張細(xì)寶,馮超博
(1、中鐵五局集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)沙 410075;2、中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410075)
盾構(gòu)施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)刀具異常磨損,或者針對(duì)特殊工程需更換不同刀具,如在盾構(gòu)截樁工程中到達(dá)指定換刀點(diǎn)更換針對(duì)截樁設(shè)計(jì)的刀具。通常由于地質(zhì)條件復(fù)雜,常壓開倉(cāng)條件無(wú)法滿足的,需要進(jìn)行帶壓開倉(cāng)施工。
衡盾泥的黏度高,形成的泥膜結(jié)構(gòu)致密,具有隔水性,在富水地層不易被稀釋帶走,成膜穩(wěn)定;具有觸變性,長(zhǎng)時(shí)間固結(jié)后通過(guò)攪拌又能恢復(fù)流動(dòng)性,因此衡盾泥帶壓開倉(cāng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于富水砂層、裂隙發(fā)育巖層、卵石地層、上軟下硬地層等復(fù)雜地質(zhì)條件下的帶壓開倉(cāng)施工。
目前已有一些針對(duì)衡盾泥泥膜的研究。鐘長(zhǎng)平等人[1]探討了“衡盾泥”的工程特性和研發(fā)歷程,重點(diǎn)分析了“衡盾泥”用于盾構(gòu)帶壓開艙泥膜護(hù)壁的工法及工藝;郭廣才等人[2]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究衡盾泥成膜及閉氣機(jī)理,量化壓力分級(jí)及穩(wěn)壓時(shí)間等指標(biāo);馬卉等人[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及理論計(jì)算的方法對(duì)衡盾泥的泥膜氣密性進(jìn)行分析,確定了A 液泥水質(zhì)量比為1∶2,B 液摻入質(zhì)量比為1/20 的配比條件下橫盾泥泥膜滲氣系數(shù)為10-8~10-7cm3/s。同時(shí)也有部分針對(duì)衡盾泥實(shí)際工程應(yīng)用的研究,如鄺樹華[4]以萬(wàn)家麗路電力隧道工程的方法及流程、衡盾泥試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),指出帶壓開倉(cāng)換刀的衡盾泥泥膜效果好,對(duì)地面的影響較小,但換刀完成后復(fù)推極易產(chǎn)生較大的沉降量,需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制;萬(wàn)維燕[5]以廣州八號(hào)線8 標(biāo)亭崗站~石井站全斷面富水砂層“衡盾泥”輔助帶壓進(jìn)倉(cāng)施工為背景對(duì)“衡盾泥”進(jìn)行輔助帶壓進(jìn)倉(cāng)技術(shù)進(jìn)行總結(jié);馮亮[6]基于蘭州地區(qū)砂卵石地層掘進(jìn)工程實(shí)際分析,指出“衡盾泥”泥膜護(hù)壁其氣密性和隔水性強(qiáng),保壓效果好,耐久穩(wěn)定,且對(duì)周邊地層起到一定的固結(jié)作用,可極大程度地減小盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后對(duì)周邊地層的影響,加大了開艙作業(yè)的安全性并提高了工作效率;杜寶義等人[7]以廈門地鐵過(guò)海區(qū)間隧道工程為例,對(duì)不同帶壓開倉(cāng)工法進(jìn)行了對(duì)比分析,并具體闡述了凍結(jié)法、注漿加固結(jié)合衡盾泥護(hù)壁法在海底隧道盾構(gòu)開艙中的應(yīng)用;謝鐵軍等人[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),開發(fā)了富水砂卵石地層衡盾泥輔(HDN)助帶壓換刀和盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降控制關(guān)鍵技術(shù);張德文等人[9]介紹了衡盾泥帶壓開倉(cāng)換刀技術(shù)富水巖溶地層的應(yīng)用及施工重點(diǎn);鄒冠堯[10]通過(guò)研究冷凍刀盤常壓開倉(cāng)、衡盾泥泥膜護(hù)壁帶壓開倉(cāng)創(chuàng)新工藝實(shí)踐應(yīng)用情況,詳細(xì)闡述了該施工工藝的技術(shù)要點(diǎn)。
