盾構(gòu)法全斷面富水砂卵石地層長(zhǎng)距離下穿開元湖快速掘進(jìn)施工技術(shù)*

吳恒生

(中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，北京 100044)

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)也逐漸興起，其中盾構(gòu)施工法因其對(duì)周邊環(huán)境影響小、適應(yīng)范圍廣以及施工快速等優(yōu)點(diǎn)在地鐵隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，城市地鐵建設(shè)密度不斷增加，大量建筑物地下室以及基礎(chǔ)工程等地下部分也越來(lái)越復(fù)雜，尤其對(duì)于建筑密度很高的一線城市，無(wú)法避免地出現(xiàn)隧道下穿既有重要建(構(gòu))筑物。在隧道施工過(guò)程中，盾構(gòu)掘進(jìn)必然會(huì)對(duì)周邊地層進(jìn)行擾動(dòng)，破壞地層原始的力學(xué)平衡，從而造成地層豎向沉降以及既有結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力變化，施工過(guò)程中需要進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制[2]。

開展盾構(gòu)隧道下穿施工的研究方法主要包括數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)以及工程施工3個(gè)方面，文獻(xiàn)[3-5]通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)盾構(gòu)施工全過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了埋深、樁隧凈距等條件下盾構(gòu)施工對(duì)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的影響規(guī)律。章慧健[6]等采用數(shù)值模擬方法，基于隧道與建筑物之間的夾巖應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢(shì)，建立隧道近接建筑物施工的影響分區(qū)。文獻(xiàn)[7-10]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，研究了新建隧道對(duì)已運(yùn)營(yíng)隧道的地層變形、加固措施、隧道位移，提出了盾構(gòu)隧道近距離下穿已運(yùn)營(yíng)隧道的變形控制措施。楊建烽等[11]開展針對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，探究了既有區(qū)間在新建隧道盾構(gòu)下穿過(guò)程中施工沉降控制方法。謝雄耀等[12]結(jié)合壁后注漿雷達(dá)檢測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)提出了“微沉降”的施工控制技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿老舊建筑物的地表沉降進(jìn)行了控制。

目前，洛陽(yáng)市地鐵2號(hào)線在牡丹大道站—市民之家站區(qū)間順利穿越開元湖，這樣長(zhǎng)距離、快速、安全的下穿施工在隧道工程中尚屬少數(shù)。由此，文章以洛陽(yáng)市地鐵2號(hào)線牡丹大道站—市民之家站區(qū)間工程實(shí)際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，提出施工過(guò)程中的重難點(diǎn)，對(duì)施工過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)選擇、渣土改良、盾構(gòu)姿態(tài)控制與糾偏、出土量、同步注漿及二次補(bǔ)漿等方面進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)，以此保證洛陽(yáng)地鐵在全斷面富水卵石地層長(zhǎng)距離盾構(gòu)安全施工，以期為類似富水砂卵石地層和長(zhǎng)距離掘進(jìn)、下穿提供借鑒。

1 工程概況

牡丹大道站—市民之家站區(qū)間(以下稱牡市區(qū)間)始發(fā)站位于關(guān)林大道站，牡市區(qū)間為關(guān)林大道站—牡丹大道站后的第2個(gè)區(qū)間，牡丹大道站為中間站；牡市區(qū)間自牡丹大道出站后，沿興洛西街敷設(shè)，后以R=400m(R/左=400)轉(zhuǎn)彎半徑穿越開元湖，止于市民之家站，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間起點(diǎn)里程為左(右)DK18+917.575，終點(diǎn)里程為左(右)DK19+858.600，右線全長(zhǎng)943.499m(含1處2.474m長(zhǎng)鏈)，左線全長(zhǎng)966.499m(含1處25.474m長(zhǎng)鏈)。區(qū)間左、右線間距為9～16.64m，在距離市民之家站東端頭接收前左右線間距最小凈距2.8m(50m)，左、右線間距凈距<5m的部分長(zhǎng)達(dá)132m。牡市區(qū)間線路最大縱坡為26.069‰，隧道結(jié)構(gòu)頂部最大覆土為18.3m，最小覆土10.4m。左線隧道穿越開元湖319m，湖底距離隧道頂部最淺13.33m，最深14.97m；隧道下穿開元湖左、右線間距為14.82～16.21m。

