì)周邊土體產(chǎn)生較小的擾動(dòng),是隧道施工的難題。
該工程隧道是穿越富春江江底的超大斷面超淺埋隧道,覆土厚度為9.5m~13.6m,不足0.8D。由于隧道上層覆土的深度較淺,并且位于飽和水體中,在盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中隧道位于飽和土體中,浮力以及隧道自身重力難以平衡,存在著隧道上浮偏離軸線的問(wèn)題。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中,隧道還會(huì)受到地基回彈的影響,一定程度上加劇隧道的向上偏離。富春江是一級(jí)飲用水源,為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源,一旦發(fā)生覆土被擊穿,將會(huì)使開(kāi)挖過(guò)程中的泥漿進(jìn)入富春江造成污染。
富水卵石地層中超淺埋隧道掘進(jìn)過(guò)程中,管片受到漿液的浮力大于在飽和土中受到的浮力,管片會(huì)出現(xiàn)上浮問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致管片間隙出現(xiàn)滲水、漏水的問(wèn)題出現(xiàn),嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片間隙間涌水、涌砂;同時(shí),隧道向上偏離也會(huì)影響管片的拼裝,影響工程質(zhì)量。
始發(fā)井土體不穩(wěn)定的問(wèn)題在許多盾構(gòu)工程項(xiàng)目中都會(huì)出現(xiàn),這與隧道始發(fā)井所處的位置有關(guān)。對(duì)于這一類問(wèn)題解決的方法、措施較為成熟,并且解決方案與工程實(shí)際地質(zhì)條件有關(guān)。本文將介紹杭州秦望通道工程江南始發(fā)井采取措施,以供參考。
如圖2 所示,該工程隧道掘進(jìn)前先對(duì)地下連續(xù)墻的土體進(jìn)行加固,提高墻后土體的強(qiáng)度穩(wěn)定性。同時(shí)在開(kāi)挖區(qū)域布置井點(diǎn)降水管,降低地下水水位至盾構(gòu)設(shè)備能夠安全進(jìn)洞水平。破除洞門地下連續(xù)墻需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),確保在快速拆除洞門時(shí),墻后土體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)緩慢掘進(jìn),不能損壞了洞門橡膠密封圈。
圖2 洞門破除
盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生擾動(dòng)問(wèn)題、隧道上浮偏離軸線問(wèn)題以及隧道密封性問(wèn)題這三類問(wèn)題之間有相互聯(lián)系,在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮。為解決隧道盾構(gòu)穩(wěn)定掘進(jìn)綜合問(wèn)題,杭州秦望通道工程盾構(gòu)段運(yùn)用了一種適用于超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工技術(shù)。該項(xiàng)施工技術(shù)研發(fā)了一種適用于大斷面盾構(gòu)隧道的同步雙液注漿技術(shù),以及一種基于VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)外加人工測(cè)量輔助的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù),并且在隧道掘進(jìn)過(guò)程中利用預(yù)埋鋼板抑制隧道上浮問(wèn)題,確保施工質(zhì)量與施工安全。
在技術(shù)研發(fā)中,同步雙液注漿技術(shù)對(duì)原有的盾構(gòu)注漿系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),在原有的基礎(chǔ)上額外增加B液注漿系統(tǒng)。原理如圖3 所示。原有的注漿管道在這一改動(dòng)下變?yōu)榱穗p液注漿管,從而能夠完成漿液混合、同步注入以及清洗功能,同時(shí)同步雙液注漿也顯著提高了施工效率?;旌蠞{液中添加快速凝膠,提高漿液質(zhì)量的同時(shí)也加快凝膠速度,這使得管片脫離盾尾后能夠快速被固定。同步雙液注漿技術(shù)能夠有效控制管片的安裝姿態(tài),抑制管片發(fā)生上浮的情況,有效減少管片間隙開(kāi)裂發(fā)生滲水情況。
圖3 同步雙液注漿原理圖
