大埋深盾構(gòu)隧道穿越全斷面砂層施工關(guān)鍵技術(shù)

祝思然,謝文達(dá),陳敏捷

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

盾構(gòu)法由于具有安全、快速的優(yōu)點(diǎn),在隧道建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí),將刀盤切削下來的土體當(dāng)作土倉傳力介質(zhì)[1],通過對(duì)土倉內(nèi)渣土加壓來平衡開挖面前方的水土壓力。隨著施工技術(shù)的發(fā)展,土壓平衡盾構(gòu)通過改進(jìn)設(shè)備、輔助工法等措施已經(jīng)能夠適應(yīng)多種地層。但土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)時(shí),地層具有細(xì)顆粒含量低、內(nèi)摩擦角大、穩(wěn)定性差、含水量高、滲透系數(shù)大等特點(diǎn)[2],施工中常遇到出渣困難、刀具磨損大和螺旋機(jī)噴涌等問題[3],導(dǎo)致盾構(gòu)施工不能順利進(jìn)行。

針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中施工遇到的各種問題,眾多研究人員通過現(xiàn)場實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)等方法進(jìn)行了研究。魏康林[4]從水壓力和滲流量的角度,研究了土壓平衡盾構(gòu)噴涌發(fā)生的條件和機(jī)理,從土的滲透系數(shù)和顆粒級(jí)配等參數(shù)出發(fā),對(duì)盾構(gòu)施工發(fā)生噴涌的可能性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。邱龑等[5]針對(duì)深圳富水砂層,通過對(duì)渣土改良后的土樣進(jìn)行電鏡掃描、壓縮、滲透等室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)渣土改良添加劑改善富水砂土的流塑性、保水性及開挖面動(dòng)態(tài)土壓平衡機(jī)理進(jìn)行了研究。閆瀟等[6]分析了土壓平衡盾構(gòu)穿越湖底富水粉細(xì)砂層的施工風(fēng)險(xiǎn),通過調(diào)整渣土改良參數(shù),提高高分子聚合物添加劑濃度、優(yōu)化同步注漿配比等措施,有效控制了螺旋機(jī)噴涌及下穿湖泊時(shí)湖底沉降。

本文以廣州地鐵十八號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間為工程背景,分析總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)在上覆大厚度(約29 m)淤泥和淤泥質(zhì)土條件下,在全斷面富水砂層中掘進(jìn)的主要難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)方法,研究結(jié)論可供類似工程參考。

1 工程背景

廣州地鐵十八號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間(以下簡稱“本區(qū)間”)全長2 481 m,隧道管片外徑8.5 m,環(huán)寬1.6 m,采用2臺(tái)開挖直徑8.84 m的土壓平衡盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行施工,主要參數(shù)見表1。本區(qū)間隧道左線1 000～1 555環(huán)、右線1 200～1 762環(huán)位于全斷面砂層,穿越砂層段隧道覆土厚度為30.3～34.1 m。本區(qū)間地表地勢(shì)平坦,地面海拔為5.08～9.60 m,起伏較小,周邊建筑物稀少,多為平坦的農(nóng)田。

表1 盾構(gòu)設(shè)備主要參數(shù)

本區(qū)間隧道在穿越砂層段地層從上到下依次為:雜填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥和淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂,如圖1所示,主要物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。本區(qū)間全線地下水埋深為1～3 m,為富水地層,盾構(gòu)頂部水頭約30 m,穿越砂層段主要為第四系松散層孔隙水。

圖1 隧道地質(zhì)情況

表2 地層主要物理力學(xué)參數(shù)

廣州地鐵十八號(hào)線區(qū)間下穿橫瀝水道、蕉門水道、西瀝水道、沙灣水道、市橋水道、三枝香水道、珠江等水體和現(xiàn)有地鐵線路、鐵路線、建筑物,并與已開通多個(gè)地鐵站點(diǎn)進(jìn)行改造換乘,存在大量征借地、拆遷工作,土建工期較為緊張?？紤]到本區(qū)間隧道下穿環(huán)境為農(nóng)田,沉降控制要求不嚴(yán)格,因此本區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)。