開元湖位于洛陽(yáng)市開元大道南側(cè)、展覽路中段，與洛陽(yáng)市政府大樓相毗鄰，于2007年建成蓄水，湖長(zhǎng)576m，寬310m，深2.5m，湖底結(jié)構(gòu)為素土夯實(shí)后澆筑15cm素混凝土，占地面積約178 560m2，正常蓄水量約為420 000m3。在前期對(duì)開元湖的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，湖底滲水嚴(yán)重，湖底以下卵石地層滲水系數(shù)高，地下水分布走向不明；同類卵石地層盾構(gòu)施工案例中地表沉降大，且易造成刀具和刀盤嚴(yán)重磨損，刀盤、螺旋機(jī)卡機(jī)現(xiàn)象；湖內(nèi)音樂(lè)噴泉已運(yùn)營(yíng)12年，年久失修、設(shè)備老化，加之噴泉水泵、管路內(nèi)水壓較高，抗擾動(dòng)性能極差。而盾構(gòu)法施工本身就存在對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，該工況增加了盾構(gòu)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度，對(duì)施工單位的技術(shù)水平、管理能力、資源配置等提出了極高要求。稍有不慎，將出現(xiàn)湖底盾構(gòu)機(jī)異常停機(jī)、噴泉設(shè)施損壞、掌子面失穩(wěn)、底板開裂湖水灌入盾構(gòu)前倉(cāng)、盾構(gòu)機(jī)被淹埋等嚴(yán)重后果。

2 工程水文地質(zhì)條件

牡市區(qū)間主要穿越全斷面②6-3中密卵石層，隧道頂部從下至上為中密卵石層、黃土粉質(zhì)黏土層、雜填土層，其中中密卵石層含漂石，巖性主要為安山巖、玄武巖、石英砂巖等，磨圓中等，多呈亞圓形，分選性差，微風(fēng)化，卵石含量一般為60%～70%，粒徑以2～12cm為主，充填物主要為細(xì)、中砂及圓礫，夾少量黏性土，最大粒徑可達(dá)40cm，漂石含量一般為5%～8%，屬級(jí)配不良卵石；黃土粉質(zhì)黏土層呈灰黃色、褐黃色，硬塑為主，局部可塑，稍濕，以黏性土為主，夾有碎石、砂礫以及少量磚渣等。標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)平均值N=9.3擊/30cm，據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)可知壓縮模量Es=3.5～8.9MPa，平均值為6.8MPa；雜填土層呈褐黃色，物質(zhì)成分以黏性土為主，含少量建筑垃圾及三七灰土墊層，硬質(zhì)塊石含量在20%～30%，該層均勻性差，多為欠壓密土，自重固結(jié)尚未完成，結(jié)構(gòu)疏松，具強(qiáng)度較低、壓縮性高、荷重易變形等特點(diǎn)。

根據(jù)詳勘期間鉆探揭露，牡市區(qū)間場(chǎng)地內(nèi)地下孔隙潛水水位埋深11.5～17.8m，在隧道頂部以上約3.54m。區(qū)間隧道下穿開元湖段為全斷面中密卵石層，且全部位于地下水位以下。開元湖2007年建成蓄水后，發(fā)現(xiàn)湖底滲水較大，雖經(jīng)對(duì)湖底注漿堵漏處理，但后期仍存在滲流損失，因而湖底的地下水位分布及地質(zhì)環(huán)境變化存在較大的不確定性，如圖1所示。

圖1 隧道與開元湖位置關(guān)系

3 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)設(shè)備主要參數(shù)

