獅子洋隧道泥水盾構穿越上軟下硬地層施工技術

李光耀

(中鐵十二局集團有限公司,太原 030024)

1 概況

1.1 工程概況

獅子洋隧道為高速鐵路隧道,位于廣深港客運專線東涌站—虎門站區(qū)間,全長10.8 km,起訖里程DIK33+000～DIK43+800,采用4臺φ11.2 m泥水平衡盾構“相向施工,地中對接,洞內(nèi)解體”的綜合施工技術。盾構隧道開挖直徑為11.2 m,管片外徑10.8 m,厚度500 mm,寬度為2.0 m,采用“7+1”雙面通用楔形環(huán)。

圖1 獅子洋隧道上軟下硬段地質(zhì)縱剖面

1.2 工程地質(zhì)

盾構穿越地層主要為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中粗砂、全風化-弱風化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、砂礫巖。盾構穿越弱風化基巖、半巖半土、第四系覆蓋物地層的長度分別占掘進長度的73.3%、13.3%、13.4%。

1.2.1 上軟下硬地層(410～520環(huán))工程特性

盾構在DIK34+480～DIK34+700段(共220 m,對應的管片環(huán)號為410～520環(huán))穿越典型的上軟下硬地層,其主要特點為：上部為沖擊淤泥質(zhì)土層(3)2,下部為弱風化泥質(zhì)粉砂巖(5)3,隧道覆土主要為海陸交互相淤泥層(2)2和沖擊中砂層(3)4,其地質(zhì)縱剖面見圖1。

1.2.2 各地層工程地質(zhì)特點

淤泥層(2)2：呈深灰色、灰黑色,組成物主要為黏粒,含有機質(zhì),局部含貝殼碎片、飽和、流塑狀,層厚0.80～17.50 m,平均層厚5.27 m,標貫擊數(shù)一般為1～5擊,平均2.3擊,標準值2擊。

淤泥質(zhì)土層(3)2：呈深灰色、灰黑色,組成物為淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,飽和、流塑狀。標貫擊數(shù)一般為1～8擊,平均擊數(shù)4.5擊,標準值4.0擊,層厚0.60～8.50 m,平均層厚3.00 m。

中砂層(3)4：呈灰白色、褐黃色等,組成物主要為中砂,分選性較好、飽和、呈稍密～中密狀,局部松散或密實狀,標貫擊數(shù)6～58擊,平均擊數(shù)19.5擊,標準值14.4擊,層厚0.55～12.90 m,平均厚度3.83 m。

巖石弱風化帶(5)3：呈褐紅色、灰色等,主要由泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細砂巖組成。陸源碎屑結構,中厚層狀,泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結,局部鐵質(zhì)膠結,局部裂隙發(fā)育,巖芯呈短柱狀、柱狀及碎塊狀,巖質(zhì)稍碎,揭露層厚1.00～53.30 m,平均揭露層厚17.91 m。

1.3 水文地質(zhì)

上軟下硬地層段緊鄰珠江小虎瀝水道,地表水主要為小虎瀝及小水渠、魚塘,小虎瀝主要接受上游補給,向下游和珠江口排泄,珠江兩岸的水渠和魚塘與珠江連通,并接受大氣降水和珠江水補給,地表水為咸水。地下水位隨小虎瀝河水位漲退潮變化明顯,潮汐類型為規(guī)則半日潮,每天基本上有二漲二落,漲潮歷時短,落潮歷時長(圖2)。往復流十分明顯,一般歷年最高水位多出現(xiàn)在汛期,最低水位則出現(xiàn)在枯期,多年平均水位1.04 m,最高水位為2.8 m,最低水位為-0.44 m。

圖2 小虎瀝潮位變化

2 盾構配置

2.1 獅子洋隧道盾構基本參數(shù)

獅子洋隧道泥水盾構的主要技術參數(shù)見表1。

表1 獅子洋隧道盾構主要技術參數(shù)

