珠海隧道超大直徑盾構淺埋極軟地層施工關鍵技術*

廖文江,陳玉林

(1.廣州軌道交通建設監理有限公司,廣東 廣州 510030; 2.隧道掘進機及智能運維全國重點實驗室,河南 鄭州 450001; 3.中鐵隧道局集團有限公司大盾構工程分公司,河南 鄭州 450000)

0 引言

伴隨城市規模的擴張及城市基礎設施建設的迅速發展,城市公路隧道向超大直徑、超長距離和隧道結構功能多樣化的發展趨勢日益顯現[1-4]。超大直徑盾構隧道具有眾多優勢的同時,也對盾構施工提出了眾多難題[5-8],如陳建等[6]結合南京長江隧道、揚州瘦西湖隧道和武漢地鐵8號線越江隧道工程特點及施工難點,總結了超大直徑泥水盾構隧道穿越諸如淤泥質粉質黏土、硬塑膨脹性黏土、粉細砂與礫砂復合等復雜地層時的關鍵技術;蘇棟等[9]依托珠海市橫琴杧洲軟土地層大直徑盾構隧道工程,研究偏轉力矩與盾構機俯仰角之間的關系及盾構機姿態變化對地層變形的影響;李波等[10]針對三陽路隧道在施工過程中掘進低效、刀具磨損、正面失穩、泥餅淤積等問題,提出了刀盤刀具優化措施;王發民等[11]依托汕頭海灣隧道工程,對泥水盾構的刀盤刀具、沖刷系統、主驅動等進行針對性設計以提高設備適應性,并在孤石處理、刀具配置、掘進參數、施工管理等方面采取針對性施工方案。

珠海隧道淺埋段埋深不超過1倍洞徑,最小埋深僅為0.68倍洞徑,穿越以淤泥質粉質黏土為主的極軟地層,隧道施工過程中面臨著冒頂漏漿、管片結構過量上浮、管片滲漏水、盾構姿態控制等關鍵難題。本文依托珠海隧道,分析了淺埋極軟地層存在的重難點問題,并針對性提出了應對措施,旨在解決海域段淺埋軟土地層中超大直徑盾構施工過程中的掘進控制難題,以保障珠海隧道的安全、高效施工。

1 工程概況

1.1 工程線路

珠海隧道位于珠海市香洲區、斗門區、金灣區三區交界,西起現狀珠海大道主線,向南轉向下穿新建輔道后轉入珠海大橋南側,以盾構段進入磨刀門水道江中段,繼續向東下穿堤岸,至盾構接收井。盾構隧道設計為雙管單層結構,雙向6車道,設計時速80km/h,管片外徑14.5m、內徑13.3m、環寬2m,管片混凝土強度等級C60,抗滲等級P12。隧道采用2臺直徑15.01m超大直徑泥水平衡盾構機。

1.2 工程地質與水文地質

盾構隧道穿越全斷面軟弱地層2 276m,占總長度的77.7%,基巖凸起侵入北線隧道長387m、侵入南線隧道長464m。地質縱斷面如圖1所示。該區域水系發達,地屬珠江流域。地下水類型屬潛水,地下水主要靠大氣降水和地表水徑流補給。

圖1 盾構隧道線地質縱斷面Fig.1 Geological cross-section of shield tunnel line

1.3 淺埋段情況

盾構隧道里程RK0+870—RK1+044為淺埋段,該段起于始發井,連續延伸174m,淺埋段隧道埋深范圍9.93～14.5m,地表水深2.53～4.01m,最小埋深9.93m,約為0.68倍洞徑,淺覆土段地質縱斷面如圖2所示。隧道頂自上而下依次為水及 ②2淤泥質粉質黏土;刀盤范圍地質主要為 ②2淤泥質粉質黏土及 ②2-1淤泥質粉質黏土;隧道底部以 ②2-1淤泥質粉質黏土為主。主要地層參數如表1所示。

表1 地層參數取值Table 1 Values of stratum parameters

圖2 淺覆土段地質縱斷面Fig.2 Geological cross-section of shallow overburden section

其中,考慮打撈沉船對地層擾動大,對最小埋深所在的32～68環范圍采取地層預加固措施。

2 超大直徑盾構極軟淺覆土地層施工重難點分析

1)冒頂漏漿易發 刀盤范圍及頂部地層為淤泥質粉質黏土,修正后標貫值僅0.8～1.4擊,地層較軟弱,掘進過程在合理建壓條件下易擊穿刀盤頂部地層,導致泥漿逃逸、冒漿,泥水壓力失衡造成掌子面失穩等施工風險。

