大埋深盾構隧道穿越全斷面砂層施工關鍵技術

祝思然,謝文達,陳敏捷

(廣州軌道交通建設監理有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

盾構法由于具有安全、快速的優點,在隧道建設中應用越來越廣泛。土壓平衡盾構施工時,將刀盤切削下來的土體當作土倉傳力介質[1],通過對土倉內渣土加壓來平衡開挖面前方的水土壓力。隨著施工技術的發展,土壓平衡盾構通過改進設備、輔助工法等措施已經能夠適應多種地層。但土壓平衡盾構在富水砂層中掘進時,地層具有細顆粒含量低、內摩擦角大、穩定性差、含水量高、滲透系數大等特點[2],施工中常遇到出渣困難、刀具磨損大和螺旋機噴涌等問題[3],導致盾構施工不能順利進行。

針對土壓平衡盾構在富水砂層中施工遇到的各種問題,眾多研究人員通過現場實踐和室內試驗等方法進行了研究。魏康林[4]從水壓力和滲流量的角度,研究了土壓平衡盾構噴涌發生的條件和機理,從土的滲透系數和顆粒級配等參數出發,對盾構施工發生噴涌的可能性進行了評價。邱龑等[5]針對深圳富水砂層,通過對渣土改良后的土樣進行電鏡掃描、壓縮、滲透等室內試驗,對渣土改良添加劑改善富水砂土的流塑性、保水性及開挖面動態土壓平衡機理進行了研究。閆瀟等[6]分析了土壓平衡盾構穿越湖底富水粉細砂層的施工風險,通過調整渣土改良參數,提高高分子聚合物添加劑濃度、優化同步注漿配比等措施,有效控制了螺旋機噴涌及下穿湖泊時湖底沉降。

本文以廣州地鐵十八號線某盾構區間為工程背景,分析總結了土壓平衡盾構在上覆大厚度(約29 m)淤泥和淤泥質土條件下,在全斷面富水砂層中掘進的主要難點和應對方法,研究結論可供類似工程參考。

1 工程背景

廣州地鐵十八號線某盾構區間(以下簡稱“本區間”)全長2 481 m,隧道管片外徑8.5 m,環寬1.6 m,采用2臺開挖直徑8.84 m的土壓平衡盾構設備進行施工,主要參數見表1。本區間隧道左線1 000～1 555環、右線1 200～1 762環位于全斷面砂層,穿越砂層段隧道覆土厚度為30.3～34.1 m。本區間地表地勢平坦,地面海拔為5.08～9.60 m,起伏較小,周邊建筑物稀少,多為平坦的農田。

表1 盾構設備主要參數

本區間隧道在穿越砂層段地層從上到下依次為:雜填土、淤泥質粉細砂、淤泥和淤泥質土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂,如圖1所示,主要物理力學參數如表2所示。本區間全線地下水埋深為1～3 m,為富水地層,盾構頂部水頭約30 m,穿越砂層段主要為第四系松散層孔隙水。

圖1 隧道地質情況

表2 地層主要物理力學參數

廣州地鐵十八號線區間下穿橫瀝水道、蕉門水道、西瀝水道、沙灣水道、市橋水道、三枝香水道、珠江等水體和現有地鐵線路、鐵路線、建筑物,并與已開通多個地鐵站點進行改造換乘,存在大量征借地、拆遷工作,土建工期較為緊張?？紤]到本區間隧道下穿環境為農田,沉降控制要求不嚴格,因此本區間隧道采用土壓平衡盾構。

2 盾構穿越砂層施工主要難點

盾構穿越全斷面砂層主要難點如下:

1)隧道上方存在厚度較大的淤泥和砂層,含水量大,且透水性強,極易失水,造成地表過量沉降。

2)隧道位于全斷面中粗砂、粉細砂層,且地下水位高,一旦土倉出現欠壓,會造成大量砂涌入土倉,若不及時采取措施,會導致地面過量沉降。

3)富水砂層多采用泥水盾構施工,而本區間采用土壓平衡盾構。土壓平衡盾構在全斷面富水砂層中施工,渣土改良效果不理想,易出現螺旋輸送機噴涌、盾構刀具刀盤和土倉內壁磨損較大等情況。

