盾構穿越軟硬不均地層技術研究

趙先鵬,張 恒,陳壽根,楚興華

(1.西南交通大學,四川成都 610031;2.中鐵一局城市軌道交通公司,陜西西安 710000)

盾構穿越軟硬不均地層技術研究

趙先鵬1,張 恒1,陳壽根1,楚興華2

(1.西南交通大學,四川成都 610031;2.中鐵一局城市軌道交通公司,陜西西安 710000)

隨著盾構法施工技術在我國城市地鐵的發展,盾構法越來越多的應用到各種復合地層中,文章以深圳地鐵 5號線 5301標段前海灣～臨海站盾構區間為工程實例,介紹了城市地鐵中軟硬不均地層的盾構法施工技術,對施工過程中刀具磨損、盾構軸線偏移、地面沉降等施工難點作了分析,提出了解決方法,同時對類似工程有一定的借鑒作用。

軟硬不均地層; 盾構施工; 隧道

通常在軟巖和硬巖分界處,較為堅硬巖層僅在隧道開挖面下半部分出露。由于巖石組成物質不均勻、裂隙發育的差別以及地下水的作用等,使各巖層風化帶中存在不同程度的不均勻風化。由于地層巖性變化較大,軟硬不均地層多,軟硬不均現象明顯,局部存在不均勻風化夾層,致使盾構掘進姿態控制困難,易發生盾構機向上偏移事故且易造成刀口折斷,同時工況轉換頻繁也對地層產生擾動,易造成較大地表變形。因此,開展穿越軟硬不均地層的盾構法施工關鍵技術研究是非常必要的。

國內外就軟硬不均地層盾構施工技術進行了較多的研究,但成功的案例很少。新加坡地鐵CCL 1線隧道曾遇到軟硬不均的不穩定地層,發生了地層坍塌事故,一再拖延工期[1]。日本青木公司采用土壓和泥水盾構施工的廣州地鐵一號線,遇到部分軟硬不均地層,曾發生地層坍塌、地面四層樓房倒塌的事故。葡萄牙Oporto地鐵采用盾構法施工的C線2.3 km隧道和S線2.7 km區間隧道,也曾遇到部分軟硬不均地層,終導致盾構刀盤刀具損壞。在我國,廣州地鐵在越三區間隧道施工中成功地實現了軟硬不均地層盾構掘進。

圖1 五號線5301標地理位置

1 工程概況

前海灣站 ～臨海路站盾構區間位于深圳市南山區前海灣東側,連接南山區和寶安區(圖 1),隧道右線長 1 089.241 m,左線長1 066.825m,區間線路總長2 156.066m(包含長短鏈)。隧道埋深 12m,左右線中心間距12.5m。所在地區為海積平原,原地貌為瀕海漁塘,現已經人工堆填,地形略有起伏,地面高程 0.60～11.63m。沿線附近主要建筑為在建深圳地鐵 1號線續建工程鯉魚門站、武警邊防七支隊、安樂碼頭等,市政管線稀少。

根據詳勘報告,前臨區間隧道開挖范圍內主要以礫質黏性土和砂層為主,左線在里程DK1+113.3～DK1+158.5范圍內存在上浮基巖,基巖段長 45.2m,侵入隧道開挖范圍最高達5m,巖石抗壓強度最高103MPa,平均在56.6MPa。隧道上覆地層以雜填土、淤泥、粉質黏性土為主(圖 2)。

圖2 前臨區間左線地質剖面圖

2 盾構施工主要難點及原因分析

2.1 地面沉降

在軟硬不均地層中開挖時,軟巖強度小,穩定性差,易于切削;硬巖部分強度較高不易切削。當上部軟巖自穩能力很差時,由于掘進對地層的擾動,使軟土地層容易液化,導致掌子面坍塌,引起地面不均勻沉降。施工時可適當降低盾構機推力及刀盤扭矩,減小對地層的擾動,可采用半敞開模式或土壓平衡模式掘進,然后向土倉注入壓縮空氣或泡沫等人工材料輔助進行開挖,既可以防止上部掌子面坍塌又利于檢查清理刀盤和更換刀具。同時,加強沉降監測和出碴量管理,保證掘進順利進行。