2)管片上浮 管片在地層中受地下水、注漿漿液、泥漿等包裹管片產生的向上浮力遠大于管片自重,隧道開挖卸荷導致的地基回彈作用及上覆土層的反向壓縮,在軟弱地層中掘進管片上浮控制難度更大;加上覆土埋深較小,隧道管片上部覆土質量不足,導致管片脫出盾尾后受浮力作用產生上浮。

3)管片滲漏水 管片上浮后,造成止水條與管片粘貼產生移動或止水條發生錯位,導致止水條失效產生滲漏水,管片上浮嚴重時,使管片內弧面產生裂紋或破損,引起管片滲漏水。

4)盾構姿態控制困難 土體承載力不足,盾構機本身頭重尾輕,盾構掘進過程中姿態控制難度大,極易導致“栽頭”的現象發生。

5)泥漿處理量大 淤泥地層主要為微細顆粒,掘進過程中產生的泥漿量大,分離設備處理困難,影響盾構掘進。

6)成型隧道穩定性差 由于處于極軟地層,特別是淺覆土段,地層承載力不足,易發生沉降,成型隧道穩定性差,運營期成型隧道易發生位移和橢變。

3 淺埋段盾構施工關鍵技術

針對淺埋極軟地層超大直徑盾構施工中重難點問題,珠海隧道制定4種施工期管片上浮控制措施,具體如下。

1)10～31環(非加固段) ①采用同步厚漿,厚漿坍落度110mm±10mm;②主動降低盾構掘進姿態;③盾尾增加配重。

2)32～68環(加固段) ①保留措施1);②距離盾尾第3環管片頂部兩側開孔補注雙液漿,單環注漿量3m3/環;③繼續增加配重。

3)69～103環(非加固段) ①同步注漿調整注漿分區比例:上部50%,中上部40%,中下部10%,底部不注漿;②保留其他措施。

4)104環及之后環(非加固段) ①保留措施3)中的分區注漿比例;②頂部啟用盾尾同步雙液漿注漿管路,控制注漿量為4～6m3/環;③其他措施不變。

3.1 預加固處理

盾構穿越淺埋段極軟地層時易出現盾構機姿態“上漂”和“栽頭”姿態超限、泥水支護壓力擊穿致海面“冒漿”、管片上浮控制難度大等問題,為保證盾構順利通過極軟淺覆土段,在埋深較小的淺覆土段(32～62環)地層采用水上地層預加固處理技術。

3.1.1加固措施

根據陸域段高壓旋噴樁試樁結果,淤泥質地層采用雙重管高壓旋噴樁加固效果欠佳,不能成樁,無法滿足設計要求,海域地層條件下高壓旋噴樁成樁質量更難保證。

盾構淺覆土段采用φ850@600雙軸攪拌樁進行加固,水泥及固化料總摻量23%。加固區西起預填拋石東側邊線,東至隧道埋深為0.75倍隧道直徑處;北線加固長度68m,南線加固長度75m,加固寬度均為18.25m,隧道頂部3.0m至隧道結構腰線以下1.0m范圍及隧道兩側約2m范圍采取強加固,強加固以上覆土范圍采取弱加固,水泥摻量8%,采用兩側對稱“門字塔”形式沿隧道結構頂部加固。

3.1.2海上加固關鍵措施

1)針對海上攪拌樁施工受海水漲潮及風向影響施工船晃動,導致船體不穩、垂直度控制困難等難題,在施工時對船體進行固定,并在攪拌樁機上安裝智能監測系統,實時監測樁基垂直度。

2)受潮汐影響,海平面標高時常變化,導致樁位定位困難,采用北斗樁機智能施工管理系統,引導操作手進行實時準確的樁位校準與打樁施工。

3)針對海上淤泥地層成樁困難問題,試樁試驗表明:固化劑和水泥比例為4∶6時成樁效果良好。

3.2 盾構機針對性設計

3.2.1防刀盤結泥餅針對性設計

1)刀盤面板沖刷 常壓刀盤開口率低,特別是刀盤中心區域較大范圍內無開口,在淤泥粉質黏土地層中增大了泥餅形成概率,刀盤面板設置針對性沖刷。

2)刀盤中心面板橫向沖刷及刀盤開口沖刷 刀盤中心面板區域設置19路沖刷噴口,噴口方向為刀盤徑向方向,既不會對掌子面泥膜造成損壞,又能有效解決渣土滯留問題,減小刀盤中心區域面板結泥概率。