2.2 刀盤配置

刀盤為8塊輻條及相應的幅板所組成的面板式刀盤,刀盤結構和驅(qū)動裝置之間的連接通過8個梁來連接,刀盤開口率為31%,便于渣土的流動,尤其在黏性土地層中,可防止黏土堵住開口。4個攪拌棒裝在刀盤背面靠近土倉側,主要用于攪拌土倉底部的沉渣。刀盤中間的開口率較高,為45%。

2.3 刀具配置

盾構刀盤配有60把主切削刀(旋轉(zhuǎn)刮刀或滾刀),刀間距為100 mm,滾刀刀刃高出刀盤面板170 mm；雙層切刀278把,切刀刀刃高出刀盤面板90 mm；周邊刮刀16把；所有刀具均采用后裝式安裝,便于在土倉內(nèi)進行更換。

2.4 刀盤扭矩

獅子洋隧道盾構扭矩主要為：第一扭矩13 900 kN·m(對應額定轉(zhuǎn)速0.85 r/min)；第二扭矩5 137 kN·m(對應刀盤最大轉(zhuǎn)速3.2 r/min)；脫困扭矩18 070 kN·m(刀盤侵入土體停機后,重新轉(zhuǎn)動時的扭矩)。

2.5 上軟下硬地層刀具配置

右線刀具配置采用了6把滾刀+4把新旋轉(zhuǎn)刮刀+50把舊旋轉(zhuǎn)刮刀的組合方式；左線刀具采用了2把鑲齒滾刀+22把滾刀+36把舊旋轉(zhuǎn)刮刀的組合方式,左右線刀具配置見表2。

表2 左右線刀具配置

注：旋轉(zhuǎn)刮刀(舊)指的是已掘進1～410環(huán)軟弱地層的刀具；左線M43未更換，是因為在帶壓進倉的情況下無法拆除。

2.6 刀具適應性分析

左、右線不同的刀具組合方式均一次順利通過了410～520環(huán)的上軟下硬地層,刀具的磨損對比見圖3。

圖3 左右線盾構刀具磨損對比

刀具磨損量詳見表3。

表3 左右線刀具磨損對比 mm

3 掘進參數(shù)控制

3.1 掘進速度

在上軟下硬地層中,不應追求過快的掘進速度,一般控制在10～15 mm/min。

3.2 刀盤轉(zhuǎn)速

刀盤轉(zhuǎn)速受刀盤扭矩控制,依據(jù)獅子洋隧道所用盾構的扭矩曲線圖,轉(zhuǎn)速一般控制在1.1～1.6 r/min。

3.3 刀盤扭矩

在上軟下硬地層中,刀盤扭矩呈逐漸增大的趨勢,這是由于在該段地層中,隨著盾構的推進,進入硬巖的范圍逐漸增大,巖層越硬,刀盤受到阻力越大,同時刀具的磨損也越來越大,扭矩也相應增大。從數(shù)值上看,左線和右線的扭矩的范圍基本上分布在5 000～11 000 kN·m,達到了刀盤設計的最大扭矩。

3.4 推力

在上軟下硬地層掘進時,盾構推力隨著巖層在斷面中比例的提高和刀具磨損量的增大而逐漸增加,但仍遠小于盾構的最大推力。一般情況下,推力在40 000～50 000 kN,個別情況下達到70 000 kN。

3.5 刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩相互關系

左右線上軟下硬地層刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩的相互關系見圖4。

圖4 上軟下硬地層刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩關系

從圖4中可以看出：

(1)在刀盤轉(zhuǎn)速大致相等的情況下,扭矩隨著隧道斷面內(nèi)巖層比例的提高和刀具磨損量的增大而增大,且其增加值較快,甚至達到刀盤設計的最大扭矩值；

(2)在同等條件下,適當提高刀盤轉(zhuǎn)速,可部分降低扭矩值,如左線的刀盤轉(zhuǎn)速高于右線刀盤轉(zhuǎn)速,其扭矩值相比較略低；

(3)隨著刀盤轉(zhuǎn)速的提高,可提供的扭矩呈下降趨勢,因此在上軟下硬地層中掘進時,應綜合考慮刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩大小、扭矩曲線等因素,確定合理的刀盤轉(zhuǎn)速,一般情況下,刀盤轉(zhuǎn)速應控制在1.1～1.6 r/min。