本文以沈陽(yáng)地鐵某區(qū)間隧道工程為背景,以右線帶壓開倉(cāng)換刀施工為例說(shuō)明整個(gè)橫盾泥帶壓開倉(cāng)技術(shù)實(shí)施過(guò)程。并分析泥膜穩(wěn)定時(shí)間、開倉(cāng)次數(shù)、閥開度與建泥膜次數(shù)的關(guān)系,為相似工程提供參考。
沈陽(yáng)地鐵某區(qū)間起訖里程DK12+089.538~DK13+757.438,全長(zhǎng)1 667.9雙線米,區(qū)間正線線間距13~19 m,線路坡度呈V字型,覆土厚度為11.86~33 m,區(qū)間主要穿越中粗砂、礫砂層,局部穿越圓礫、泥礫層。
因該區(qū)間右線盾構(gòu)在YDK12+136.564~YDK12+174.081需下穿既有地鐵站。下穿過(guò)程需切削侵入隧道范圍內(nèi)的車站圍護(hù)樁及構(gòu)造柱樁共17 根。為保證截樁施工的安全順利進(jìn)行,擬定在YDK12+201.727(1289 環(huán))位置進(jìn)行帶壓開倉(cāng)換刀,更換截樁專用刀具,如圖1所示。
圖1 右線開倉(cāng)換刀位置平面Fig.1 Plan View of Cutter Head Replacement Location for Right Line Opening
沈陽(yáng)市區(qū)在地貌上屬渾河沖洪積新扇,主要含水層位于沖洪積扇上部,巖性以中粗砂、礫砂為主。其中右線盾構(gòu)下穿區(qū)段盾構(gòu)穿越地層為⑤-4礫砂地層。本工點(diǎn)范圍內(nèi)的地下水賦存于中粗砂、礫砂等土層中,穩(wěn)定水位埋深為12.00~13.50 m,含水層滲透性強(qiáng),滲透系數(shù)K一般在30~100 m/d 之間,水力坡度0.1%~0.2%。
右線換刀點(diǎn)地質(zhì)情況為:總埋深28.32 m(①雜填土3 m,④4礫砂14.12 m,④5圓礫4.51 m,⑤4礫砂6.68 m)刀盤開挖面為⑤4礫砂/⑦泥礫,根據(jù)地勘報(bào)告顯示地下水位位于地下13.05 m處,如圖2所示。
圖2 換刀區(qū)域地質(zhì)剖面Fig.2 Geological Cross-section of the Cutter Head Replacement Area
本工程區(qū)間右線使用1 臺(tái)全新T6280 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工,編號(hào)為SS37300,本盾構(gòu)機(jī)根據(jù)區(qū)間截樁施工進(jìn)行了針對(duì)性的改造設(shè)計(jì)。刀盤設(shè)計(jì)為面板+輻條復(fù)合式直角刀盤,4主4副輻條,刀盤開口率48%,如圖3所示,適合礫砂地層掘進(jìn),渣土流動(dòng)性好。增加水刀截樁功能,配合刀盤刀具實(shí)現(xiàn)樁基切割。
圖3 刀盤示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Cutter Head
根據(jù)切樁刀具圖紙,需更換或新增刀具共41 把:更換中心刀2 把(1 把單刃、1 把雙刃)、新增水刀撕裂刀9把;更換首發(fā)撕裂刀22把;更換切樁撕裂刀8把。
刀具安裝形式均為背裝式安裝,刮刀的安裝形式為輻條兩側(cè)螺栓連接設(shè)計(jì),刀具均可在刀盤背后(土倉(cāng)內(nèi))進(jìn)行刀具的拆裝工作,提高了作業(yè)人員換刀安全性能。