3)刀盤泥漿沖刷系統 刀盤設置的沖刷噴口分別為7路中心面板沖刷,6個朝向刀盤中心,1個朝向刀盤周邊;6路刀梁開口沖刷和12路刀梁沖刷,有效降低常壓刀盤中心結泥的概率。

4)倉底設置多種沖刷系統 在氣墊倉底部設置多道沖刷管路,對底部容易積渣區域進行沖刷,加大沖刷流量,降低底部渣土堆積概率。

3.2.2同步雙液注漿系統

針對管片上浮及位移問題,在中盾盾殼頂部增加兩套同步雙液注漿系統,本系統包含水泥漿、水玻璃及清洗管路,可實現水泥漿+水玻璃漿液同步注入,在拱頂進行及時填充,控制管片上浮,在注漿結束后可對管路進行沖洗,防止堵管。

3.2.3推進油缸自由分區

1)配置了盾構推進油缸任意分組功能,每組分區油缸數量可自由調整,增強了盾構姿態的控制能力。

2)每對推進油缸都配置有液壓浮動支撐,在盾構機姿態調整時可以改善油缸與管片的受力,有利于姿態調整和管片保護。

3.3 盾構施工關鍵技術

3.3.1掘進參數設定及分析

1)制定合理的掘進參數。嚴格按審批方案設定掘進參數,確保盾構掘進穩定、連續。

2)根據要求,特殊地段一環一交底,一般地段五環一交底,結合掘進邊界條件進行針對性交底。

3)一日一交班會議制度。對當日盾構掘進施工組織、設備問題、參數設定等方面進行匯總分析,安排專人處理、解決。

4)項目建立盾構掘進技術管理四級分級響應體系,明確各層級崗位及崗位職責。

5)掘進參數及監測數據異常立即停機,召開分析會,問題分析不明不掘進。

3.3.2管片上浮及滲漏水控制

3.3.2.1管片上浮及滲漏水現狀

在對淺覆土段隧道頂部地層采用水泥攪拌樁加固的基礎上,北線盾構始發掘進以來管片仍存在不同程度的上浮,32～62環管片上浮量波動較大,最大上浮量達107mm;該區域存在管片環間錯臺現象,錯臺量最大達19mm;管片脫出盾尾后出現管片環、縱縫滲漏水現象,滲水位置主要分布在隧道中上部區域,如圖3所示。

圖3 管片錯臺滲水示意Fig.3 Pipe segment misalignment leakage

3.3.2.2管片上浮原因分析

1)管片浮力因素 管片脫出盾尾后產生底部應力釋放,管片所受地下水、同步注漿漿液浮力遠大于其自重,即脫出盾尾管片就產生上浮。

2)地質條件因素 掘進地層主要為淤泥質粉質黏土,其標貫值低、承載力差,盾構在軟弱地層中掘進較強度高地層,管片更容易產生上浮。

3)埋深及坡度因素 始發段覆土埋深淺,僅為9.48m,不足1倍洞徑,管片上方覆土不足以約束管片上浮浮力,覆土厚度越淺,管片上浮量越大。

4)同步漿液未及時凝固 同步注漿漿液初凝時間長,在富水軟土地層中漿液在初凝前容易被稀釋,凝結時間較長,未凝固漿液不僅無法對管片提供約束,反而提供了上浮力,同步注漿漿液不能達到初凝和一定的早期強度,管片可視為浸泡在液體之中,在浮力的作用下必然會產生上浮現象,漿液不能起到穩固管片的作用。

5)注漿量不足 理論上講,漿液需 100%充填建筑總空隙,但由于漿液遇水易分散離析,漿液流失嚴重,導致管片壁后間隙充填不密實,產生空隙,為管片上浮提供了條件。

6)管片受到地基回彈作用 管片受到周圍土層的作用,對管片產生壓力,隧道開挖卸荷導致的地基回彈作用及上覆土層的反向壓縮,導致土層對管片產生浮力。

7)盾構線路及盾構姿態影響 始發段線路設計坡度為-4%,施工中盾構管片受到頂進千斤頂向上的反力,致使管片縱向發生向上運動。

8)盾構機本身構造 盾構的質量主要集中在前盾,頭重尾輕,盾尾質量較輕且盾尾自身抗浮不足,盾尾至后配套臺車間一段襯砌基本無壓載,管片脫出盾構后失去了約束,產生管片上浮。