2 盾構(gòu)穿越砂層施工主要難點(diǎn)

盾構(gòu)穿越全斷面砂層主要難點(diǎn)如下:

1)隧道上方存在厚度較大的淤泥和砂層,含水量大,且透水性強(qiáng),極易失水,造成地表過量沉降。

2)隧道位于全斷面中粗砂、粉細(xì)砂層,且地下水位高,一旦土倉出現(xiàn)欠壓,會(huì)造成大量砂涌入土倉,若不及時(shí)采取措施,會(huì)導(dǎo)致地面過量沉降。

3)富水砂層多采用泥水盾構(gòu)施工,而本區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)在全斷面富水砂層中施工,渣土改良效果不理想,易出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)噴涌、盾構(gòu)刀具刀盤和土倉內(nèi)壁磨損較大等情況。

4)盾構(gòu)設(shè)備長距離掘進(jìn),易導(dǎo)致盾尾刷密封失效,盾尾涌水、涌砂。

3 施工控制措施

目前,本區(qū)間左、右線已全部貫通。其中,左線總環(huán)數(shù)為1 555環(huán),右線為1 762環(huán)。本節(jié)總結(jié)了施工過程中本區(qū)間對(duì)于穿越全斷面中粗砂層的主要應(yīng)對(duì)措施。

3.1 盾構(gòu)施工參數(shù)控制

盾構(gòu)穿越全斷面砂層段施工參數(shù)控制主要有土壓力、姿態(tài)、同步注漿、推進(jìn)速度、出土量幾個(gè)方面。

1)土壓力。通過砂層時(shí),先采用氣壓輔助模式掘進(jìn),不能保壓時(shí)采用土壓平衡模式掘進(jìn)。土倉壓力控制為不低于刀盤中心的地下水壓力,即0.23 MPa～0.25 MPa。

2)姿態(tài)。盾構(gòu)姿態(tài)控制為水平、垂直方向偏差小于±50 mm,姿態(tài)偏差較大時(shí)應(yīng)緩慢糾偏,避免造成管片損壞、盾構(gòu)蛇行等問題。

3)同步注漿。同步注漿緊跟盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行,注漿量每環(huán)不低于12 m3(160%注入率),注漿壓力不超過0.35 MPa。

4)推進(jìn)速度。盾構(gòu)通過全斷面砂層時(shí),為了減小對(duì)地層的擾動(dòng),需要快速掘進(jìn)。在砂層段盾構(gòu)推進(jìn)速度控制為80～110 mm/min。

5)出土量。盾構(gòu)穿越砂層時(shí),需要嚴(yán)格控制出土量,避免過量出土。地層渣土松散系數(shù)按1.3計(jì)算,通過計(jì)數(shù)渣土車數(shù)量估算出渣量(每車20 m3),每環(huán)出渣量為90～120 m3(6車)。

3.2 防噴涌

盾構(gòu)在富水砂層中施工,地層含水量大、水壓力高,穩(wěn)定性較差。地層中細(xì)顆粒含量少,砂礫渣土無法形成流塑或軟塑固體,在土倉內(nèi)形成水、渣離析狀態(tài)。當(dāng)螺旋輸送機(jī)排土?xí)r,大量泥渣水從螺旋輸送機(jī)噴射出來形成噴涌,導(dǎo)致土壓難以控制,增大對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。以下為防止發(fā)生噴涌的主要措施:

1)渣土改良是防止噴涌的關(guān)鍵。根據(jù)掘進(jìn)速度、刀盤扭矩、出渣稠度和噴涌頻率調(diào)整注入膨潤土、高分子聚合物注入量,使渣土形成流塑狀態(tài),降低透水性,阻止水砂分離。

2)合理設(shè)置施工參數(shù)。土壓力應(yīng)略高于水壓力,確保掌子面壓力平衡;通過控制推力和出渣量,維持土倉壓力穩(wěn)定,防止超挖。

3)根據(jù)勘察報(bào)告和渣樣分析,了解地層情況,及時(shí)調(diào)整渣土改良方案,防止發(fā)生噴涌。

4)螺旋輸送機(jī)出口安裝防噴涌裝置。出渣門控制總成與螺旋機(jī)出土口連接、形成密閉空間,出土開口與出渣速度主要由出渣門控制總成中的葉輪控制。出渣控制總成的開口率較小,并且葉輪會(huì)對(duì)突然出現(xiàn)的涌水等形成一個(gè)緩沖,以此防止噴涌(見圖2)。

