砂卵石地層大直徑盾構施工的關鍵技術

王春波 孫建營 武亦超 方華昌

(1.中國人民武裝警察部隊警官學院基礎部, 610213, 成都; 2.中交一公局集團有限公司, 100024, 北京)

0 引 言

隨著我國基礎設施建設的蓬勃發展,盾構法隧道以其掘進速度快、施工安全性高、對周邊環境擾動小等優點成為隧道工程乃至地下空間工程首選的施工方法之一?，F代盾構隧道工程的發展逐漸呈現出直徑大、埋深深、掘進距離長三大發展趨勢。目前,盾構按其直徑φ分類還沒有統一的標準,通常認為6 m<φ≤14 m時為大直徑盾構,14 m<φ≤17 m時為超大直徑盾構,而φ>17 m則為超特大直徑盾構[1]。自1994年日本東京灣隧道首次采用φ14.14 m盾構的施工開始,截至2020年5月,全球共有56處超大直徑盾構隧道,其中我國香港的屯門—赤鱲角隧道盾構直徑為17.63 m,為全球最大直徑盾構隧道[2]。盾構直徑的增大不僅會增加盾構施工成本,還會大大增加盾構進出洞、盾構掘進姿態、盾構注漿、盾構出渣等一系列施工過程風險。文獻[3]總結分析了大直徑盾構在高水壓、強透水、軟硬不均且伴有斷層破碎帶的復合地層中施工風險;文獻[4]重點對超大直徑土壓平衡盾構開挖面穩定性控制、盾構姿態與軸線控制、長距離小曲線連續出土等掘進參數進行了研究;文獻[5]總結了超大直徑泥水盾構隧道穿越淤泥質粉質黏土、硬塑膨脹性黏土、粉細砂與礫砂(巖)復合等復雜地層時的施工難點與關鍵技術;文獻[6]結合工程案例對盾構設備、隧道內部結構施工、盾構始發與到達施工工藝、近距離穿越建構筑物等相關施工技術經驗進行了總結。上述文獻基本沒有涉及砂卵石地層,或者只是論述了大直徑盾構施工的某一方面,而沒有從盾構機選型、盾構掘進施工、盾構始發與到達等全過程施工關鍵技術進行研究分析。

砂卵石地層結構松散、顆粒無膠結或弱膠結、顆粒粒徑大、透水性強,砂卵石地層中大直徑盾構的施工往往會表現盾構掌子面穩定性差、刀盤刀具磨損嚴重、地層損失率高、沉降變形大、盾構管片上浮等一系列工程問題。本文以成都地鐵17號線一期工程的大直徑盾構隧道為背景,結合砂卵石地層工程地質、水文地質特性,總結分析砂卵石地層中大直徑盾構機選型、盾構始發與到達、盾構掘進姿態控制、渣土改良效果、地層損失率、地層沉降控制等施工關鍵技術,為后續類似工程的施工提供借鑒和指導。

1 工程概況

成都地鐵17號線一期工程為成都第一條在砂卵石地層中掘進的大直徑盾構隧道工程。其中九江北站至一期設計終點區間道全長約4.3 km,線路最小平曲線半徑為600 m,最大縱坡坡度為-25‰,隧道埋深為8.7～24.1 m,采用直徑為8.6 m土壓平衡盾構機掘進施工,成形隧道外徑為8.3 m,內徑為7.5 m。隧道先后下穿繞城高速、過街天橋、江安河大橋等多處建構筑物。盾構區間隧道上覆土層從上到下依次為人工填土及雜填土、粉質黏土、稍密砂卵石、中密砂卵石、密實砂卵石。卵石粒徑一般為20～200 mm,個別漂石最大粒徑可達380 mm。典型地勘鉆孔巖心取樣如圖1所示。

圖1 局部地勘鉆孔巖心取樣

2 砂卵石地層大直徑盾構施工關鍵技術

2.1 盾構機選型

對于大直徑盾構的掘進施工,地質是基礎,盾構機選型是關鍵,掘進施工是難點。區間砂卵石分選性差、滲透系數大、富水性強,且顆粒粒徑較大,砂卵石成分以石英巖、花崗巖、石灰巖為主。大直徑盾構在掘進過程中很可能會出現以下問題:① 刀盤刀具磨損嚴重,掘進緩慢;② 掌子面穩定性差,保壓換刀困難;③ 土壓控制較難,與螺旋輸送機排土匹配性差,地層沉降難以控制。