3.3.2.3管片上浮控制措施

1)同步注漿采用惰性漿液 同步注漿漿液采用石灰厚漿,厚漿具有以下特性:良好的充填性能;漿液在地下水環境中,有較好的吸水性和保水性,漿液注入地層后,不易產生稀釋現象;漿液固結后體積收縮小,泌水率小;大密度、低坍落度、高稠度、高抗剪性,同時和易性和可注性高,不易堵管,雖然強度較低,但穩定性極好。

2)漿液參數控制 嚴控厚漿坍落度在110mm±10mm,每環注漿量根據地層控制為理論注漿量的1.1～1.3倍。

3)注漿分區方式 采用分區分孔控制方式注漿。掘進過程中上部6路注漿,底部2路不進行注漿。注漿量按照頂部2路注入總量的50%,中上2路注入40%,中下2路注入10%進行分配,注漿過程中根據掘進速度調整注漿速率,左右均衡注漿;嚴格控制每個注漿泵注漿量。管片注漿分布如圖4所示。

圖4 管片注漿分布示意Fig.4 Grouting distribution for pipe segment

4)注漿壓力控制 注漿壓力是施工過程中管片所受到的主要施工荷載。若該壓力過大,會造成管片變形和錯臺,引起管片上浮。施工過程中對注漿壓力的控制顯得尤為重要,應提高頂部注漿壓力,減少底部注漿壓力。同時根據管片裂縫出現的位置、數量動態調整砂漿的泵擊次數,可以對管片裂縫起到有效控制。

5)采用同步雙液注漿 同步雙液漿注入盾尾后與同步厚漿匯合,一定程度上縮短了管片頂部同步厚漿凝結時間,能有效抑制管片上浮。雙液漿采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比1∶1,水玻璃∶水=1∶4;稀釋后水玻璃∶水泥漿=1∶1;控制雙液漿初凝時間為120～180s,注漿壓力控制在0.5～0.6MPa,每環方量控制在6～8m3。

6)控制盾構機姿態 不得過急過猛地糾正盾構機姿態偏差,糾偏數值不得超過操作規程的規定值,每一循環盾構的糾偏,水平方向和豎直方向都不能過量,避免油壓差過大加劇管片上浮的趨勢,應根據管片設計的楔形量調整油缸行程和盾尾間隙,使盾構姿態和管片軸線盡量保持一致,以減小油缸行程差,油缸行程差和盾構機姿態趨勢要對應,避免管片在油缸反力作用下產生向上的力。

7)配重反壓 在盾尾至拖車臺架區段(管片上浮量最大區段),對管片進行配置反壓,減少上浮力差;在已拼裝完成管片處堆放2塊管片(30t),在盾尾區域1號拖車范圍增加水玻璃筒、刀筒及管片螺栓進行配重(配重增加至80t)。

8)控制管片姿態 根據管片上浮情況,主動降低盾構機垂直姿態,抵消管片上浮量,避免成型管片姿態超限,同時規避后期內部結構施工超設計軸線的問題。

9)保持盾構連續掘進 黏土、砂土等軟弱地層中極易出現盾構機磕頭、盾尾上翹現象,在停機時更是如此。掘進不連續易造成管片不均勻上浮,從而引起管片錯臺、破損和漏水,應盡可能減少停機次數,保證掘進的連續性,避免產生不均勻上浮。

10)管片螺栓復緊 管片拼裝完畢后,要求進行3次復緊,否則會導致螺栓與管片間隙有一定的富余度,導致管片在盾尾脫出后受到千斤頂及浮力作用,管片間出現錯臺現象,加強螺栓復緊是保證管片連接緊密,避免管片上浮、錯臺及滲漏水的有效措施。管片螺栓3次復緊即拼裝完成、拖入加強環、拖入盾尾3個階段。

3.3.2.4管片滲漏水控制

1)管片上浮控制 管片滲漏水的主要原因為管片上浮,應首先解決管片上浮問題。

2)保持盾構連續掘進,避免不均勻上浮:盾構施工不連續,停機前掘進的管片同步注漿漿液凝固,恢復掘進后,后部管片不上浮,新掘進管片上浮,就會產生不均勻上浮,產生錯臺和漏水;由于前后管片所受的向上浮力不同,造成管片間螺栓連接位置產生較大上浮力,引起管片裂縫漏水。