2.2 刀具磨損

在軟硬不均地層中采用盾構法施工時,刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞,刀盤受到的沖擊力很大,容易造成局部刀具受力超載,刀盤和軸承受偏心荷載作用致使主軸承受損或主軸承密封被破壞[2]。同時,由于切削所釋放的熱量高,導致刀盤刀具溫度升高,加速了刀盤刀具的磨損速度,對盾構機工作狀態非常不利。為此,在確保掌子面穩定的前提下,需要進入碴倉內了解工作面軟硬不均程度,以確定掘進推力的大小,避免刀具超載工作而受破壞。盾構機掘進時,應注入足量的泡沫或膨潤土改良渣土,增加渣土的流塑性,減輕對刀具的磨損,減少換刀頻率,提高掘進效率。

2.3 隧道軸線偏離設計軸線

在軟硬不均地層中,土體性質極不均勻,致使盾構掘進姿態控制困難,容易引起盾構施工軸線偏離設計方向,盾構掘進控制難度大。引起軸線偏離的主要原因有:⑴地質條件。開挖斷面內巖石軟硬不均,在軟硬巖交界處推力和扭矩變化較大,盾構機有向地層較軟一側偏移的慣性[3]。因此,應根據掘進面地層變化情況,設定合理的掘進參數;(2)滾動偏差。刀盤切削土體的扭矩主要由盾構殼體與洞壁之間的摩擦力矩來平衡。當摩擦力矩無法平衡刀盤扭矩時將引起盾構體的滾動,過大的滾動會引起隧道軸線的偏斜[3];(3)測量誤差。主要由儀器及人為因素引起的,可通過多級測量復核予以消除。

3 穿越軟硬不均地層盾構施工技術措施

為了避免在盾構掘進過程中發生刀具嚴重磨損、盾構軸線偏移、地面沉降等現象,采取了基巖加固、合理布置刀具、氣壓換刀、設定合理的施工參數等措施,確保盾構機能夠順利通過軟硬不均地層。

3.1 基巖加固

前臨區間左線基巖長度45.2m,里程為DK1+113.3～DK 1+158.5。根據以往軟硬不均土層的掘進經驗和地質情況,在上浮基巖段DK 1+116.3、DK 1+131.3、DK 1+146.3進行高壓單重管旋噴加固,并進行換刀。通過旋噴注漿,固化盾構隧道頂部的淤泥層,降低淤泥的流塑性、透氣性,增加氣壓模式下地層的自穩能力,為換刀工作創造條件。

高壓單重管旋噴樁直徑600mm,樁間距600mm,梅花狀布置。高壓單重管旋噴加固采用 42.5R普通硅酸鹽水泥配漿,水泥摻入量 150～200 kg/m3,漿液水灰比為 0.8～1.0,提升速度15～20 cm/min,旋轉速度為20 r/min;旋噴樁的孔位偏差小于50mm,樁體垂直度小于1.5%。同一樁體需數次噴射時,上下樁體的搭接大于 200mm。

旋噴加固范圍為:在加固點位置沿隧道縱向注漿 4m,隧道線路兩側向外各2m,加固深度至隧道底板,高度至頂板以上約4m.。

3.2 刀具的選擇及布置

根據施工地質條件,選擇由德國海瑞克公司根據施工地質條件制造的復合盾構機,并配備了復合式刀盤。復合式刀盤:19把雙刃滾刀(其中 6把為中心滾刀),64把切刀,32把刮刀,如圖 3所示。雙刃滾刀用于擠壓、切削硬巖,保護齒刀和刮刀;切刀用于切削被滾刀擠壓破碎后的硬巖或軟巖及粘性土層;刮刀用于收集疏松的石碴并通過刀盤開口導入開挖倉的內部[4]。為使刀具能一次掘進更長的距離,應嚴格控制刀具質量。

圖 3 盾構刀盤刀具布置

3.3 氣壓換刀

由于前臨區間地質條件差,隧道上覆土層存在軟塑狀淤泥,如果常壓換刀,存在一定風險。為確保安全,加固區采用氣壓換刀。根據隧道埋深,倉壓控制在0.18～2.0MPa。換刀主要步驟如下:

(1)盾構機推進至指定的加固區里程,準備好換刀人員和設備;

(2)在開啟壓力自動補償系統的情況下,一邊出土一邊向土倉內充氣;

(3)待出土至隧道一半的位置后停止出土,換氣保壓工作繼續進行,檢查土倉保壓效果;

(4)如土倉保壓情況良好,溫度降低后人員即可進倉作業。

3.4 掘進參數

在基巖區盾構掘進速度慢,對土體擾動大,很容易造成地面沉降或坍塌,其關鍵原因在于施工過程中未穩定控制土倉壓力。根據前臨基巖區的線路埋深和地層情況,掘進參數選取如下:

(1)掘進土倉壓力:0.18～2.0MPa;

