卵石地層中盾構(gòu)下穿盾構(gòu)隧道的設(shè)備改造及施工控制

馬文輝, 楊成永, 彭 華, 程 霖, 劉君偉, 王永剛

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044; 2.北京京港地鐵有限公司, 北京 100068;3.中鐵一局集團(tuán)有限公司北京分公司, 北京 100176)

0 引 言

盾構(gòu)法在北京地鐵施工中得到了廣泛應(yīng)用, 隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大, 盾構(gòu)施工穿越既有地鐵隧道的案例逐年增多。北京的地層以東部的粉質(zhì)黏土地層和西部的卵石地層為典型代表, 卵石地層中的盾構(gòu)選型至關(guān)重要, 尤其是刀盤型式和刀具布置尤為關(guān)鍵[1]。

學(xué)者們針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)選型及盾構(gòu)施工對(duì)周邊建筑物影響規(guī)律開展了一定研究: 陳學(xué)軍等[2]以深圳地鐵2號(hào)線盾構(gòu)穿越濱海大道施工為背景, 采用數(shù)值模擬方法預(yù)測了地表沉降規(guī)律, 提出了控制盾構(gòu)土倉壓力、推進(jìn)速度、掘進(jìn)姿態(tài)和注漿參數(shù)等措施; 江華等[3-4]以北京大粒徑砂卵石地層盾構(gòu)施工中現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 研究了盾構(gòu)掘進(jìn)效能、關(guān)鍵參數(shù)的地層適應(yīng)性及刀具磨損情況; 馮歡歡等[5]以大連地鐵2號(hào)線盾構(gòu)施工為依托, 論述了復(fù)合硬巖地層長距離小半徑掘進(jìn)時(shí)的盾構(gòu)選型和盾構(gòu)始發(fā)技術(shù); 晏啟祥等[6]以成都地鐵工程大規(guī)模穿越市域富水砂卵石地層為背景, 總結(jié)了盾構(gòu)選型和道具配置的對(duì)策;侯凱文等[7]以南寧地鐵2號(hào)線穿越上軟下硬地層及巖溶地層等復(fù)雜地層施工為背景, 研究了土壓平衡盾構(gòu)動(dòng)力設(shè)備及刀盤、刀具選型, 提出了優(yōu)化螺旋輸送機(jī)、同步注漿的設(shè)計(jì)方案; 王國富等[8]以蘭州地鐵1號(hào)線富水大粒徑砂卵石地層盾構(gòu)試驗(yàn)段施工為背景, 從盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、施工難點(diǎn)及監(jiān)測數(shù)據(jù)等方面對(duì)比了泥水平衡和土壓平衡兩種盾構(gòu)工法的不同及盾構(gòu)選型依據(jù); 王全華等[9]以蘇州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越黏土、粉細(xì)砂地層施工為背景, 從安全性、適應(yīng)性等方面出發(fā), 比選了加泥式土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu); 周帥等[10]以成都地鐵3、7號(hào)線為背景, 修正得到了預(yù)測砂卵石地層盾構(gòu)施工影響下地表沉降的經(jīng)驗(yàn)公式; 王呼佳等[11]以佛山地鐵2號(hào)線盾構(gòu)穿越淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂地層施工為背景, 研究了地表沉降規(guī)律。 然而針對(duì)北京地區(qū)卵石地層條件下盾構(gòu)選型和穿越施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道影響方面的研究鮮有報(bào)道。

基于此, 本文依托在北京西部典型卵石地層中的地鐵16號(hào)線雙線盾構(gòu)近距下穿既有4號(hào)線盾構(gòu)隧道工程, 討論了卵石地層盾構(gòu)機(jī)的選型設(shè)計(jì), 分析了雙線盾構(gòu)先后穿越施工影響下既有隧道的沉降規(guī)律, 總結(jié)了控制沉降的盾構(gòu)施工參數(shù)經(jīng)驗(yàn), 為類似工程提供參考。

1 工程背景

新建地鐵16號(hào)線西苑站—萬泉河橋站為雙線盾構(gòu)區(qū)間, 自西苑站向南沿萬泉河快速路下敷設(shè), 以向下25‰的坡度下穿既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道。如圖1所示, 地鐵4號(hào)線隧道外徑6.0 m, 管片厚0.3 m, 左右線間距14.5 m, 覆土13.5 m。16號(hào)線隧道外徑6.4 m, 管片厚0.3 m, 左右線間距17.0 m,覆土23.7 m。