1)區(qū)間隧道管片外徑為6 200mm，內(nèi)徑為5 500mm，管片厚度350mm，寬度1 500mm，采用C50，P12混凝土。

2)區(qū)間采用通用環(huán)襯砌形式，楔形量為40mm，雙面楔形，采用增設(shè)注漿孔的管片。

3)區(qū)間隧道襯砌環(huán)縫采用彎螺栓連接，其中每環(huán)縱縫采用12根M30螺栓連接，環(huán)縫采用16根M30螺栓連接。

4)牡市區(qū)間左右線分別使用中國(guó)鐵建重工DZ463、中鐵763復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，其中DZ463前盾外徑6 410mm、中盾外徑6 400mm、盾尾外徑6 390mm，刀盤開口率為38%，螺旋機(jī)內(nèi)徑920mm；中鐵763前盾外徑6 440mm、中盾外徑6 430mm、尾盾外徑6 420mm，刀盤開口率40%，螺旋機(jī)內(nèi)徑800mm。

4 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

根據(jù)區(qū)間下穿開元湖段地質(zhì)情況、地下水情況及開元湖狀態(tài)分析，牡市區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越開元湖施工存在諸多安全風(fēng)險(xiǎn)和不穩(wěn)定性因素，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)隧道在開元湖319m范圍內(nèi)無(wú)法施工勘探鉆孔，造成地質(zhì)資料不詳實(shí)。

2)本區(qū)間為全斷面中密卵石地層，卵石含量高達(dá)60%，滲水系數(shù)達(dá)130m/d，盾構(gòu)前倉(cāng)不能保壓。

3)洛陽(yáng)同類卵石地層盾構(gòu)施工案例中地表沉降大，平均沉降達(dá)到10cm以上。

4)開元湖底多年滲水，湖底卵石地層已形成流水通道。

5)該區(qū)間存在大粒徑卵石，飽和抗壓強(qiáng)度高達(dá)248MPa，易造成刀盤和刀具超耗、螺旋機(jī)卡機(jī)等現(xiàn)象。

6)該區(qū)間存在大粒徑卵石，易發(fā)生大卵石堆積卡刀盤的現(xiàn)象，需停機(jī)采取人工進(jìn)入前倉(cāng)清理卵石。

7)湖內(nèi)水下音樂(lè)噴泉設(shè)施基礎(chǔ)形式、管路、電纜電線布置情況不明；湖底設(shè)備年久失修大多老化，抗擾動(dòng)性能極差。盾構(gòu)在全斷面卵石地層掘進(jìn)中，會(huì)造成湖底沉降甚至塌陷，存在造成噴泉設(shè)施損壞、漏電等風(fēng)險(xiǎn)。

8)湖底隧道處于下坡段，坡度為2.6%，盾構(gòu)在該段掘進(jìn)中，存在掌子面失穩(wěn)造成湖水灌入盾構(gòu)前倉(cāng)及淹機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

9)盾構(gòu)在全斷面卵石地層掘進(jìn)中，會(huì)造成湖底沉降、底板開裂，增大湖底滲漏水。

10)由于沉降而形成的湖底損壞在蓄水環(huán)境下難以進(jìn)行修復(fù)。

11)盾構(gòu)穿越湖底過(guò)程中，湖底發(fā)生泡沫冒頂后會(huì)造成湖里大量魚類死亡，造成經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)不良影響。

12)開元湖位于洛陽(yáng)市政府前，是市民和游客關(guān)注度高的觀賞景點(diǎn)，社會(huì)影響較大。

13)設(shè)計(jì)單位無(wú)有效的湖底監(jiān)測(cè)方案，施工過(guò)程中安全監(jiān)測(cè)受限，存在沉降處理不及時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 主要施工技術(shù)

5.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

下穿開元湖過(guò)程中，監(jiān)控室值班人員(設(shè)置1名調(diào)度、1名技術(shù)人員)對(duì)每環(huán)掘進(jìn)信息情況進(jìn)行記錄和盯控，對(duì)每環(huán)掘進(jìn)信息(如當(dāng)環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間、添加劑注入量、出土量、注漿量、速度、扭矩、故障信息等)和垂直、水平運(yùn)輸系統(tǒng)供應(yīng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；隧道內(nèi)每班設(shè)置1名土建工程師，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)、渣溫、管片拼裝、同步注漿量、二次注漿、止水環(huán)箍、盾尾間隙、軌道安裝等質(zhì)量進(jìn)行盯控以及洞內(nèi)外協(xié)調(diào)等工作，實(shí)時(shí)掌握是否存在超挖、地層是否異常情況、工序銜接是否存在問(wèn)題，以便及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)響應(yīng)。掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