(2)扭矩:刀盤油壓在10～12MPa之間,扭矩引起油壓波動在2 MPa之內;

(3)推進貫入度:4～6mm/min;

(4)注漿:注漿材料要采用活性漿液,每方水泥含量不小于150 kg,注漿壓力不小于0.25MPa。

3.5 掘進姿態控制

軟硬不均地層,軟硬不均現象明顯,在掘進過程中,由于盾構機受力不均勻,容易引起盾構施工的實際軸線偏離設計方向。因此,盾構機掘進時,要充分利用 VMT導向系統控制盾構機的掘進方向。如果盾構線路偏離設計線路,及時調整各項掘進參數,遵循“長距離,緩糾偏”的思想,對盾構姿態進行調整,避免糾偏過猛,引起盾構機蛇形前進,造成刀具磨損和管片拼裝困難。

3.6 其它措施

盾構掘進時,必須保證同步注漿系統、泡沫系統、密封油脂系統正常運行。

同步注漿系統使漿液填充管片與周圍土體的間隙。待漿液凝固后,與管片結為一體,管片可盡早支撐地層,防止地層變形過大,還可以起到防水和加固結構的作用。為提高注漿層的防水性及密實度,可進行二次注漿。

泡沫系統可改良渣土的力學性質,經過改良后的土體具有很好的流塑性、止水性,螺旋輸送機出土順暢,更好地形成土塞效應來控制土倉內的土壓力。還可以減小與刀盤之間的摩擦力,延長刀具的使用壽命[5]。

密封油脂系統保證盾尾密封性能,避免因漏漿造成地表沉降超限。同時,向刀盤軸承壓注密封油脂,可避免刀盤軸承處因滲入土渣而影響刀盤的正常轉動。

3.7 施工注意事項

(1)在條件允許下,經常有計劃地進入土倉了解工作面軟硬不均程度和檢查刀具狀態,以確定掘進推力的大小,避免刀具超載工作受損。

(2)當盾構機處在軟硬不均地層時,盡量避免在土倉上部地層差的地段換刀。必須在這樣的地段更換刀具時,根據刀具的磨損情況準確定出更換刀具的位置,提前對該位置地層進行加固處理,待加固體達到強度要求后,再進行氣壓換刀作業。

(3)同步注漿過程中,注漿量必須足量。如果漿液過少,地面將會引起地層不均勻沉降,必要時還要進行二次注漿。

(4)針對防“泥餅”問題:盾構機必須配置泡沫注入系統,向刀盤前面、土倉和螺旋輸送機注入泡沫,改善渣土流塑性,利于渣土進入土倉[6]。

4 結束語

本文以深圳地鐵五號線前海灣站 ～臨海站區間盾構穿越軟硬不均地層為工程依托,通過對現場資料的分析和提煉,得出了如下主要結論。

(1)在復雜地層施工時,根據地質變化情況,嚴格控制出土量,注射足量的同步漿液,確保盾尾刷有良好的密封性,可有效避免地面不均勻沉降。

(2)盾構掘進時,采取加泡沫或膨潤土的方式,加強渣土改良,使渣土具有良好的流塑性,減輕對刀具的摩損,延長刀具的使用壽命。

(3)盾構施工時,根據地層的變化情況,設定合理的掘進施工參數,加強測量工作,盾構軸線的偏差能控制在允許范圍內。

只要工程實施前期做好詳細的地質勘查工作,摸清工程地質條件,通過有計劃地更換刀具,在施工中選擇合理的掘進參數,在軟硬不均地層采用盾構法施工是完全可行的。

[1] 曾華波.復合地層土壓平衡盾構施工應用技術研究[D].河海大學,2006

[2] 尤顯明,楊書江.短距離硬巖及軟硬不均地層盾構法施工技術[J].城市軌道交通,2007(5):32-34

[3] 譚中盛,洪開榮,萬姜林,等.軟硬不均地層盾構姿態控制及管片防裂技術[J].中國工程科學,2006,8(12):92-96

[4] 劉招偉.城陵磯穿越長江水下軟硬不均地層隧道修建技術[J].中國鐵道科學,2006,27(3):139-144

[5] 馬亮.淺談發泡劑在盾構施工中的使用[J].山東建材,2006 (4):24-26

[6] 譚中盛,洪開榮,萬姜林,等.軟硬不均地層復合盾構的研究及掘進技術[J].巖石力學與工程學報,2006,25(增2)

U455.43

B

2010-03-05

趙先鵬(1985～),男,碩士研究生。