土壓盾構近距離下穿大直徑污水管道施工技術

賴國賓

(福州地鐵集團有限公司,福建 福州 350009)

城市市政管網鋪設復雜,管線改遷難度大,盾構施工不可避免的要近距離穿越市政管網,如何確保盾構近距離安全穿越管線,是地鐵建設中重要的研究課題,諸多學者對此問題進行了研究。周紹賓、郭佳奇等通過數值模擬探究了盾構下穿箱涵和管線共同溝的結構變形與沉降特征,并提出了有效的加固措施[1];丁位華、劉家軍等通過試驗探究了盾構穿越污水管時,在隧道管片背后注入克泥效,可以有效控制沉降,保證施工安全[2];王婉婷、黃杉等通過有限差分數值模擬對盾構下穿熱力管溝和污水管溝進行了動態模擬,分析了土體和管線的變形并提出了施工控制措施[3]。

本文以福州濱海快線閩都站—南公園站盾構近距離下穿大直徑污水管道為背景,針對復雜的工程特點,提出了下穿管道的盾構機針對性措施和施工技術措施,并且結合監測數據證實了施工技術的有效性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福州濱海快線閩都站—南公園站區間左線起終點里程為ZDK6+810.780—ZDK7+800.144,全長989.127 m;右線起終點里程為YDK6+862.780—YDK7+799.660,全長936.880 m。該區間隧道為全地下盾構區間,隧道施工采用兩臺復合土壓平衡式盾構機,始發場地均設在南公園站,從南公園站北端頭向閩都站進行掘進。

1.2 地質水文情況

區間涉及地層自上而下依次為:雜填土①2、淤泥②4-1、(含泥)中砂②5、淤泥質土③4-2;區間主要穿越(含泥)中砂、淤泥質土地層,污水管道位于淤泥地層,左線地質如圖1所示。其中(含泥)中砂②5土體主要呈灰黃色,密實度以稍密—中密為主,部分(含泥)中砂為密實,土體主要成分為中細粒石英顆粒和云母,大于0.25 mm粒徑含量平均占總質量的57.4%,級配良好,分選性較差,粒間含粉黏粒,局部夾薄層淤泥。細粒土含量(質量分數)占7.2%～30.7%,平均值為21.58%。地層為復雜軟弱地質,盾構掘進施工地層敏感性大。

(含泥)中砂地層水位較高,盾構施工范圍內主要受該承壓水層影響,該承壓水層與地表水聯系較弱,主要受相鄰含水層的側向徑流補給并向相鄰含水層滲流排泄,地下水位隨季節變化較大,水位變化幅度一般為1 m～3 m。由于軟土具有含水量大、壓縮性大、強度低、靈敏度高和易觸變等特點,盾構施工時,如處理不當,容易引起地表不均勻沉降,導致市政管線、路面和建筑物等開裂,對盾構經過的區域產生嚴重的影響,造成難以預計的后果。

2 施工風險分析

盾構機在始發后25 m,即里程ZDK7+793.1,YDK7+771.2附近下穿DN1 800污水管,污水管道為混凝土材質,管節2.5 m,污水管道與區間隧道夾角約為82°,管道底距隧道頂豎向凈距為1.55 m,污水管位于②4-1淤泥地層中,盾構穿越地層為②6-1粉土層,②5富水含泥中砂地層,DN1 800污水管與盾構隧道位置關系見圖2,面臨的施工風險如下:

1)隧道上部土體較為軟弱,盾構施工過程有可能造成上方土體變形,影響污水管道的安全。

2)該條污水管道管徑大、埋深大,且橫穿交通干道,一旦造成破壞,不易修復,易造成路面塌陷、人員傷害等負面社會影響。

3 復合土壓平衡盾構機研發

3.1 盾構機選型

鑒于區間工程地質、水文地質條件等特殊情況,盾構機必須具有對淤泥質粉質黏土、粉質黏土和含泥中砂地層施工的適應性;具備安全穿越樁基礎地下管線,確保建(構)筑物和管線安全的能力,故本工程使用的盾構機為中鐵裝備復合土壓平衡式盾構機,可以設定可行合理的土倉壓力,根據地表沉降監測結果控制好排渣量調整土倉壓力;設備配置高扭矩、高推力等參數,能夠減小施工中沉降的產生概率。

