廣州地鐵二十二號線南西區間盾構隧道施工關鍵技術研究

董睿文

(廣州軌道交通建設監理有限公司,廣東 廣州 510010)

0 引言

盾構法隧道施工技術在城市軌道交通和市政管線工程中得到廣泛運用,但由于盾構法是一項風險大、質量要求高、不可預測因素多、施工組織協調難度大的綜合性地下工程施工技術[1],雖然積累了不少隧道工程的施工經驗,但在不同場地、不同功能的隧道施工中仍不斷出現痛點問題并困擾著隧道技術人員。在大灣區城市修建軌道交通地鐵,尤其是高速大直徑地鐵隧道,經常會遇到富水軟弱淤泥、松散砂層以及粉質黏土等含黏粒的組合地層,隧道開挖擾動時極易發生開挖面失穩破壞、涌水涌砂等工程災害[2]。同時,由于多種原因,往往出現盾構機被困或盾尾變形造成無法正常推進的狀況[3]。為了解決富水軟弱砂層和黏土層中盾構掘進的問題與盾構機被困或變形的問題,不少技術人員進行了相關研究。張紅軍[2]對上覆流砂層隧道開挖面失穩破壞機理及注漿加固控制對策進行了系統研究。王懷志[4]從土壓平衡盾構的適應性,刀盤和螺旋出土器結構和改造,沉降控制方法,渣土改良措施等方面對土壓平衡盾構穿越砂層的施工技術進行了系統研究和總結。雷丹[5]通過盾構始發段預設置掘進參數并根據監測數據動態調整掘進參數,形成富水砂層上軟下硬地層土壓平衡盾構施工技術。喬龍[6]分析總結了西安地鐵一號線土壓平衡盾構在富水砂層中的施工經驗。張英智等[7]基于西安地鐵十四號線盾構下穿灞河富水砂層條件的情況,通過滲透系數、地層顆粒級配、地下水壓、施工效率等方面的綜合對比,確定了土壓平衡盾構方案,并在此基礎上進行了刀盤改造及刀具配置優化。黃春來等[8]依托福州地鐵四號線土壓平衡盾構機在富水砂層中掘進情況,從設備管理、渣土改良、掘進及注漿等方面進行了研究。許成發等[9]對土壓平衡式盾構機在富水砂層中的施工技術進行研究和探討。張雷明等[10]對土壓平衡盾構機在富水砂層中掘進出現的問題進行解決。陳鴻杰等[11]針對土壓平衡盾構機在富水砂層不利地質中作業時的問題,提出盾構機掘進工藝流程及操作要點,并結合項目特點提供了關鍵材料的配合比。張旭東[12]結合土壓平衡盾構機穿越長345 m富水砂層段工程實例,基于朗金土壓力理論對配置了雙螺旋出土輸送器的盾構機在滲透系數較高的富水砂層中實現土壓平衡模式掘進性能進行了分析計算。和振安[3]發現同步注漿漿液包裹盾體造成盾構機被困和盾尾變形導致盾構無法掘進,通過洞內開孔清除的手段完成脫困,并在洞內完成盾尾盾殼修復。何雷雷等[13]發明一種河底下盾構機盾尾變形修復的施工方法,該方法通過簡單的鋼套管和鋼板樁的配合,能夠有效地清除盾體外部漿塊,防止二次變形,同時通過洞內回頂完成盾尾變形修復。劉昊等[14]基于隧道下穿湘桂鐵路富水軟弱復合地層段,提出一套在富水軟弱復合地層條件下的非洞內開挖圓度修復工藝。孫海力等[15]為研究盾構機施工過程中盾尾的實時變形,提出一種有限元分析與應變檢測相結合的方法,研發一種盾尾變形檢測系統。李東升[16]利用工地現有設備、工具和可循環使用的材料進行現場盾尾整修。由此可見,施工中的關鍵技術對盾構法的推廣起著至關重要的作用,以下針對廣州地鐵二十二號線南西區間盾構隧道施工關鍵技術進行研究。