圖1 穿越施工平面圖Fig.1 Planar graph of traversing construction

如圖2所示, 既有隧道位于⑥2粉質(zhì)黏土層， 而盾構(gòu)施工穿越了卵石層, 卵石最大粒徑100 mm, 一般粒徑40～60 mm, 粒徑大于20 mm的顆粒含量為總質(zhì)量的65%～75%, 亞圓形, 母巖成分主要為石英砂巖、灰?guī)r、安山巖、白云巖, 中粗砂充填, 夾粉細(xì)砂⑦2透鏡體。卵石層與粉土、泥巖等相比, 力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定, 卵石顆粒流塑性差導(dǎo)致土壓平衡不易控制, 盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具易磨損。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological section map

穿越段的盾構(gòu)隧道平面曲線半徑為350 m, 而盾構(gòu)在卵石地層中小半徑掘進(jìn)時(shí), 隧道軸線控制難度大、糾偏困難, 管片容易出現(xiàn)位移、侵限、錯(cuò)臺(tái)和破損, 地面容易產(chǎn)生較大沉降。在此背景下, 既要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)4.0 m近距施工下穿既有隧道, 又要確保既有地鐵運(yùn)營安全, 可謂難上加難, 由此可見， 盾構(gòu)機(jī)的選型和施工參數(shù)的控制極其重要。

2 盾構(gòu)機(jī)的選型設(shè)計(jì)

施工所采用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)曾承擔(dān)南寧地鐵1號(hào)線某標(biāo)段的施工作業(yè), 其技術(shù)參數(shù)適合粉土、泥巖等地層的掘進(jìn)。為了使盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)卵石地層的掘進(jìn), 盾構(gòu)機(jī)整體性能需要改造提升, 盾構(gòu)刀具類型、刀盤開口率、主驅(qū)動(dòng)功率、渣土改良、密封性能需要重新設(shè)計(jì)改造。

2.1 刀盤及刀具布置

為了適應(yīng)Φ6 400 mm管環(huán), 盾構(gòu)機(jī)的前盾、中盾、尾盾和鉸接密封、盾尾刷等盾體附件重新制造, 其中前盾直徑Φ6 650 mm, 中盾直徑Φ6 640 mm, 尾盾直徑Φ6 630 mm。輻條刀盤開挖直徑為

Φ6 680 mm, 為了改進(jìn)刀具的布置及受力, 選擇六牛腿、六輻條結(jié)構(gòu), 以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛性和耐磨程度。同時(shí)刀盤的開口位置在盤面上均勻布置, 開口率由40%提高至60%, 以提高渣土流動(dòng)性, 便于進(jìn)渣和土倉壓力向開挖面?zhèn)鬟f, 從而減少刀具的磨損。由于卵石對(duì)刀盤磨損較大, 刀盤面板及外圈梁采用耐磨復(fù)合板覆蓋, 耐磨性能優(yōu)于HARDOX500板; 未焊接區(qū)域、大圓環(huán)的前端以及攪拌棒表面焊接耐磨網(wǎng)格; 刀盤圈梁靠近切口環(huán)處鑲焊保護(hù)刀具, 增強(qiáng)耐磨性能。面板有4個(gè)泡沫改良口、2個(gè)膨潤土改良口和2個(gè)磨損檢測點(diǎn)。

如圖3所示, 刀具采用牙形交錯(cuò)排列方式分4層布置, 使得切削軌跡布滿開挖全斷面, 切削效率高, 刀具的使用壽命增大, 更換次數(shù)減少: 第1層, 刀盤中心1把魚尾刀, 高度400 mm; 第2層, 刀盤正面及邊緣區(qū)域布置38把焊接撕裂刀, 其中兩把刀具高度240 mm, 其余高度175 mm; 第3層, 刀盤正面及邊緣區(qū)域布置17把焊接撕裂刀, 高度145 mm; 第4層, 刀盤正面及邊緣區(qū)域布置刮刀, 60把正面刮刀采用寬250 mm的重型刀, 而6把邊刮刀高度130 mm。同時(shí)配置1把仿形超挖刀, 超挖量55 mm。

圖3 刀具布置Fig.3 Layout of shield cutter heads

2.2 主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)繼續(xù)使用Φ3 061 mm主軸承的原主驅(qū)動(dòng), 但為了提高盾構(gòu)機(jī)在卵石地層中的脫困性能和防水性能, 新增了1組發(fā)動(dòng)機(jī)和1組減速機(jī), 達(dá)到9組發(fā)動(dòng)機(jī), 額定扭矩由6 000 kN·m提高至6 650 kN·m, 脫困扭矩由7 200 kN·m提高至8 100 kN·m, 最高轉(zhuǎn)速3.35 r/min; 同時(shí)增加主驅(qū)動(dòng)外密封至4道, 內(nèi)密封至3道。