4)盾構設備長距離掘進,易導致盾尾刷密封失效,盾尾涌水、涌砂。

3 施工控制措施

目前,本區間左、右線已全部貫通。其中,左線總環數為1 555環,右線為1 762環。本節總結了施工過程中本區間對于穿越全斷面中粗砂層的主要應對措施。

3.1 盾構施工參數控制

盾構穿越全斷面砂層段施工參數控制主要有土壓力、姿態、同步注漿、推進速度、出土量幾個方面。

1)土壓力。通過砂層時,先采用氣壓輔助模式掘進,不能保壓時采用土壓平衡模式掘進。土倉壓力控制為不低于刀盤中心的地下水壓力,即0.23 MPa～0.25 MPa。

2)姿態。盾構姿態控制為水平、垂直方向偏差小于±50 mm,姿態偏差較大時應緩慢糾偏,避免造成管片損壞、盾構蛇行等問題。

3)同步注漿。同步注漿緊跟盾構掘進進行,注漿量每環不低于12 m3(160%注入率),注漿壓力不超過0.35 MPa。

4)推進速度。盾構通過全斷面砂層時,為了減小對地層的擾動,需要快速掘進。在砂層段盾構推進速度控制為80～110 mm/min。

5)出土量。盾構穿越砂層時,需要嚴格控制出土量,避免過量出土。地層渣土松散系數按1.3計算,通過計數渣土車數量估算出渣量(每車20 m3),每環出渣量為90～120 m3(6車)。

3.2 防噴涌

盾構在富水砂層中施工,地層含水量大、水壓力高,穩定性較差。地層中細顆粒含量少,砂礫渣土無法形成流塑或軟塑固體,在土倉內形成水、渣離析狀態。當螺旋輸送機排土時,大量泥渣水從螺旋輸送機噴射出來形成噴涌,導致土壓難以控制,增大對周圍土體的擾動。以下為防止發生噴涌的主要措施:

1)渣土改良是防止噴涌的關鍵。根據掘進速度、刀盤扭矩、出渣稠度和噴涌頻率調整注入膨潤土、高分子聚合物注入量,使渣土形成流塑狀態,降低透水性,阻止水砂分離。

2)合理設置施工參數。土壓力應略高于水壓力,確保掌子面壓力平衡;通過控制推力和出渣量,維持土倉壓力穩定,防止超挖。

3)根據勘察報告和渣樣分析,了解地層情況,及時調整渣土改良方案,防止發生噴涌。

4)螺旋輸送機出口安裝防噴涌裝置。出渣門控制總成與螺旋機出土口連接、形成密閉空間,出土開口與出渣速度主要由出渣門控制總成中的葉輪控制。出渣控制總成的開口率較小,并且葉輪會對突然出現的涌水等形成一個緩沖,以此防止噴涌(見圖2)。

圖2 出渣控制總成設計

3.3 渣土改良

土壓平衡盾構機穿越富水砂層具有較大的風險,由于砂層自身的不穩定性和土倉內砂質渣土易離析沉淀,極易造成盾構機前方地表塌方及構筑物開裂損壞,因此在富水砂層中掘進對渣土改良效果要求極高,只有渣土達到理想的改良效果,才能在土倉內實現土壓的動態平衡,避免噴涌現象發生,從而降低對前方土體的擾動。富水砂層渣土改良須解決以下問題:

1)提高土倉內渣土抗滲性,避免開挖面因排水固結而造成地表較大沉降、防止渣土滲透性大而發生噴涌。

2)降低土倉內渣土內摩擦角,提高流動性,減小渣土對刀盤刀具的磨耗,降低刀盤扭矩。

3)防止停機后渣土離析、沉淀、密實導致刀盤再次啟動時扭矩過大,啟動困難。

渣土改良主要通過向土倉內注入添加劑來進行,常用添加劑種類及作用如表3所示[7]。

表3 渣土改良常用添加劑

本區間左線穿越砂層過程中,對渣土進行分析,得出渣土的顆粒級配曲線如圖3所示。從級配曲線可知,渣土曲率系數為2,不均勻系數為9,表明渣土級配良好;渣土中粗砂(0.5～2 mm)占比較高,中砂(0.25～0.5 mm)和粗砂占比超過50%;粒徑小于0.075 mm的細顆粒占比偏少,約為11%～14.5%。