本盾構(gòu)機(jī)采用兩套人艙(互為主副倉(cāng)),每套人艙具有2室,每室可容納3人,人倉(cāng)規(guī)格1 400×2 350。有兩個(gè)土倉(cāng)入口,并且兩個(gè)入口可以在互不干擾的情況下分別進(jìn)入土倉(cāng)。兩個(gè)獨(dú)立倉(cāng)互為主副倉(cāng),并為每個(gè)倉(cāng)單獨(dú)配置有獨(dú)立的壓縮空氣系統(tǒng),每個(gè)倉(cāng)均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的加減壓操作。
盾構(gòu)機(jī)上方為砂層,自穩(wěn)性及氣密性差,該因素增加了換刀的風(fēng)險(xiǎn)。為保證帶壓開倉(cāng)換刀順利進(jìn)行,該工程項(xiàng)目部決定采用衡盾泥在土倉(cāng)內(nèi)做泥膜進(jìn)行帶壓開倉(cāng)作業(yè),并且在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)換刀點(diǎn)前,提前對(duì)換刀點(diǎn)進(jìn)行注漿加固。增強(qiáng)刀盤前方地層的氣密性并提高掌子面的自穩(wěn)能力。
換刀點(diǎn)處盾構(gòu)機(jī)所處地層為富水礫砂地層,總埋深28.32 m,地下水位位于地下13.05 m 處。由于自穩(wěn)性及氣密性較差,滲水性強(qiáng),使得存在氣壓建立、漿氣置換和地層漏氣量大、泥膜建立及保壓困難等問(wèn)題。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,沈皇區(qū)間加固體范圍為盾構(gòu)換刀點(diǎn)加固區(qū)長(zhǎng)度6 m,隧道左右下部各3 m,上部12 m,如圖4所示。采用三重管旋噴加固。右線加固區(qū)里程范圍為DK12+197.748~DK12+203.748,左線加固區(qū)里程范圍為DK12+192.318~DK12+198.318。加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa,滲透系數(shù)K≤10-8cm/s。加固后的土體應(yīng)有良好的均勻行、自立性、密封性,以保證盾構(gòu)開倉(cāng)作業(yè)的安全。加固完成后芯樣檢測(cè)合格,滿足抗?jié)B及強(qiáng)度要求,若達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,應(yīng)及時(shí)鉆孔補(bǔ)充注漿。滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
開倉(cāng)作業(yè)流程如圖5 所示,以下對(duì)主要流程進(jìn)行介紹:
圖5 施工流程Fig.5 Construction Process Flowchart
2.4.1 盾體包裹
盾構(gòu)停機(jī)后,向中盾、盾尾與土體的間隙之間填滿衡盾泥,以保證土倉(cāng)壓力穩(wěn)定、防止地層漏氣以及由于水環(huán)施作注入的水泥漿向前滲透固結(jié)而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)脫困困難。向中盾及尾盾徑向孔注入衡盾泥??傆?jì)注入衡盾泥5.1 m3。
2.4.2 止水環(huán)施作
對(duì)1275 環(huán)、1276 環(huán)、1277 環(huán)共計(jì)3 環(huán)進(jìn)行雙液注漿施作止水環(huán),防止管片后部的水流入前方以及防止前方倉(cāng)內(nèi)的氣體流失,保持氣密性,如圖6所示。以注漿量與注漿壓力雙向控制,并密切關(guān)注鉸接情況,注漿壓力不大于2 bar。在注漿完成后開孔檢查止水效果,檢測(cè)顯示無(wú)滲水。
圖6 止水環(huán)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Construction Site of Water Stop Ring
2.4.3 膨潤(rùn)土渣土置換
