鄭州地區富水砂層土壓平衡盾構掘進技術探析

2022-08-04 03:29:12曾英俊上海城建市政工程集團有限公司上海200331

安徽建筑 2022年7期

關鍵詞：施工

曾英俊（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海 200331）

0 前言

隨著地下空間的開發利用日益廣泛，地鐵作為一種快速、經濟的交通方式，正在快速普及到中國的眾多二三線城市[1]。與傳統的隧道施工相比，盾構法因為其速度快、適應性強、自動化程度高、擾動小等優勢，普遍應用于城市地鐵施工[2]。

然而盾構機在富水砂層中掘進，容易造成刀具磨損、管片上浮、掘進參數異常和噴涌等問題，嚴重時會造成重大事故。近年來，在富水砂層中盾構掘進的問題引起重視。周沈華，田涌泉等人[3]發現在富水砂層中，快速封堵洞門可以使用深孔雙液注漿，有良好的止水效果。曹振，白俊峰等[4]總結盾構機選型、施工過程控制以及渣土改良等技術手段的運用，可以控制保證施工的安全。劉石琦[5]通過有限元分析的方法，理論計算出，在盾構管片外不小于3m 處注漿加固，可以有效減少富水砂層盾構施工對周圍的影響。王曉明[6]從哈爾濱地鐵工程中總結到采用旋挖鉆機地面清除盾構區間錨管群，可以有效解決盾構直接通過錨索區所遇到的不可控難題。劉華[7]和黨成鵬[8]等人通過工程實例對富水砂層盾構接收控制技術進行了一定總結。劉偉[9]通過三維數值模擬的方法，得出在富水砂層中隨著盾構掘進的進行，土體變形逐漸變大并且盾構的上部土體變形影響范圍明顯大于下部的結論。方江華，姜平偉等[10]為規避風險源，用數值模擬的方法分析了富水砂層施工過程中地層孔隙水壓力、地層沉降損失演化過程。黃耀飛[11]、蔣昌盛[12]、劉海東[13]、張濤[14]、王文威[15]、張生林[16]等人根據富水砂層中的施工案例，對施工的技術控制進行了總結。然而盾構機掘進是一個復雜的綜合性技術問題，如何保證在盾構富水砂層中掘進的安全，提高施工的精度仍然是一個值得探討的問題。

本文以鄭州地鐵8 號線一期工程為背景，研究分析土壓平衡盾構機在富水砂層中掘進可能遇到的風險難題和對應的技術措施，以期為類似的工程提供技術參考。

1 工程概況

本項目為龍湖中環路站～鄭大一附院（東區）站，屬于鄭州市軌道交通8 號線一期工程土建施工02 標段的一部分。區間隧道采用兩臺?6470mm 的土壓盾構機施工，區間隧道采用單層襯砌，襯砌環形式為通用楔形環，管片外徑6200mm，內徑 5500mm，厚度350mm，寬度1500mm，楔形量為40mm（雙面楔形），管片拼裝為錯縫拼裝。

區間設置2個聯絡通道，1個聯絡通道兼泵房，均采用凍結法加固地層、礦山法開挖構筑施工。

1.1 工程地質條件

本區間隧道穿越主要地層有②33黏質粉土、②33C 粉砂、②22 粉質黏土、②41層粉砂、②51層細砂。據區域地質資料和勘察成果，本區間隧道主要沿龍湖中環路下方敷設，地勢相對平坦，地面標高約91.4～93.15m，大體呈自西向東緩降。

1.2 水文地質條件

龍湖中環路-鄭大一附院（東區）站區間線路左CK40+962～左CK41+085下穿東運河，東運河屬鄭東新區景觀河，與北龍湖、東風渠相連，長約2km，與8號線線路交叉處河面寬度約80m，東運河水深1～2m，豐水期河水深可達2～3m，河底有襯砌。

地下潛水水位埋深介于6.0～12.2m（絕對標高約79.45m）。地下水年變幅1～2m，近3～5 年水位約3.0m（絕對標高84.0m），歷史最高水位埋深約1.0m（絕對標高86.0m），地下水類型為潛水，主要賦存于粉細砂層中。車站地下水主要為第四系松散巖類潛水，含水層為強透水層。綜合確定龍湖中環路站～鄭大一附院（東區）站區間抗浮設防水位標高為86.0m。

1.3 施工風險分析

施工區間全線隧道地下水含量豐富，主要穿越②41粉砂、②51細砂地層，盾構在富水砂層中掘進，容易造成刀盤和刀具以及螺旋輸送機的磨損，進而導致刀盤的扭矩和推力增大，掘進參數異常，盾構出土異常和地面沉降難以控制等一系列問題，不加以解決可能會造成嚴重的工程事故。因為盾構機自身的重量，可能會向下偏離隧道中心線。需要下部更大的推力來調整盾構機的姿態。這樣，導致管片下部受力過大，加劇了上浮的趨勢。盾構推進速度過快，會導致盾構通過區域的地層不穩定，極易沉降，注漿漿液不能及時凝結，使管片易上浮；渣土改良效果不佳，易出現噴涌等現象。