圖3 渣土顆粒級配曲線

對其他盾構穿越砂層工程[8-12]渣土改良案例總結分析(見表4)發現,當地下水位較高,地層中細顆粒占比較少的砂層,渣土改良均采用多種添加劑配合使用的方法。

表4 渣土改良常用添加劑 m

本區間由于地層中有一定的含泥量(11%～14.5%)且顆粒級配較好,因此采用了只添加泡沫的渣土改良方法。泡沫劑主要是由水、活性劑、聚合物等組成,主要作用有[13]:

1)包圍土顆粒,降低內摩擦角,減小刀盤和螺旋輸送機扭矩,減少刀具磨損;

2)穩定土倉壓力,建立土壓平衡;

3)改善土體流塑性;

4)減小渣土滲透系數,提高止水性。

有研究[14]認為,螺旋輸送機自身的壓縮效應和排土閘門可抵抗10 kPa的水壓力和3×10-6m3/s的滲流量,水壓力和滲流量中的任一指標低于這2個值,可認為不會發生噴涌,2個指標同時超過,視為噴涌發生。螺旋出土器出口的壓力水頭和水流量之間的關系可按式(1)計算。

(1)

式中:H2為螺旋機出口的壓力水頭,m;H1為開挖面的壓力水頭,m;Q為滲流量,m3/s;L1為盾構土倉深度,m;L2為螺旋機長度,m;K為渣土滲透系數,m/s;A1為盾構土倉橫截面積,m2;A2為螺旋機橫截面積,m2。

根據盾構機設備參數并取滲流量Q=3×10-6m3/s、螺旋機出口水壓力10 kPa(1 m水頭)進行計算,得到噴涌發生的臨界滲透系數為1.46×10-6m/s,渣土滲透系數大于該值時發生噴涌。由于隧道上覆土為厚度較大的淤泥和淤泥質土,滲透系數較低,開挖面壓力水頭低于靜水壓力,因此計算出的臨界滲透系數偏小。

本區間在盾構穿越砂層時,泡沫注入量為每環約40 L,泡沫原液與水的比例為2%。注入泡沫劑后,渣土滲透系數從1.39×10-4m/s降至約1.0×10-6m/s,低于發生噴涌的臨界滲透系數,實際施工過程中未發生噴涌;采用水泥膠砂流動度測定儀測定渣土流動度約160 mm,具有良好的流動性;左線盾構刀盤扭矩情況如圖4所示,由圖可知盾構刀盤扭矩最大約為12 000 kN·m,遠低于盾構最大扭矩17 960 kN·m,表明渣土改良效果良好。

圖4 盾構刀盤扭矩

4 沉降控制

在盾構穿越中粗砂層段時,分別取左線隧道(1 284、1 334、1 384、1 434環)、右線隧道(1 286、1 337、1 385、1 436環)正上方地表沉降監測數據進行分析。對4個測點盾構通過前后的沉降值繪制時間歷程曲線,如圖5所示(橫坐標0表示刀盤位于測點下方)。由圖5可知,盾構通過測點后,8個測點的沉降穩定值均低于控制值-30 mm,沉降控制情況較好;從沉降穩定時間看,大部分測點沉降均在盾構刀盤通過測點后約3天穩定。

圖5 地表沉降情況

5 結論

本文以廣州地鐵十八號線土壓平衡盾構在大埋深下穿越全斷面砂層為背景,總結了施工過程中的關鍵技術,得出以下結論:

1)盾構穿越富水砂層時,由于砂層含水量大,地下水壓力高,渣土滲透性強,易發生螺旋輸送機噴涌。故應在螺旋輸送機出口安裝防噴涌裝置并根據地層條件采取相應的渣土改良措施避免發生噴涌。

2)盾構富水砂層掘進時,渣土改良是施工過程中的難點和重點。按經驗,一般地層中的細顆粒占比應達到30%以上才能使渣土具有一定流動性和止水性,本工程中地層細顆粒占比僅11%～14.5%,但并未發生噴涌且螺旋機出土順暢,表明本工程針對區間地層條件采用只注入泡沫的方法進行渣土改良是可行的。因此施工中應根據地層條件,通過試驗等方法確定適合的渣土改良方法。

3)由于砂層在受擾動時易發生坍塌,盾構在通過砂層時可通過加快推進速度、盡量保持各施工參數穩定的方法快速穿越砂層段,避免對地層的過量擾動。同時嚴格控制出土量,保證同步注漿和二次注漿質量,將地表沉降控制在正常范圍。