盾體包裹及止水環(huán)施作完成后,向土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土置換土倉(cāng)內(nèi)的渣土,先從人倉(cāng)平衡閥注入,通過(guò)腰部球閥觀察和螺機(jī)出渣情況觀察膨潤(rùn)土注入程度,螺旋機(jī)排出渣基本為膨潤(rùn)土后;逆時(shí)針轉(zhuǎn)1/4圈,再重新4點(diǎn)注入衡盾泥,觀察螺旋機(jī)出渣為膨潤(rùn)土后;順時(shí)針轉(zhuǎn)1/4 圈,再?gòu)?2 點(diǎn)注入膨潤(rùn)土。最后從底部點(diǎn)位注入衡盾泥。置換注入膨潤(rùn)土過(guò)程中,嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,應(yīng)嚴(yán)格控制好螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速及土倉(cāng)壓力,避免壓力波動(dòng)過(guò)大以±0.5 bar 為目標(biāo)。通過(guò)觀察出土為膨潤(rùn)土后可進(jìn)行下步加壓施工。
2.4.4 膨潤(rùn)土滲透加壓
當(dāng)漿(膨潤(rùn)土)渣置換完以后,即可進(jìn)行加壓滲透(通過(guò)少量多次的注入膨潤(rùn)土進(jìn)行加壓),即膨潤(rùn)土滲透壓力值為2.0~4.0 bar。在加壓時(shí),緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,轉(zhuǎn)速小于0.5 rpm(每隔1 h轉(zhuǎn)1 圈刀盤,保持泥漿均勻,刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致)。膨潤(rùn)土的壓注采用盾構(gòu)的膨潤(rùn)土系統(tǒng)向土倉(cāng)內(nèi)壓注,此過(guò)程中不進(jìn)行出土或排漿施工,使得土倉(cāng)內(nèi)膨潤(rùn)土漿液充分滲入至周邊土層。膨潤(rùn)土動(dòng)態(tài)保壓滲透4 h后。進(jìn)行下步衡盾泥置換施工。
2.4.5 衡盾泥漿渣置換
膨潤(rùn)土加壓滲透完成后,開始用衡盾泥置換土倉(cāng)內(nèi)渣土,先從人倉(cāng)平衡閥注入,通過(guò)腰部球閥觀察和螺機(jī)出渣情況觀察衡盾泥注入程度,螺旋機(jī)排出渣基本為衡盾泥后;逆時(shí)針轉(zhuǎn)1/4 圈,再重新4 點(diǎn)注入衡盾泥,觀察螺旋機(jī)出渣為衡盾泥后;順時(shí)針轉(zhuǎn)1/4 圈,再?gòu)?2 點(diǎn)注入衡盾泥。最后從底部點(diǎn)位注入衡盾泥。置換注入衡盾泥過(guò)程中,嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,應(yīng)嚴(yán)格控制好螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速及土倉(cāng)壓力,避免壓力波動(dòng)過(guò)大,以±0.5 bar為目標(biāo);通過(guò)觀察出土都為衡盾泥后可進(jìn)行下步分級(jí)加壓施工。
2.4.6 衡盾泥分級(jí)加壓
衡盾泥漿渣置換完成后,即可進(jìn)行衡盾泥分級(jí)加壓,本次分4級(jí)加壓(通過(guò)少量多次的注入衡盾泥進(jìn)行加壓),即2.0~2.5,2.5~3.0,3.0~3.5,3.5~4.0。其中,前三級(jí)分別動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓4 h,最后一級(jí)3.5~4.0 要求動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓12 h,在第三級(jí)與第四級(jí)之間的時(shí)候,利用注入衡盾泥的壓力讓盾構(gòu)機(jī)后退,后退之前切口環(huán)里程為DK12+201.720,后退之后切口環(huán)里程為DK12+201.814,總計(jì)后退94 mm,滿足開倉(cāng)要求。