圖2 出渣控制總成設(shè)計(jì)

3.3 渣土改良

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越富水砂層具有較大的風(fēng)險(xiǎn),由于砂層自身的不穩(wěn)定性和土倉內(nèi)砂質(zhì)渣土易離析沉淀,極易造成盾構(gòu)機(jī)前方地表塌方及構(gòu)筑物開裂損壞,因此在富水砂層中掘進(jìn)對(duì)渣土改良效果要求極高,只有渣土達(dá)到理想的改良效果,才能在土倉內(nèi)實(shí)現(xiàn)土壓的動(dòng)態(tài)平衡,避免噴涌現(xiàn)象發(fā)生,從而降低對(duì)前方土體的擾動(dòng)。富水砂層渣土改良須解決以下問題:

1)提高土倉內(nèi)渣土抗?jié)B性,避免開挖面因排水固結(jié)而造成地表較大沉降、防止渣土滲透性大而發(fā)生噴涌。

2)降低土倉內(nèi)渣土內(nèi)摩擦角,提高流動(dòng)性,減小渣土對(duì)刀盤刀具的磨耗,降低刀盤扭矩。

3)防止停機(jī)后渣土離析、沉淀、密實(shí)導(dǎo)致刀盤再次啟動(dòng)時(shí)扭矩過大,啟動(dòng)困難。

渣土改良主要通過向土倉內(nèi)注入添加劑來進(jìn)行,常用添加劑種類及作用如表3所示[7]。

表3 渣土改良常用添加劑

本區(qū)間左線穿越砂層過程中,對(duì)渣土進(jìn)行分析,得出渣土的顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。從級(jí)配曲線可知,渣土曲率系數(shù)為2,不均勻系數(shù)為9,表明渣土級(jí)配良好;渣土中粗砂(0.5～2 mm)占比較高,中砂(0.25～0.5 mm)和粗砂占比超過50%;粒徑小于0.075 mm的細(xì)顆粒占比偏少,約為11%～14.5%。

圖3 渣土顆粒級(jí)配曲線

對(duì)其他盾構(gòu)穿越砂層工程[8-12]渣土改良案例總結(jié)分析(見表4)發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)叵滤惠^高,地層中細(xì)顆粒占比較少的砂層,渣土改良均采用多種添加劑配合使用的方法。

表4 渣土改良常用添加劑 m

本區(qū)間由于地層中有一定的含泥量(11%～14.5%)且顆粒級(jí)配較好,因此采用了只添加泡沫的渣土改良方法。泡沫劑主要是由水、活性劑、聚合物等組成,主要作用有[13]:

1)包圍土顆粒,降低內(nèi)摩擦角,減小刀盤和螺旋輸送機(jī)扭矩,減少刀具磨損;

2)穩(wěn)定土倉壓力,建立土壓平衡;

3)改善土體流塑性;

4)減小渣土滲透系數(shù),提高止水性。

有研究[14]認(rèn)為,螺旋輸送機(jī)自身的壓縮效應(yīng)和排土閘門可抵抗10 kPa的水壓力和3×10-6m3/s的滲流量,水壓力和滲流量中的任一指標(biāo)低于這2個(gè)值,可認(rèn)為不會(huì)發(fā)生噴涌,2個(gè)指標(biāo)同時(shí)超過,視為噴涌發(fā)生。螺旋出土器出口的壓力水頭和水流量之間的關(guān)系可按式(1)計(jì)算。

(1)