2.3 螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)

螺旋機(jī)繼續(xù)使用內(nèi)徑800 mm軸式葉片的原螺旋機(jī), 螺距630 mm, 最大出渣尺寸Φ300 mm×560 mm, 最大扭矩210 kN·m, 最高轉(zhuǎn)速25 r/min。

為適應(yīng)卵石地層的長距離掘進(jìn), 提高螺旋機(jī)耐磨性能, 螺旋軸取土端的外殼焊接耐磨合金條, 螺旋葉片邊緣焊接硬質(zhì)合金塊, 葉片受渣土摩擦的一側(cè)堆焊接硬質(zhì)合金條紋, 如圖4所示。

圖4 螺旋輸送機(jī)耐磨設(shè)計(jì)Fig.4 Wear resistant design of screw conveyor

2.4 泡沫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于卵石地層, 僅憑加泥措施改善切削土體的流動(dòng)性, 盾構(gòu)機(jī)刀盤容易磨損, 甚至堵塞, 不能正常掘進(jìn); 而如果增大加泥量, 則會(huì)降低掘進(jìn)效率, 延長施工周期, 很難達(dá)到最佳效果。為此, 盾構(gòu)機(jī)增添4路單噴口泡沫注入系統(tǒng), 注入能力為300 L/h。泡沫系統(tǒng)采用單管單泵方式, 每路泡沫均可獨(dú)立工作, 不受土倉壓力和管道阻力的影響。泡沫采取預(yù)混合方式, 增強(qiáng)發(fā)泡效果, 降低泡沫消耗量。

2.5 同步注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5所示, 除了常規(guī)的兩側(cè)布置4用4備注漿管外, 針對(duì)卵石地層, 盾尾上方增設(shè)了2根注漿管, 使注漿管達(dá)到4用6備, 注漿能力為20 m3/h。

圖5 注漿管布置Fig.5 Layout of grouting pipes

充足的注漿管路適用于滲透性大的地層, 通過直接的拱頂同步注漿, 減小甚至抑制工后沉降。

盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)將形成的理論空隙計(jì)算公式為

V空=π(D2-d2)×L/4,

(1)

式中:V空為每環(huán)管片的理論注漿量,m3;D為刀盤直徑,m;d為管環(huán)外徑,m;L為環(huán)寬,m。

每環(huán)同步注漿量

V漿=K×V空,

(2)

式中:V漿為同步注漿量,m3;K為注漿系數(shù)。考慮到卵石地層滲透性大,為更好地控制地面沉降,避免盾構(gòu)漏漿,K取1.8, 即每環(huán)注漿量取理論注漿量的180%, 即6.21 m3。盾構(gòu)機(jī)通過設(shè)計(jì)改造, 主要參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)Table 1 Shield machine parameters

3 盾構(gòu)施工參數(shù)控制及施工效果

3.1 參數(shù)控制

為了實(shí)時(shí)掌握穿越施工影響下既有隧道的變形規(guī)律及趨勢, 及時(shí)判斷風(fēng)險(xiǎn), 既有隧道側(cè)壁布置了16組自動(dòng)化沉降監(jiān)測點(diǎn), 如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.6 Arrangement of monitoring points

新建左線盾構(gòu)第196環(huán)(2016-05-21T16:32)～第246環(huán)(2016-05-26 T01:50)和右線盾構(gòu)第179環(huán)(2016-06-05 T 08:45)～第229環(huán)(2016-06-10 T 12:00), 各50環(huán)(圖1), 先后完成穿越施工影響范圍內(nèi)的施工。

既有隧道側(cè)壁上的Y5、Z5、Y3、Z3等4組監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)繪制成沉降曲線如圖7所示, 其變形規(guī)律較為一致: 在盾構(gòu)到達(dá)前, 既有隧道因其周圍土層受到擾動(dòng), 即產(chǎn)生上浮或沉降; 在盾構(gòu)穿越過程中, 變形量最大; 在盾構(gòu)穿越結(jié)束后, 受盾尾建筑空隙以及注漿充填質(zhì)量影響, 略有波動(dòng)沉降趨勢。受盾構(gòu)施工參數(shù)變化的影響, 既有隧道變形程度存在差異, 同時(shí)既有隧道會(huì)隨雙線盾構(gòu)先后穿越施工而產(chǎn)生明顯的二次沉降。

盾構(gòu)施工中, 通常通過頂推力和土倉壓力的調(diào)控, 平衡刀盤前方水土壓力, 維持掌子面穩(wěn)定[11], 減小施工對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)。與此同時(shí), 盾殼與管片間存在有建筑空隙, 通常通過同步注漿量和注漿壓力的調(diào)控, 確保空隙充填密實(shí), 以減小在管環(huán)推出盾尾后, 空隙引起的土體沉降。