1 項目概況

廣州地鐵二十二號線南漖站～西塱站區間(以下簡稱“南西區間”)南起南漖站,后下穿廣州卷煙廠、廣州繞城高速南環高架橋、坭涌、部分廠房、高壓電塔、西塱涌、西塱村2～6層房屋群、花地大道南高架橋后到達西塱站。南西區間左線盾構起點里程ZDK57+529.200,終點里程ZDK59+782.300,全長2 273.031 m,隧道上方平行線路方向主要敷設有通信管線、給水管線、雨污水等市政管線。南西區間盾構左線始發后下穿環翠南路,側穿南漖文化廣場,北側河涌(東沙涌)平行線路方向,距離隧道約12 m。周邊建筑物主要為南漖村民宅,環翠南路舊農村信用社房屋位于70～80環隧道上方,如圖1所示(下方為左線隧道)。隧道采用德國進口直徑8.84 m的海瑞克S571土壓平衡盾構機進行施工,盾構外徑為8.5 m,線間距為13～20 m。區間隧道底板埋深24～43 m,覆土厚度15.5～34.5 m。隧道主要穿越的地層為:<7-3>強風化泥質粉砂巖、<8-3>中風化泥質粉砂巖、<9-3>微風化泥質粉砂巖層。始發靠近車站段埋深較淺,拱頂范圍存在淤泥層、較厚砂層(6～8 m)的區段,盾構掘進斷面內較長一段距離含有<7-2>泥質粉砂巖強風化層,<9-2>泥質粉砂巖微風化層和<7-3>泥巖、含礫粗砂巖強風化層的明顯上軟下硬的復合地層,如圖2所示。綜上,南西區間左線0～120環隧道存在微風化泥質粉砂巖層為主的復合地層、上部砂層較厚、隧道附近管線較多、距河涌較近以及下穿建筑等復雜的施工環境條件,對其進行施工關鍵技術研究具有一定意義與價值。

圖1 南西區間左線0～120環衛星圖

圖2 南西區間左線0～120環地質縱斷面圖

2 重難點及相應措施

針對本區段的地層結構特征、盾構掘進穿越的地層性質及圍巖性質、地面環境,結合廣州地鐵已經施工的工程經驗,預估在本區段可能遇到的難點主要有:地鐵盾構穿越砂層時的涌砂預防和處理,刀盤結泥餅的預防和處理以及成形隧道管片質量控制等,下面就以上重難點進行介紹。

2.1 盾構始發掘進通過砂層

本區段的砂層不僅為顆粒細小的粉細砂,而且具有結構松散、孔隙比大、滲透系數大、富水流動性好等特點,因此盾構機通過該地層時,大盾構掘進的擾動和地層損失易造成高靈敏性土體的穩定性散失和螺旋機噴涌的風險,需要從盾構施工技術進行考慮。盾構破除洞門進入加固體時地層相對穩定,但出加固體后若土倉內未能及時建立有效土倉壓力,極易造成掌子面失穩導致地面塌陷。為此制定了盾構始發掘進通過砂層的相應技術措施如下:

1)始發掘進過程中及時對出渣渣樣進行有效分析,實時把控渣樣特點,控制渣樣質量。若發現渣樣的含水量明顯增多,須采取預案措施進行處理,防止惡化,避免發生涌水涌砂,導致掌子面坍塌。

2)盾構始發掘進過程中,應控制盾構機相關參數,在0～20環按環號進行盾構參數的設置,保證掘進扭矩與推力在可控范圍內,刀盤轉速與掘進速度均勻,不宜過快,減小盾構機對地層尤其是砂層的擾動,減小掌子面失穩的風險。