針對上述可能出現的工程問題,盾構機在選型上重點考慮了刀盤開口率、刀盤刀具耐磨性、渣土改良等特殊設計需求。刀盤采用6輻條+6面板復合刀盤,刀盤上安裝有單雙刃滾刀、刮刀、先行刀、超前刀等多種刀具,且配置3處液壓型磨損檢測刀和2處磨損檢測條,能及時發現刀具及刀盤磨損情況。盾體外周設置了11個超前注漿孔,在必要時可對開挖面前方土體進行超前注漿。盾構設有人艙及全氣動保壓系統。氣動保壓系統在斷電時仍能正常工作,以確保帶壓換刀時人艙內人員的安全;刀盤面板均勻設置10個刀盤噴口,9路泡沫,4路膨潤土(其中3路與泡沫共用互換),每個噴口均為單管單泵設計,提高了渣土改良效果,排渣順暢,盾構刀盤刀具如圖2所示。

圖2 直徑為8.6 m的盾構刀盤刀具布置示意圖

2.2 盾構始發/接收

大直徑盾構盾構井的平面尺寸更大、基坑開挖深度更深,所需施工場地的面積也更大。大直徑盾構在砂卵石地層中始發時,盾構姿態控制難度高,壓力建倉困難。尤其是當盾構覆土厚度小于1倍洞徑時,極易發生擊穿冒頂或地面坍塌等事故。盾構的接收是盾構施工階段的最后一個風險環節,盾構與洞門環梁預留150 mm間隙。當盾構掘進到達區后,關鍵要精準測量,保證將盾構機軸線與線路中線的偏差控制在允許范圍內。

在中密或密實砂卵石層中,盾構始發井/接收井端頭部位通常采用降水、地面深孔注漿、洞內大管棚(管棚內注漿)三項處理措施,如表1所示。該區間盾構始發段的實測地面沉降等值線圖如圖3所示。

表1 砂卵石地層大直徑盾構始發接收地層的處理措施

a) 盾尾位置坐標Y=0 m

2.3 盾構掘進姿態控制

該區間盾構隧道主要位于中密砂卵石及密實砂卵石地層中。若盾構機在砂卵石地層中長距離掘進施工,則不僅盾構刀盤將會嚴重磨損,需要常壓更換刀盤,而且地層沉降變形也難以控制。尤其在盾構下穿河流、居住民房及高架橋梁等重要建(構)筑物時,盾構掘進控制技術難度大、施工風險高。對此,施工中采用如下技術參數:

1) 嚴控盾構掘進參數。保持盾構平穩推進,盡量勤于糾偏并減少糾偏,最大限度地減少對正面土體的擾動,減少超挖量。盾構姿態預警值宜取±50 mm,掘進速度宜控制為60～70 mm/min,刀盤轉速宜控制為1.4～1.6 r/min。

2) 加強出渣管理。渣土改良宜采用2%泡沫原液,8～12倍發泡率;螺旋機出渣量的單環偏差不大于5 m3,三環偏差不大于10 m3;出渣溫度不宜超過40 ℃。

3) 提升注漿加固效果。同步注漿的每環注漿量不應小于13 m3;注漿壓力應為注漿點位靜水壓力與土壓力之和,實現盡量填補而不發生破裂;同步注漿的速度應與盾構掘進速度相匹配;洞內注漿優先選用水泥漿,多采用φ42 mm(壁厚為3.5 mm)鋼花管;注漿應及時,以免地層損失過大,漿液無法填充空隙,難以達到預期效果。

4) 盾構刀盤及刀具檢修采用新工藝。砂卵石地層對盾構機刀盤及刀具的磨損較大,因此長距離掘進施工時,需要經常更換刀具或者對刀盤進行修理。目前應用較多的為開倉換刀法,傳統開倉換刀施工風險高,工效低,成本高。該區間施工中創新性地采用了玻璃纖維筋中空孔樁檢修施工工藝,先施作大直徑玻璃纖維筋樁,并在其初凝后、終凝前利用鉆機形成偏心中孔樁。該施工工藝可以保證在不開倉的情況下對盾構機刀盤進行檢修或者清理,還可以降低施工成本、縮短施工工期,大大降低了進倉作業人員施工風險。玻璃纖維筋中孔樁如圖4所示。

a) 施工側視圖

3 結語

現代盾構隧道工程主要有盾構直徑大、埋深深、掘進距離長等三大發展趨勢,且不同的地層掘進施工工藝、施工技術相差較大。砂卵石地層具有結構松散、顆粒無膠結或弱膠結、顆粒粒徑大、透水性強等特性。大直徑盾構在砂卵石地層中掘進,主要遇到掌子面穩定性差、刀盤刀具磨損嚴重、地層沉降控制較難等工程問題。本文主要以成都地鐵17號一期工程九江北站至設計終點區間隧道為工程背景,針對砂卵石地層獨特的工程特性,從盾構機選型、盾構始發接收、盾構掘進姿態控制及盾構刀盤刀具的檢測維修等方面總結分析砂卵石地層大直徑盾構施工關鍵技術,以期為后續類似工程的施工提供借鑒和指導。