2 盾構設計

2.1 刀盤、刀具設計

刀具布置：刀盤結構采用6扭腿6主梁6 輔梁結構，主梁、輔梁和扭腿均采用圓管，主梁焊接貝殼撕裂刀。開口率52%，開口在整個盤面均勻分布，使得渣土流動流暢及土壓傳遞更為真實；較大的刀盤開口率使刀盤在掘削過程中不容易產生泥餅。刀盤背面在不同軌跡配置有4 根主動攪拌棒，用以攪拌土倉內渣土，增加渣土流動性，防止土倉內結泥餅。

中心魚尾刀：在刀盤中心部位裝配鑲硬質合金的魚尾刀，配合中心魚尾刀在其他軌跡配置切刀及先行刀。

邊刮刀及撕裂刀：刀盤外沿采用直角設計，對周邊地層擾動小。最外部布置12 把邊刮刀和6 組大合金保徑撕裂刀，保證開挖直徑。

大圓環保護刀：大圓環保護刀主要作用是保護開挖直徑，減少大圓環的磨損。大圓環保護刀使用大尺寸耐磨硬質合金設計，大圓環保護刀數量為12 把，布置在切口環位置。

超挖刀：刀盤配有一把超挖刀，帶仿形功能，可根據角度控制超挖，最大超挖量為45mm。

刀盤刀具磨損檢測：刀具磨損情況通過油壓式刀具磨損檢測裝置檢測，布置在2 個位置，具備磨損后可更換的功能。

渣土改良口：刀盤正面均勻分布6個渣土改良入口，其中4 個為泡沫噴口，2個為膨潤土噴口。噴口采用新式防堵塞設計，增加噴口使用壽命。如果噴口發生堵塞還可從刀盤背面整體拆除，便于更換。

外圈梁保護：外圈梁整圈鑲焊耐磨復合鋼板，可降低刀盤在粗砂層掘進時碴土對刀盤外圈梁的磨損。

2.2 驅動設計

配置的主軸承為三排圓柱滾子軸承，可承受較大偏載，主軸承直徑3060mm，主軸承有效使用壽命≥10000小時。

主驅動采用變頻電機驅動，配置6組變頻電機，總功率達到660kW，最大扭矩可達 6307kN·m，脫困扭矩7569kN·m，最高轉速2.2r/min。

驅動內、外密封系統均采用聚氨酯密封，配置形式為一道端面指型密封+一道徑向指型密封+一道徑向VD 密封。密封系統設計承壓能力10bar。

2.3 盾體結構

盾體對未襯砌的隧道可以充當臨時支護，可以承受土壓、水壓和起到一定的防滲效果，由三部分：前盾、中盾、尾盾等組成。

盾構機前盾組成分為盾殼、主驅動連接法蘭、土倉隔板、螺旋傳送機連接座和人艙連接座組成。其中在隔板上設有被動攪拌棒，可以與主動攪拌棒一起對渣土強制攪拌。土倉隔板上還有渣土改良材料注入口，土壓力傳感器和預留的電液通道、水氣通道、保壓孔等。

中盾和尾盾通過被動的鉸接連接在一起，兩者之間設計了兩道密封，一道橡膠密封和一道緊急氣囊密封。沿著中盾殼體的周圍布置設計了10 根超前注漿管，在前盾的壓力隔板上布置有1 個固定式超前注漿孔和6 個鉸接式注漿孔，用于對地質的注漿加固。

尾盾上的內嵌有注漿和油脂管路，每根注漿管設置有觀察窗，利于清洗、維修。尾刷密封采用三排焊接密封刷，起到防滲作用。在盾尾設置一排止漿板，防止砂漿進入盾體前部的同時也可以防止盾體前部的泥漿干擾注漿。

3 掘進施工技術

3.1 盾構掘進控制

盾構在富水砂層中掘進時，會有管片上浮的情況，因此可以將盾構機垂直姿態適當向下調整，用來抵消管片上浮的位移，盾構機在富水砂層中工作需要提高防水密閉性，盾尾處密封采用三排鋼絲止水密封刷，在之間注射密封脂，使用唇形橡膠密封鉸接處。對同步注漿進行多次配比試驗，提高同步注漿質量，縮短漿液初凝時間，保證注漿量與管片脫出盾尾的空隙之間的平衡，避免漿液因為被水稀釋而降低性能。加強盾構機姿態測量，控制好盾構機的姿態，避免蛇形和超挖，控制好掘進速度，盡可能沿著軸線做微小運動。出土量和土倉壓力，同時加入適量的泡沫和膨潤土來做好土倉及螺旋機內渣土改良，采用螺旋輸送機雙閘門控制，以防止產生噴涌等危險。