2.4.7 漿氣置換
在最高壓力4.0 bar 動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓12 h 以后,3.5~4.0 bar 采用自然降壓,壓力能穩(wěn)定6 h 則進(jìn)行漿氣置換。出土分階段進(jìn)行,打開自動(dòng)保壓系統(tǒng)設(shè)定為設(shè)計(jì)值,將土倉(cāng)中的盾土輸出約1/3,觀察土倉(cāng)壓力值的變化,若土倉(cāng)壓力保持2 h 沒(méi)有變化,則繼續(xù)出土至1/2,觀察土倉(cāng)壓力值的穩(wěn)定情況。
2.4.8 開倉(cāng)判斷標(biāo)準(zhǔn)
漿氣置換完成后,在保壓系統(tǒng)開啟的情況下,能夠保壓6 h 以上,則認(rèn)為衡盾泥泥膜護(hù)壁完成。同時(shí)需通過(guò)置換、分級(jí)加壓、漿氣置換過(guò)程中具體泄壓時(shí)間、衡盾泥補(bǔ)注量的詳細(xì)記錄情況,空壓機(jī)加載和卸載時(shí)間判斷綜合分析,并確定是否具備開倉(cāng)條件。以上兩個(gè)條件缺一不可。若達(dá)到開倉(cāng)條件,即可進(jìn)行后續(xù)開倉(cāng)作業(yè)。
2.4.9 出土及土倉(cāng)壓氣試驗(yàn)
為了確保帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)安全順利進(jìn)行,進(jìn)倉(cāng)前必須進(jìn)行土倉(cāng)壓氣試驗(yàn)、測(cè)定土倉(cāng)滲水量和人員倉(cāng)氣密性試驗(yàn)等工作。
在泥膜建立完畢穩(wěn)定后,可進(jìn)行土倉(cāng)內(nèi)的渣土輸出,在出渣過(guò)程中,邊出渣邊補(bǔ)充氣壓,并隨時(shí)注意土倉(cāng)壓力變化,以土倉(cāng)壓力不小于進(jìn)倉(cāng)設(shè)定的土倉(cāng)壓力,出渣至土倉(cāng)渣土面低于人倉(cāng)口部以下(不能全部出空,以免發(fā)生螺旋輸送機(jī)漏氣現(xiàn)象)。在出土和進(jìn)行氣密試驗(yàn)過(guò)程中注意以下幾點(diǎn):
⑴出土要分階段進(jìn)行,打開自動(dòng)保壓系統(tǒng)設(shè)定為設(shè)計(jì)值,將土倉(cāng)中的盾土輸出約1/3,觀察土倉(cāng)壓力值的變化,若土倉(cāng)壓力無(wú)法保持,則重新恢復(fù)入橫盾泥,若土倉(cāng)壓力保持2 h 沒(méi)有變化,則繼續(xù)出土至2/3,觀察土倉(cāng)壓力值的變化,若土倉(cāng)壓力保持2 h 沒(méi)有變化或不發(fā)生大的波動(dòng)時(shí)(壓力變化值<0.05 bar),則表明土倉(cāng)壓氣試驗(yàn)合格。
同時(shí)應(yīng)該觀測(cè)加壓時(shí)盾構(gòu)補(bǔ)氣量,盾構(gòu)補(bǔ)氣量/空壓機(jī)最大補(bǔ)氣量≤10%~30%即為合格。
⑵土倉(cāng)滲水量測(cè)定
對(duì)于掌子面上有孔隙潛水在壓氣情況下仍會(huì)不斷地進(jìn)入土倉(cāng)。通過(guò)打開土倉(cāng)壁球閥進(jìn)行檢查,若打開球閥存在滲水情況,則表明不能安全地實(shí)施帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè),需重新建立泥膜。
帶壓開倉(cāng)過(guò)程中每次出倉(cāng),需檢查空壓機(jī)閥開度及啟用備用空壓機(jī)的加載時(shí)間卸載時(shí)間判讀是否要重新建立泥膜。后續(xù)泥膜采用膨潤(rùn)土注入土倉(cāng)進(jìn)行泥膜建立。具體分析見下節(jié)。
區(qū)間右線人員進(jìn)倉(cāng)施工,至完成本次帶壓開倉(cāng)施工作業(yè),總計(jì)耗時(shí)20 d,其中總計(jì)建立泥膜6 次,累計(jì)開倉(cāng)94 倉(cāng),歷次建立泥膜穩(wěn)定時(shí)間,及建立泥膜后進(jìn)倉(cāng)次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖7、圖8所示。