3.6 泥漿質(zhì)量控制

在上軟下硬地層中掘進時,由于隧道頂部存在非常敏感的軟弱地層,因此應嚴格控制切口的波動量,保證掌子面的穩(wěn)定。泥漿應采用軟弱地層段使用的高質(zhì)量泥漿,一般情況下,泥漿密度應控制在1.10～1.18 g/cm3,泥漿黏度應控制在23 s以上。

3.7 泥漿管路選擇

3.7.1 管路布置及環(huán)流模式

獅子洋隧道泥水盾構進漿主供應回路在盾構機內(nèi)被分成為7路。分別為：位于開挖倉上部刀盤后部的2路(下稱VB18、VB16)，位于開挖倉下部刀盤后部的2路(下稱VB51、VB53)，通過回轉(zhuǎn)接頭接至刀盤中心區(qū)域的1路(下稱VB14)，以及位于氣墊倉底部碎石機兩側的2路(下稱VB12、VB10)。管路操作界面見圖5。

圖5 泥漿循環(huán)管路操作界面

環(huán)流模式可分為：開挖模式、旁通模式、隔離模式、反循環(huán)模式、保壓模式和關閉模式共6種模式。通常情況下,掘進采用的是開挖模式,特殊情況下可采用反循環(huán)模式。

3.7.2 管路選擇

在上軟下硬地層中掘進時,管路選擇一般應遵循以下原則：

(1)一般情況下,環(huán)流模式采用開挖模式,倉內(nèi)管路VB14應常開,VB16、VB18應選擇1路并應定期更改,VB10、VB12必須保持暢通；

(2)與軟弱地層不同,在上軟下硬地層和硬巖地層掘進時,由于開挖倉底部渣土的堆積,VB51、VB53長期堵塞,根本無法發(fā)揮預期的作用,并且很難通過壓力調(diào)整使其暢通；

(3)在排漿口堵塞、切口壓力波動的情況下,應僅選擇VB14、VB10、VB12 3條進漿管路,在更嚴重的情況下,可僅選擇VB10、VB12 2路管路進行掘進,但不應長期使用,同時應輔以降低掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速等措施；

(4)位于氣墊倉底部的VB10、VB12 2路管路極易堵塞,在掘進過程中,應注意觀察,并停止掘進,僅開VB10或VB12 1路管路的情況下,通過壓力對其進行清理；

(5)在循環(huán)泥漿經(jīng)常不通暢的情況下,可采用反循環(huán)模式對管路進行清理或者直接采用反循環(huán)模式掘進,但不應長期使用。在管路堵塞情況略好時,及時切換成開挖模式掘進。

4 姿態(tài)控制

在上軟下硬地層中掘進時,盾構機姿態(tài)控制非常關鍵,一旦盾構掘進偏離了設定的掘進線路,糾正盾構姿態(tài)要比在軟土中難度大的多。因為上軟下硬地層本身開挖難度大,利用推進千斤頂?shù)耐屏Σ罴m正姿態(tài),效果不是很明顯,并且加大了刀具的磨損量,對盾尾也會產(chǎn)生巨大的影響,在施工中,應時時注意盾構及管片的姿態(tài),嚴防姿態(tài)發(fā)生較大的變化,一般應按照以下的原則進行控制。

(1)在姿態(tài)控制管理中,管片姿態(tài)與盾構姿態(tài)處于同等重要的位置,一般情況下管片姿態(tài)應適應于盾構姿態(tài)。姿態(tài)控制的重點不是盾構或管片偏離設計軸線的絕對值,而是兩者的相對關系,兩者相對位置關系直接影響著管片的變形、開裂、滲水等質(zhì)量隱患。在上軟下硬地層中,由于盾構姿態(tài)存在突變的情況,更應加強對管片點位選擇的管理。