3)防水體系優化 在原防水體系上增加1道遇水膨脹止水條(未對管片模具進行改造),同時加寬角部膩子片及擋砂條。在確保管片本身質量的情況下,取消縱縫軟木襯墊,提高縱縫三元乙丙橡膠止水帶擠壓能力,如圖5所示。

圖5 防水體系優化設計Fig.5 Optimized design of waterproofing system

4)控制掘進速度 為使漿液及時有效地固結,管片滲漏水期間盾構掘進速度≤25mm/min,保證掘進過程中同步注漿量,使漿液及時有效地固結,減少脫出盾尾未凝固漿液的管片。

5)管片拼裝質量控制 值班工程師對管片防水材料粘貼質量進行檢查和管控;嚴格執行盾尾底部積渣逐環清理制度,嚴禁不清理直接拼裝底部管片;嚴格控制管片拼裝精度、整圓度、控制止水條張開量和錯縫量,防止接縫張開漏水;嚴格落實F塊管片止水條涂刷潤滑劑,避免安裝時止水條產生過大摩擦導致止水條脫膠失效;管片螺栓3次復緊,擰緊螺栓的扭矩,能夠使止水條達到擠壓的效果。

6)管片上浮及滲漏水控制效果 通過采取以上措施,管片上浮及滲漏水得到明顯控制,管片上浮可控制在50mm以內,環間及環內錯臺可控制在8mm以內,基本無滲水。

3.3.3盾構姿態控制

隧道穿越地層80%以上為流塑狀淤泥,盾構掘進過程中姿態控制難度大,特別是豎直方向,因盾構機本身前重后輕以及淤泥層承載力低、觸變和震陷的特性,盾構在掘進過程中由于刀盤對淤泥層的擾動,極易導致“栽頭”的現象發生。因此豎向糾偏在掘進過程中是常態。

1)根據盾構姿態變化趨勢調整各組油缸壓力向設計軸線掘進。

2)盾構機垂直姿態盡量避免“低頭”趨勢。

3)糾正盾構姿態遵循“少糾、勤糾”的原則,單環糾偏量垂直姿態≤8mm,滾動角控制在10mm/m以內,油缸行程差≤15cm。

4)根據管片上浮情況,提前下調盾構機姿態,用于抵消管片上浮量,避免成型管片姿態超限,淺覆土地層掘進盾構機垂直姿態基本保持在-50mm左右。

5)自動化導向免搬站系統應用。自動化導向系統有效解決了固定測站導向系統所存在的搬站時需要停機、影響生產進度、測量人員多、工作量大以及盾構與全站儀之間的相對移動造成儀器損壞等問題。

4 結語

4.1 結論

1)同步注漿采用厚漿,嚴格控制坍落度和厚漿質量,可有效控制管片上浮,坍落度控制是關鍵。

2)通過在盾構頂部增加同步雙液注漿系統,實現盾構掘進同步注雙液漿的措施,頂部漿液初凝時間短、強度增長快,可有效解決管片上浮及滲漏水問題。同步雙液注漿時應做好施工組織和籌劃,避免堵管或反漿。

3)管片滲漏水控制的關鍵是控制管片上浮,避免不均勻上浮的發生。

4.2 思考

4.2.1同步雙液注漿系統

1)智能化控制方面欠缺,目前注入方量及壓力無法在上位機上顯示,需要通過人工核算,如有同步雙液注漿需求在設備制造階段可向設備廠商要求增加。

2)目前管路采用清水沖洗,雖設計了清洗回路,但雙液漿容易堵管,堵管后不易疏通,疏通時風險比較高。

4.2.2管片上浮控制

1)拖車靠前布置,盡量縮短與盾尾的距離,利用拖車自重減少管片浮力差,該區段是管片上浮的激增區,但同時又是無盾構拖車壓重段。

2)同步注漿漿液采用砂漿+水玻璃進行試驗,在控制管片上浮方面有較好的效果。

3)設計移動可拆卸式盾尾配重裝置,可實現安拆自由。

4)目前管片上浮在施工過程中屬常見且較復雜的問題,還需持續研究不同地層條件下導致管片上浮的因素和控制措施。