式中:H2為螺旋機(jī)出口的壓力水頭,m;H1為開挖面的壓力水頭,m;Q為滲流量,m3/s;L1為盾構(gòu)土倉深度,m;L2為螺旋機(jī)長度,m;K為渣土滲透系數(shù),m/s;A1為盾構(gòu)土倉橫截面積,m2;A2為螺旋機(jī)橫截面積,m2。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備參數(shù)并取滲流量Q=3×10-6m3/s、螺旋機(jī)出口水壓力10 kPa(1 m水頭)進(jìn)行計(jì)算,得到噴涌發(fā)生的臨界滲透系數(shù)為1.46×10-6m/s,渣土滲透系數(shù)大于該值時(shí)發(fā)生噴涌。由于隧道上覆土為厚度較大的淤泥和淤泥質(zhì)土,滲透系數(shù)較低,開挖面壓力水頭低于靜水壓力,因此計(jì)算出的臨界滲透系數(shù)偏小。

本區(qū)間在盾構(gòu)穿越砂層時(shí),泡沫注入量為每環(huán)約40 L,泡沫原液與水的比例為2%。注入泡沫劑后,渣土滲透系數(shù)從1.39×10-4m/s降至約1.0×10-6m/s,低于發(fā)生噴涌的臨界滲透系數(shù),實(shí)際施工過程中未發(fā)生噴涌;采用水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀測(cè)定渣土流動(dòng)度約160 mm,具有良好的流動(dòng)性;左線盾構(gòu)刀盤扭矩情況如圖4所示,由圖可知盾構(gòu)刀盤扭矩最大約為12 000 kN·m,遠(yuǎn)低于盾構(gòu)最大扭矩17 960 kN·m,表明渣土改良效果良好。

圖4 盾構(gòu)刀盤扭矩

4 沉降控制

在盾構(gòu)穿越中粗砂層段時(shí),分別取左線隧道(1 284、1 334、1 384、1 434環(huán))、右線隧道(1 286、1 337、1 385、1 436環(huán))正上方地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)盾構(gòu)通過前后的沉降值繪制時(shí)間歷程曲線,如圖5所示(橫坐標(biāo)0表示刀盤位于測(cè)點(diǎn)下方)。由圖5可知,盾構(gòu)通過測(cè)點(diǎn)后,8個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降穩(wěn)定值均低于控制值-30 mm,沉降控制情況較好;從沉降穩(wěn)定時(shí)間看,大部分測(cè)點(diǎn)沉降均在盾構(gòu)刀盤通過測(cè)點(diǎn)后約3天穩(wěn)定。

圖5 地表沉降情況

5 結(jié)論

本文以廣州地鐵十八號(hào)線土壓平衡盾構(gòu)在大埋深下穿越全斷面砂層為背景,總結(jié)了施工過程中的關(guān)鍵技術(shù),得出以下結(jié)論:

1)盾構(gòu)穿越富水砂層時(shí),由于砂層含水量大,地下水壓力高,渣土滲透性強(qiáng),易發(fā)生螺旋輸送機(jī)噴涌。故應(yīng)在螺旋輸送機(jī)出口安裝防噴涌裝置并根據(jù)地層條件采取相應(yīng)的渣土改良措施避免發(fā)生噴涌。

2)盾構(gòu)富水砂層掘進(jìn)時(shí),渣土改良是施工過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。按經(jīng)驗(yàn),一般地層中的細(xì)顆粒占比應(yīng)達(dá)到30%以上才能使渣土具有一定流動(dòng)性和止水性,本工程中地層細(xì)顆粒占比僅11%～14.5%,但并未發(fā)生噴涌且螺旋機(jī)出土順暢,表明本工程針對(duì)區(qū)間地層條件采用只注入泡沫的方法進(jìn)行渣土改良是可行的。因此施工中應(yīng)根據(jù)地層條件,通過試驗(yàn)等方法確定適合的渣土改良方法。

3)由于砂層在受擾動(dòng)時(shí)易發(fā)生坍塌,盾構(gòu)在通過砂層時(shí)可通過加快推進(jìn)速度、盡量保持各施工參數(shù)穩(wěn)定的方法快速穿越砂層段,避免對(duì)地層的過量擾動(dòng)。同時(shí)嚴(yán)格控制出土量,保證同步注漿和二次注漿質(zhì)量,將地表沉降控制在正常范圍。