(2)在上軟下硬地層中,管片在脫出盾尾后有上浮的趨勢,應高度重視脫出盾尾管片的變形對盾構和管片姿態(tài)的影響。當管片的上浮量較大時,應綜合考慮盾構姿態(tài)、管片姿態(tài)、變形后的管片姿態(tài)三者的相互關系,按照“管片姿態(tài)適應于盾構姿態(tài)”的原則,動態(tài)調(diào)整盾構姿態(tài)和選擇管片拼裝點位。

(3)盾構姿態(tài)糾偏時,可采用分區(qū)油壓差和改變油缸使用數(shù)量兩種方式來達到糾偏的目的。在上軟下硬地層進行糾偏時,一般應采用分區(qū)油壓差的方式,以預防產(chǎn)生新的姿態(tài)突變,在特殊的情況下(偏離軸線過大、管片產(chǎn)生內(nèi)爆等)可采取改變油缸使用數(shù)量和應力釋放的技術手段。糾偏應遵循長距離緩慢修正的原則,糾偏半徑一定要大于偏移半徑。

5 同步注漿

同步注漿采用抗水分散型單液漿液材料,其原理為在普通注漿材料中添加硅灰、纖維素、減水劑等材料,改善漿液的抗水分散性能,用水陸強度比和pH值指標衡量,一般情況下,水陸強度比應大于80%,pH值應小于9。

5.1 配合比

同步注漿材料主要由水泥、粉煤灰、砂、膨潤土及水組成,輔助增加部分外加劑,施工配合比見表4。

表4 同步注漿材料配合比 kg/m3

5.2 注漿壓力

注漿壓力應綜合考慮地層條件、管片強度、設備性能、漿液特性和泥水壓力等因素確定,一般注漿壓力P=P1(注漿點泥水壓力值)+P2(注漿管損失壓力)+P3(取20～50 kPa)。

5.3 注漿量

每環(huán)管片理論注漿量V=(π/4)×(11.1822-10.82)×2=13.19 m3,在上軟下硬地層掘進時,每環(huán)的實際注漿量大都在26 m3左右,對應的填充系數(shù)為1.97,一般不應小于1.5。

6 隧道施工質(zhì)量控制與評價

盾構在上軟下硬地層中的施工質(zhì)量控制,除管片生產(chǎn)、管片拼裝、注漿等關鍵工序質(zhì)量控制外,還應重點從管片姿態(tài)偏差和管片變形兩方面進行分析、評價、驗證。

6.1 管片生產(chǎn)質(zhì)量

(1)管片生產(chǎn)應建立健全質(zhì)量管理組織機構和相應的管理制度,嚴格質(zhì)量控制管理流程,從組織上保證管片生產(chǎn)質(zhì)量。

(2)選定最優(yōu)的混凝土配合比,在混凝土中加入適量優(yōu)質(zhì)粉煤灰,以增加混凝土的漿體數(shù)量,進一步改善混凝土的和易性,減少混凝土的收縮量,使得管片表面不易產(chǎn)生裂紋。

(3)嚴格按照規(guī)定的頻率和要求對模具進行精度檢測,保證管片生產(chǎn)精度。

(4)細化控制鋼筋籠加工、模具清理、脫模劑涂抹、混凝土澆筑、振搗、養(yǎng)護、脫模、水養(yǎng)等關鍵工序的質(zhì)量控制,以工序質(zhì)量保證實體質(zhì)量。

(5)做好三環(huán)拼裝、檢漏試驗、抗彎試驗等功能性試驗檢測,確保管片質(zhì)量符合要求。

(6)做好管片吊運過程中止水條、棱角等部位的保護,對局部破損的部位及時修補,全過程做好成品保護工作。

6.2 管片拼裝質(zhì)量

(1)管片拼裝應依據(jù)盾構姿態(tài)、管片姿態(tài)、盾尾間隙、油缸行程、楔形量、錯縫拼裝要求、封頂塊位置等因素綜合選定合適的點位。

(2)加強對管片拼裝人員的培訓教育,健全拼裝全過程的監(jiān)控體系,提高操作人員的熟練程度,減小拼裝誤差。

(3)在拼裝過程中要清除盾尾處拼裝部位的垃圾和雜物,同時必須注意管片定位的正確,尤其是第一塊管片的定位會影響整環(huán)管片成環(huán)后的質(zhì)量及與盾構相對位置良好度。