盾構機開挖直徑為8 630 mm,刀盤為復合式刀盤,采用長度1 800 mm,外徑8 300 mm、內徑7 500 mm管片,盾構機主要參數見表1。

表1 盾構機主要參數

3.2 盾構機改進工藝

3.2.1 掌子面輔助支撐系統

由于隧道斷面大,尤其是在沉降控制嚴格地段,為避免掘進過程中隧道頂部擾動,設計了膨潤土保壓系統,主要功能為:

1)在拱頂和前方掌子面中滲入從土倉頂部添加的膨潤土,從而形成泥膜隔離層,起到承受外部壓力的支撐作用。

2)膨潤土具有強的吸濕性和膨脹性,具有良好的止水效果,可以隔離地下水,確保渣土改良措施的應用效果,避免發生噴涌現象[4]。

3.2.2 濃泥漿系統

前盾頂部設置濃泥漿/克泥效注入口,必要時注入濃泥漿/克泥效,防止拱頂坍塌[5]。

3.2.3 土倉頂部坍塌檢測系統

盾體頂部設置有可以在盾構掘進過程中伸出的油缸,保持壓力,如果有坍塌,壓力就會隨之改變。此系統具備實時監測功能,可以通過數據反映盾構頂部圍巖受擾動程度,從而為盾構掘進參數調整提供一定的參考。

3.2.4 同步砂漿稱重系統

同步砂漿稱重系統可以實時檢測盾構掘進過程中每一環的注漿量,并將重量直接顯示在主控室中。此系統能夠確保總注漿量達到預設值,同時避免由于注漿量不足引起的沉降。

4 下穿污水管道施工技術措施

本盾構區間與直徑為1 800 mm的大直徑污水管道凈距僅為1.55 m,且盾構隧道上部土體較為軟弱,施工條件復雜,要嚴格按照“壓力合理、快速掘進、注漿充分、嚴密監測、快速反饋、預案恰當”的施工原則,采用“管線預加固”和“盾構安全、連續、快速均衡通過管線”的施工方法。

4.1 地面預注漿加固措施

在盾構穿越前完成地面預注漿加固,注漿管采用袖閥管,漿液采用水泥漿,注漿鉆孔直徑91 mm,袖閥管外徑52 mm,首次注漿采用水泥漿(水灰質量比0.5～1.0),在污水管兩側按孔間距1.5 m,距離管線兩側邊緣0.5 m布置單排袖閥管注漿孔,如圖3所示,孔深約10 m(污水管線底下1 m),污水管加固范圍為隧道開挖邊線外10 m范圍,壓力0.5 MPa～1.0 MPa,并密切關注管線記錄沉降變形數據,其后跟蹤注漿視實際情況決定采用水泥漿或雙液漿,且跟蹤注漿應在盾尾通過至少2環后開始。

4.2 盾構機掘進技術控制措施

4.2.1 碴土改良措施

盾構下穿污水管道時,注入膨潤土泥漿進行碴土改良,提高土體流塑性、止水性和防黏附性,利于螺旋輸送機排土,利于穩定開挖面,控制地表沉降。

在此次盾構下穿掘進中,膨潤土泥漿和水配比為膨潤土∶水=140∶1 000,選擇優質的鈉基膨潤土,膨脹倍數大、黏結性強、可塑性高,膨化時間應在8 h以上;選用發泡率較高、止水性較好的泡沫,使碴土具有良好的土壓平衡效果,降低刀盤扭矩和螺旋輸送機扭矩,減少對刀具和螺旋輸送機的磨損,提高盾構掘進效率。

4.2.2 出土量控制

盾構下穿污水管道時要加強對出土量的管理,出土過程中對碴土體積進行重量復核,確保實際出土量在理論出土量的98%～100%之間。理論出土量計算公式如式(1)所示[6-7]:

(1)

其中,D為刀盤直徑;L為管片寬度;S為松散系數。

本工程中管片環寬1.8 m,每環理論出土量為136.8 m3,實際出土量保持在136 m3,偏差量為±2 m3。盾構掘進過程中,嚴格按照此標準控制出土量,以減小地層損失率,保證盾構掘進中開挖面的穩定。

4.2.3 盾構姿態控制及調整

盾構下穿污水管前通過人工復測和盾構機姿態導向系統測量等方式調整盾構姿態,確保盾構機以設計姿態下穿污水管道。盾構下穿污水管過程中,掘進速度每分鐘保持在20 mm～30 mm,通過預估管片上浮量,盾構機垂直方向姿態控制在-20 mm～-30 mm,水平方向姿態控制在-10 mm～+10 mm,遇到管片上浮較大的情況,垂直偏差可以適當調大,控制在-30 mm～-40 mm。