5.2 渣土改良控制

盾構(gòu)機(jī)在下穿開元湖掘進(jìn)過(guò)程中，為穩(wěn)定開挖面，防止刀盤產(chǎn)生泥餅并降低刀盤扭矩，應(yīng)選擇質(zhì)量較好的泡沫對(duì)倉(cāng)內(nèi)渣土進(jìn)行改良，穿湖段渣土改良以膨潤(rùn)土為主，適當(dāng)加入泡沫。采用膨潤(rùn)土和泡沫改良在全斷面卵石地層掘進(jìn)應(yīng)考慮以下特性：①加大膨潤(rùn)土漿液 膨潤(rùn)土在水介質(zhì)中分散成膠體懸浮液，具有一定的黏滯性、觸變性和潤(rùn)滑性，膨潤(rùn)土在水化時(shí)其中的鈉離子連接薄片，積聚于土壤泥水的接觸表面，形成不透水的泥膜，和水、泥、砂等混合使之具有可塑性和粘結(jié)性，盾構(gòu)在富水砂卵石地層中掘進(jìn)，可以提高砂土的含泥量，補(bǔ)充土體的微顆粒，增加土體的流動(dòng)性和不透水性。②膨潤(rùn)土和泡沫劑的配合使用 在富水砂卵石地層中用膨潤(rùn)土做渣土改良劑。③遭遇水囊、流砂地層時(shí)，增大泡沫原液比例，同時(shí)通過(guò)膨潤(rùn)土系統(tǒng)向土倉(cāng)注入聚合物，對(duì)高含水量的土進(jìn)行改良，加大泡沫濃度是為了提高發(fā)泡率，發(fā)泡率越高，半衰期越長(zhǎng)，穩(wěn)定性越好，這樣更能填充土壤間空隙，起到止水作用。④在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)地層含土量、改良效果進(jìn)行膨潤(rùn)土和泡沫的調(diào)整。

本工程膨潤(rùn)土漿液拌制采用配合比(質(zhì)量比)為：水∶膨潤(rùn)土∶純堿∶CMC=875∶295∶10∶ 0.6，膨化時(shí)間5～8h，控制流速在80～100s，膨潤(rùn)土漿液通過(guò)專用管路直接泵送至盾構(gòu)機(jī)專用膨潤(rùn)土箱內(nèi)。

泡沫的組成比例如下：泡沫添加劑3%～6%，水97%；泡沫組成：90%～95%壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合而成；泡沫添加劑的注入量按開挖方量計(jì)算：300～500mL/m3。渣土改良管路布置如表2所示。

表2 渣土改良管路布置

5.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制與糾偏措施

1)采用自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)。

2)采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。

3)在糾偏過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)糾偏量控制，應(yīng)小于5mm/m，避免大量糾偏造成土體擾動(dòng)過(guò)大，引起地面沉降。

4)及時(shí)用管片楔形量填補(bǔ)由于糾偏產(chǎn)生的行程差，使管片均衡受力，盡量減小分區(qū)油壓差，做到速度穩(wěn)定，油壓均衡。

5)在砂卵石地層刀盤扭矩偏大，盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反作用力造成盾體自轉(zhuǎn)產(chǎn)生滾動(dòng)角偏差變化較快。滾動(dòng)角控制應(yīng)小于±10mm/m，過(guò)程中應(yīng)根據(jù)滾動(dòng)角變化量及時(shí)切換刀盤轉(zhuǎn)向，保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)穩(wěn)定。

5.4 出土量控制

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格控制出土量，安排專人對(duì)出土進(jìn)行檢查通報(bào)，并形成記錄。出土量通過(guò)渣土的體積和質(zhì)量雙重指標(biāo)控制，防止超挖超排。詳細(xì)記錄每一碴斗的出土量和掘進(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算確定每一斗需要掘進(jìn)的長(zhǎng)度，并利用45t門式起重機(jī)的稱重系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)計(jì)每環(huán)的出土量作為下穿開元湖時(shí)的參數(shù)，反向驗(yàn)證掘進(jìn)出土量。