圖7 每次建立泥膜穩(wěn)定時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistical Chart of Mud Film Establishment Stabilization Time
圖8 閥開度穩(wěn)定倉(cāng)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics on the Number of Chambers with Stable Valve Opening Degree
從圖7、圖8 可以看出,整體變化趨勢(shì)為隨著建立泥膜的次數(shù)增加,穩(wěn)定時(shí)間隨之減少。前兩次建立泥膜穩(wěn)定時(shí)間變化相對(duì)緩慢,穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng),為99 h及86 h,第三次建立泥膜穩(wěn)定時(shí)間下降到56 h,而第五次建立泥膜穩(wěn)定時(shí)間僅有23 h。進(jìn)倉(cāng)次數(shù)也大幅下降,僅進(jìn)倉(cāng)7倉(cāng)(因第六次建立泥膜后已完成帶壓施工任務(wù),最后結(jié)束時(shí)泥膜還暫未達(dá)到需重新建立泥膜的標(biāo)準(zhǔn))。
空壓機(jī)閥開度的隨每次開倉(cāng)的變化如圖9 所示,此處選取閥開度≤0.5 視為泥膜情況是穩(wěn)定可控狀態(tài),即閥開度≤0.5 時(shí)為穩(wěn)定進(jìn)倉(cāng),從上圖數(shù)據(jù)可知,前兩次建立泥膜時(shí),閥開度達(dá)到0.5后,變化趨勢(shì)顯示為相對(duì)緩慢的變大到需重新建立泥膜的標(biāo)準(zhǔn),而從第三次建立泥膜后,均是在某一倉(cāng)時(shí),閥開度發(fā)生較大變化,閥開度直接從≤0.5 變化到需重新建立泥膜,故建議以后如有類似工況且多次建立泥膜時(shí),再重新建立泥膜后需密切關(guān)注閥開度的突變情況,隨時(shí)做好重新建立泥膜的準(zhǔn)備。
圖9 閥開度變化趨勢(shì)Fig.9 Trend of Valve Opening Degree Changes
本研究基于沈陽(yáng)地某區(qū)間的實(shí)際工程,深入探討了富水砂卵石地層下衡盾泥帶壓開倉(cāng)技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)詳細(xì)分析泥膜穩(wěn)定時(shí)間、開倉(cāng)次數(shù)以及泥膜建立次數(shù)的關(guān)聯(lián)性,得出以下結(jié)論:
⑴文章詳細(xì)介紹了在復(fù)雜地質(zhì)條件下的帶壓開倉(cāng)技術(shù),包括輔助措施、主要流程和控制要點(diǎn)。特別是在泥膜穩(wěn)定、開倉(cāng)操作以及閥開度監(jiān)控方面的具體步驟,為類似工程提供了安全可控的操作指南。
⑵研究發(fā)現(xiàn),隨著建立泥膜次數(shù)的增加,閥開度的突變趨勢(shì)變得更加明顯?;诖?,本文提出了建立泥膜后需密切關(guān)注閥開度的突變情況,并隨時(shí)準(zhǔn)備采取相應(yīng)措施以應(yīng)對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)。
⑶研究證明,衡盾泥帶壓開倉(cāng)技術(shù)有效解決了富水砂卵石地層中盾構(gòu)換刀的挑戰(zhàn),特別是在處理高滲透性地層及維持泥膜穩(wěn)定性方面顯示出顯著優(yōu)勢(shì)。此技術(shù)不僅提高了施工安全性,還大大提升了工作效率,為今后相似復(fù)雜地層條件下的盾構(gòu)施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。