盾構趨勢調節時不能急糾、也不能猛糾,糾偏要做到“勤糾偏”“小糾偏”“不超限”,掘進過程中進行盾構姿態調整要確保管片質量和盾尾間隙,不能破壞管片,保證地鐵隧道的工程質量。

4.2.4 同步注漿及二次注漿

盾構下穿污水管段壁厚注漿分為同步注漿和二次注漿。同步注漿是保證污水管道運行的重要一環,通過填充盾尾空隙,穩固管片與周圍土體,保持盾構隧道的安全與穩定。盾構施工時,使用結實率高、耐久性好的水泥砂漿進行注漿,同步注漿漿液配合比如表2所示。在下穿污水管道時,要增加注漿量,控制注漿壓力,減少凝結時間,將同步注漿壓力控制在0.2 MPa～0.5 MPa,初凝時間控制在6 h內。

表2 同步注漿漿液配合比

盾構通過污水管道后,根據施工經驗,對污水管道影響的前后各5環管片,和沉降單次變化速率超過3 mm的部位,采用水泥漿與水玻璃1∶1拌制而成的雙漿液,通過吊裝孔注入進行二次補漿,注漿壓力控制在0.2 MPa～0.4 MPa,迫使管片向指定方向產生位移,確保隧道穩定,控制地面沉降。

4.2.5 盾構掘進參數

盾構下穿污水管道時的推力、扭矩和刀盤轉速等參數見表3,在掘進過程中通過監測數據分析得到的結果及時調整土倉壓力、注漿量和掘進速度等參數,將地表變形控制在允許的范圍內。

表3 盾構下穿污水管掘進參數表

5 監測結果分析

在盾構區間左線下穿直徑DN1 800 mm污水管時,對地表沉降和管線沉降進行監測,監測頻率為1次/d,遇到超過預警值或異常情況時,加密監測頻率。

5.1 測點布設

監測點按照與盾構軸線正交的監測斷面形式布置,以盾構區間兩條軸線為中心,向左右兩側展開布置監測點,上下行線之間存在沉降區的疊加,疊加區域點位布置在同一點上,下行線監測完畢后繼續在上行線穿越時進行監測。縱向監測點自盾構始發段、接收段,每5 m(2環—3環)布置一個監測點。橫向監測點自盾構始發段和接收段每30 m設一個監測斷面,一個監測斷面每個橫斷面布設6個～10個點。污水管線附近監測點見圖4。

5.2 管線沉降

選取DN1 800污水管上的四個監測點,管線沉降曲線如圖5所示,刀盤到達掌子面對土體產生擾動,經過調整掘進參數、同步注漿和二次注漿等措施,管線監測數據趨于穩定。由圖5可知,沉降值均在-7 mm～4 mm之間,污水管最大沉降值為-6.33 mm,均未超過預警值。

5.3 地表沉降

選取DN1 800污水管附近的地表沉降監測點,地表沉降曲線如圖6所示。由圖6可知,沉降值均在-12.5 mm～7.5 mm之間,盾構經過及盾尾脫出時變形較大,地表最大沉降位于盾構隧道正上方,值為-10.85 mm,結合監測發出的預警信息,及時調整掘進參數,按照預定方案進行二次補漿,地表沉降趨于穩定,保證了盾構穿越的安全。

6 結論

本文以福州濱海快線閩都站—南公園站區間盾構為工程依托,詳細介紹了盾構機針對性的設計和下穿污水管道施工技術措施,結合施工過程中的監測數據,得到了以下結論:1)針對不同的工程地質條件,要合理選擇盾構機,通過增加掌子面輔助支撐、濃泥漿和土倉頂部坍塌檢測等系統,可以有效的控制沉降。2)對于盾構近距離下穿大直徑污水管,盾構下穿前采取地面預注漿加固措施,盾構下穿管線過程中采取碴土改良、出土量控制、盾構姿態控制和同步注漿等措施,并及時進行二次補漿,保證管線運行的正常和盾構掘進的安全。3)通過對盾構影響范圍內的地表、管線和建筑物進行監測,為盾構施工提供數據支撐,通過監測數據修正掘進參數,及時采取加固措施消除隱患,避免事故的發生。