嚴(yán)控土方超排，進(jìn)湖前取試驗(yàn)段，按1環(huán)管片為單位，統(tǒng)計(jì)每掘進(jìn)10cm的出土量，計(jì)算掘進(jìn)1環(huán)的土方平衡量，隨時(shí)掌握土方超排情況。由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)無(wú)法觀察掌子面情況，只能通過(guò)出土量的大小來(lái)推算掌子面情況，出土量過(guò)大，掌子面就可能出現(xiàn)坍塌，一旦有超量現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)該區(qū)段采取加大膨潤(rùn)土注入量、同步注漿量及二次補(bǔ)漿等措施。

5.5 同步注漿控制

根據(jù)本區(qū)間試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)，擬定同步注漿配合比及參數(shù)(見表3，4)，盾構(gòu)下穿開元湖屬于螺旋下降的隧道掘進(jìn)，盾構(gòu)對(duì)土體擾動(dòng)大，管片背后空隙增大，因此，考慮適當(dāng)增加每環(huán)同步注漿量，采用注漿量與注漿壓力雙控指標(biāo)，確保管片壁后填充飽滿。

表3 同步注漿配合比

表4 下穿開元湖同步注漿參數(shù)

5.6 二次注漿

5.6.1注漿時(shí)機(jī)

1)管片脫出盾尾第5環(huán)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，出現(xiàn)超挖、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常等情況管片脫出盾尾第3環(huán)開始進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

2)在管片未脫出盾尾提前進(jìn)行開孔并安裝球閥。

3)正常段掘進(jìn)每5環(huán)在管片頂部進(jìn)行二次補(bǔ)漿，每10環(huán)施作1道止水環(huán)。

4)下穿開元湖期間每5環(huán)施作1道止水環(huán)，以堵住盾尾來(lái)水，和膨潤(rùn)土共同起到預(yù)防噴涌的作用。

5)二次補(bǔ)漿盡量控制在掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行，停機(jī)補(bǔ)漿時(shí)需階段性向前推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)，避免漿液包裹盾體。

6)注漿過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注管片情況，出現(xiàn)異常及時(shí)停止注漿。

5.6.2注漿參數(shù)

1)注漿采用水泥、水玻璃雙液注漿，凝結(jié)時(shí)間控制在25s左右。

2)注漿壓力控制在0.3～0.5MPa。

5.7 施工綜合成果

牡市區(qū)間左線歷時(shí)12d完成了下穿開元湖段319m掘進(jìn)施工，日均進(jìn)度17.7環(huán)(26.6m)，單班最高掘進(jìn)12環(huán)(18m)、單日掘進(jìn)23環(huán)(34.5m)。牡市區(qū)間右線歷時(shí)15d完成下穿開元湖段300m掘進(jìn)施工，日均進(jìn)度13.3環(huán)(20m)，生產(chǎn)均衡、進(jìn)度穩(wěn)定。下穿區(qū)段累計(jì)沉降變化最大值為-7.8mm，累計(jì)隆起變化最大值為5.1mm；下穿段單次沉降速率最大值為-4.0mm/d，單次隆起變化速率最大值為4.2mm/d。凈空收斂累計(jì)最大變化量-2.7mm，拱頂沉降累計(jì)最大-4.5mm，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于控制值指標(biāo)，且未達(dá)到黃色預(yù)警值，足以證明此次盾構(gòu)下穿開元湖施工沉降控制情況良好。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)盾構(gòu)全斷面卵石層長(zhǎng)距離下穿開元湖的超前謀劃、超強(qiáng)配置以及行之有效的施工組織管理，保證了盾構(gòu)下穿開元湖段施工安全，顯著提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量，同時(shí)節(jié)省了施工成本，使資源得到充分合理的運(yùn)用。在類似地層掘進(jìn)中達(dá)到了盾構(gòu)施工領(lǐng)域的較高施工技術(shù)和管理水平，并具備推廣應(yīng)用的條件。