(4)每環(huán)管片拼裝要精心,盡量做到管片接縫密貼,環(huán)面平整。必要時應在環(huán)面密貼1～5 mm石棉板以調(diào)整環(huán)面的平整度,達到轉(zhuǎn)彎和糾偏的目的。

(5)環(huán)面超前量控制,施工中經(jīng)常測量管片圓環(huán)環(huán)面與隧道設計軸線的垂直度,當管片超前量超過控制量時,及時調(diào)整管片旋轉(zhuǎn)角度,從而保證管片環(huán)面與隧道設計軸線的垂直度。

(6)每一塊管片拼裝結束后,伸出千斤頂并控制到所需的頂力,再進行下一塊管片的拼裝,這樣逐塊進行完成一環(huán)的拼裝。對于不平整環(huán)面的管片,在拼裝下一環(huán)管片用千斤頂壓實時,應先頂“凸”位置的千斤頂。

6.3 注漿質(zhì)量

注漿采用“盾尾同步注漿為主,管片補充注漿為輔”的注漿思路,同步注漿采用抗水分散型單液漿,應急管片補充注漿采用水泥-水玻璃雙液漿,雙液漿初凝時間在15 s以內(nèi),利用2條注漿管分別注入水泥漿和水玻璃,待注出盾尾后,兩種進行混合,以達到雙液漿的同步注漿目的。注漿應以注漿壓力和注漿量兩個指標進行控制。

6.4 成型管片偏差分析

獅子洋隧道左右線的水平姿態(tài)雖有所偏差,但基本控制在±50 mm之內(nèi)。尤其是右線400～470環(huán)基本控制在±10 mm以內(nèi),470環(huán)之后有較大的偏移,趨勢向左；而左線則有向右偏的趨勢,且偏移幅度較右線大。

左右線垂直方向的位移基本控制在±40 mm以內(nèi),490環(huán)之前波動較為平穩(wěn),而在490環(huán)以后的一段區(qū)域內(nèi),則變化幅度較大。

總體上來講,在本段上軟下硬地層中穿越時,盾構及管片的姿態(tài)控制在預期的范圍以內(nèi)(圖6)。

圖6 隧道成型管片垂直偏差統(tǒng)計

圖7 管片變形監(jiān)測

6.5 管片變形分析

圖8 管片各環(huán)變形

成型隧道管片變形監(jiān)測從400環(huán)開始,直到520環(huán)結束,在拼裝完管片后,每隔3環(huán),在管片下方布置一個沉降觀測點,每天監(jiān)測1次,連續(xù)監(jiān)測7～8 d,直到穩(wěn)定。管片變形監(jiān)測見圖7,各環(huán)變形見圖8。

在上軟下硬地層中管片的變形以上浮為主,上浮基本規(guī)律為：在管片脫離盾尾1～4 d,為上浮發(fā)生的主要階段,脫離盾尾4～7 d,上浮量逐漸減小,脫離盾尾7 d,管片趨于穩(wěn)定,無明顯上浮。

左線管片最大上浮量在13～20 mm,右線管片最大上浮量在14～21 mm,對隧道結構無影響,達到驗收標準要求。

7 結語

獅子洋隧道220 m長的上軟下硬地層是盾構施工中的一大難點,施工過程中通過合理的施工技術措施,左右線均一次安全順利通過,避免了換刀的施工風險,通過掘進參數(shù)優(yōu)化,第二臺盾構施工進度指標在第一臺盾構進度指標4.2 m/d的基礎上提高到6.2 m/d,隧道質(zhì)量達到驗收標準,其經(jīng)驗和教訓可供類似工程借鑒。

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