選擇既有隧道變形較為劇烈的左線盾構(gòu)施工階段作為分析對(duì)象, 繪制頂推力、土倉壓力和注漿參數(shù)曲線如圖8—10所示。結(jié)合圖7， 不難發(fā)現(xiàn), 盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前, 在頂推力和土倉壓力的擠壓作用下, 既有右線隧道產(chǎn)生了0.75 mm上浮。隨后, 土倉壓力略有減小, 而頂推力的均值從9 600 kN迅速降低至9 400 kN以下, 相應(yīng)的既有左線隧道的前期上浮程度小于既有右線隧道, 僅為0.33 mm; 同步注漿量和注漿壓力均有提高, 既有左線隧道工后階段的沉降為0.12 mm, 小于既有右線隧道工后階段的沉降0.29 mm。穿越施工中, 盾構(gòu)機(jī)主要的施工參數(shù)見表2。

圖7 隧道沉降曲線Fig.7 Settlement curves of existing tunnels

圖8 既有隧道施工頂推力曲線Fig.8 Jacking force of the existing tunnel construction

圖9 既有隧道施工土倉壓力曲線Fig.9 Soil pressure of the existing tunnel construction

圖10 既有隧道施工注漿參數(shù)曲線Fig.10 Grouting parameters of the existing tunnel construction

表2 既有隧道施工參數(shù)Table 2 Construction parameters of the existing tunnel construction

盾構(gòu)穿越施工結(jié)束后, 在穿越影響范圍內(nèi), 通過管片注漿孔向周邊地層徑向補(bǔ)漿。補(bǔ)漿漿液采用了水泥-水玻璃雙液漿, 補(bǔ)漿時(shí)根據(jù)地層條件添加外加劑, 調(diào)節(jié)漿液可注性和凝結(jié)時(shí)間, 使得土層有良好的均勻性和自立性, 滲透系數(shù)小于1.0×10-6cm/s, 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.8 MPa, 由此進(jìn)一步抑制了既有隧道的工后沉降。

3.2 施工效果

通過盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性地設(shè)計(jì)改造, 實(shí)際施工中刀具切削能力好, 刀盤性能穩(wěn)定, 掘進(jìn)中未進(jìn)行換刀作業(yè)。在盾構(gòu)機(jī)接收后, 刀具磨損情況也不嚴(yán)重, 個(gè)別刀具更換后即滿足繼續(xù)施工要求,同時(shí),實(shí)際施工中未出現(xiàn)大粒徑卵石顆粒將螺旋輸送機(jī)卡死的現(xiàn)象。

施工結(jié)束后, 采用地質(zhì)雷達(dá)探測了穿越段管環(huán)背后地層密實(shí)度, 沒有發(fā)現(xiàn)明顯的疏松和空洞異常, 表明施工中的注漿和補(bǔ)漿效果較為理想。

通過盾構(gòu)穿越施工中參數(shù)的調(diào)控, 以及施工結(jié)束后的徑向補(bǔ)漿, 既有隧道最大沉降為1.91 mm, 確保了地鐵的安全運(yùn)營。

4 結(jié) 論

結(jié)合北京典型卵石地層中, 地鐵盾構(gòu)施工下穿既有盾構(gòu)隧道的工程實(shí)例, 闡述了盾構(gòu)機(jī)的選型設(shè)計(jì), 結(jié)合穿越施工影響下既有隧道沉降規(guī)律, 討論了控制沉降的盾構(gòu)施工參數(shù)經(jīng)驗(yàn), 得到如下結(jié)論:

(1)為保證盾構(gòu)在卵石地層中順利施工, 盾構(gòu)機(jī)需通過刀盤、刀具、螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)改造提高掘進(jìn)和耐磨性能, 通過主驅(qū)動(dòng)及其密封系統(tǒng)的改進(jìn)提高脫困和防水性能;

(2)既有隧道沉降可明確分為“盾構(gòu)到達(dá)前”、“穿越過程中”和“穿越結(jié)束后”3個(gè)階段, 受雙線盾構(gòu)先后穿越施工的二次影響顯著;

(3)盾構(gòu)施工參數(shù)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)控, 及時(shí)調(diào)整頂推力、土倉壓力可有效地避免既有隧道在盾構(gòu)到達(dá)前上浮; 適當(dāng)提高同步注漿量及注漿壓力可確保注漿質(zhì)量, 結(jié)合穿越結(jié)束后的徑向補(bǔ)漿可有效地減小工后沉降。