注漿系統(tǒng)采用8 個(gè)注漿孔同步注漿。為了更好控制注漿狀況,在注漿孔布置壓力傳感器,從而實(shí)現(xiàn)注漿情況實(shí)時(shí)監(jiān)控,保證達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量。同步注漿讓管片外側(cè)因?yàn)殚_(kāi)挖流失土體的區(qū)域得到漿液的填充,隧道掘進(jìn)區(qū)域的地層沉降能夠得到控制。在局部區(qū)域,可能存在管片外側(cè)漿液分布不均勻、漿液稀釋流失的情況,必要時(shí)需要進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。特殊地段(尤其是本工程防洪大堤段)在施工過(guò)程中可以采用地表沉降信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外加管片側(cè)超聲波探測(cè)的方法,來(lái)判斷隧道該地段是否需要進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。
VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠全天候顯示盾構(gòu)機(jī)所處的實(shí)際位置,以及當(dāng)前狀態(tài)下和預(yù)先設(shè)計(jì)隧道軸線的偏差,并能夠預(yù)測(cè)隧道掘進(jìn)的趨勢(shì)。VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。隧道掘進(jìn)可根據(jù)VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)給出的信息調(diào)整控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向,使其按照施工計(jì)劃進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)向系統(tǒng)的后視基準(zhǔn)點(diǎn)需要通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行前移。為保證隧道掘進(jìn)方向不發(fā)生偏差,每周至少需要進(jìn)行兩次人工測(cè)量來(lái)對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)校核,以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定正常。
圖4 VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)示意圖
盾構(gòu)機(jī)使用的管片在管片的內(nèi)環(huán)面?zhèn)炔贾醚丨h(huán)向和沿縱向的預(yù)埋鋼板,在管片安裝后可用T 形焊鐵將管片環(huán)內(nèi)部環(huán)與環(huán)、塊與塊之間的預(yù)埋鋼板焊接起來(lái),如圖5 所示。預(yù)埋件焊接牢固后,再將剪力銷安裝到管片端面處,用于減小管片由推力產(chǎn)生的豎向分力,同時(shí)還能提高管片的安裝精度。
圖5 焊鐵分布圖
如圖6 所示,采用預(yù)埋鋼板外加焊接的方法相比于傳統(tǒng)施工方法,能夠有效保證隧道管片環(huán)的剛度。這對(duì)于富水地層隧道上浮向上偏離軸線的問(wèn)題起到抑制作用,確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道安全性和穩(wěn)定性。
圖6 管片外部預(yù)埋鋼板焊接圖
針對(duì)超淺埋富水卵石地層公鐵合建大斷面盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工遇到的一系列問(wèn)題,本文基于杭州秦望通道工程盾構(gòu)段線路工程實(shí)例,對(duì)該類隧道施工問(wèn)題進(jìn)行研究:
(1)研發(fā)了一種適用于大斷面盾構(gòu)隧道的同步雙液注漿技術(shù),提高掘進(jìn)效率的同時(shí)抑制管片發(fā)生上浮的情況,有效減少管片間隙開(kāi)裂發(fā)生滲水的情況。同步注漿的快速凝固特性能夠讓管片外側(cè)因?yàn)殚_(kāi)挖流失土體的區(qū)域得到漿液的填充,隧道掘進(jìn)區(qū)域的地層沉降能夠得到控制。
(2)研發(fā)了一種基于VMT 隧道自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)外加人工測(cè)量輔助的盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際位置和掘進(jìn)姿態(tài)的全天監(jiān)測(cè),掘進(jìn)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)能夠及時(shí)糾偏。外加人工測(cè)量來(lái)對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)校核,以確保盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定正常。
(3)研發(fā)了一種預(yù)埋鋼板外加T 形焊鐵焊接固定的方法,能夠有效保證隧道管片環(huán)的剛度,減小管片由推力產(chǎn)生的豎向分力,同時(shí)還能提高管片的安裝精度。這對(duì)隧道上浮向上偏離軸線的問(wèn)題起到了抑制作用,確保了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道的安全性和穩(wěn)定性。