3)采用超前注漿加固法改變砂層地層地質屬性,降低砂層的滲透系數與遇水液化的概率,減少盾構掘進始發過砂層時不良施工情況的出現。

南西區間左線0～120環在盾構始發掘進通過砂層時按照上述措施進行控制,取得了較好的施工效果。

2.2 刀盤結泥餅

粉質黏土、泥質粉砂巖中的黏粒含量高,遇水易軟化,有泥餅形成的條件。工程經驗表明盾構在這類地層中掘進時,可能會在刀盤中心部位和土倉隔板與刀盤支撐之間產生泥餅。泥餅形成后,刀盤主軸旋轉處被土餅黏牢,土倉及刀盤正反面泥土板結,造成刀盤扭矩與推力變大,導致掘進速度急劇下降甚至掘進困難。同時,刀盤也會因齒輪油的油溫過高而停止運行,嚴重影響掘進效率。為此結合本區段的地層特點針對可能的刀盤結泥餅采取預案措施如下:

1)在盾構機的設計和制造過程中,充分考慮地質地層的特性,合理進行刀具布置,確保刀盤的結構強度能在支護功能合理的條件下增大開口率;另一方面增加攪拌棒,在易結泥餅處增加高壓沖洗系統,通過可視化功能觀察土倉內情況。

2)施工過程中,基于地層性質制定合理的掘進參數,合理使用各類輔助系統,通過泡沫注入系統、膨潤土注入系統添加地層適應性藥劑以改良土體。

3)一旦產生泥餅影響到盾構掘進,則及時采取有效措施甚至人工處理開倉方式清除泥餅。

南西區間左線盾構開口率較低為26%,未能滿足措施1的內容,南西區間左線0～120環在微風化泥質粉砂巖層為主的復合地層掘進前期,措施2中的外加劑系統未能良好運用,后續能滿足措施2中外加劑添加條件,施工情況有所改善,但由于掘進前期泥餅形成較多,需要進行被動帶壓開倉換刀并清理泥餅。

2.3 盾構隧道管片成形質量控制

盾構隧道管片成形質量是既保隧道安全又對運行有重要影響的一步,所以必須高度重視確保不出現諸如管片破損、滲漏、錯臺及其他缺陷。影響管片成形質量的因素可分為人為因素與外部環境因素兩方面。其中人為因素是主要因素,管片生產過程中的質量缺陷,吊運過程中的破損情況,止水條、軟木橡膠襯墊以及定位棒的粘連情況,拼裝管片人員的熟悉程度、操作司機對盾構機姿態的控制水平、同步注漿與二次注漿能否及時有效等,都在一定程度上造成了管片質量問題。外部環境因素為設計軸線與路線、工程地質與水文地質特點以及周邊建筑物與管線影響等。富水砂層極易造成管片上浮同時伴隨著滲漏增加的情況出現。盾構隧道管片成形質量相應控制措施如下:

1)根據現場實際情況,通過反復并有針對性的安全技術交底,減少人為因素對盾構隧道管片成形質量造成的影響。

2)分析外部環境因素情況,根據詳勘報告對正在或即將穿過的地層地質、水文地質特征分析設計軸線與掘進路線合一的條件,以及周邊建筑物與管線對盾構的限制和影響等,提出有針對性的解決方案,減少外部環境因素影響。

3)在施工過程中,對盾構機姿態、同步注漿、二次注漿進行有效控制,對管片可能產生的上浮影響直接把控。盾構機姿態應做到及時合理糾偏;盾構機同步注漿應做到工序合理,根據地層地質與開挖半徑設定范圍合理的同步注漿配合比、注漿量與注漿壓力;盾構機二次注漿主要是為了彌補同步注漿未良好填充的管片與周圍土體襯砌的空隙起到止水作用,必要時還應對盾尾后管片施作止水環。

南西區間左線0～120環出現了管片錯臺與滲漏的情況,通過上述措施有效改善了管片滲漏的情況,但1號油缸處管片錯臺情況仍然存在,后續通過分析盾構機掘進參數后發現刀盤推力及鉸接油缸壓力較大反映出存在盾構被困的情況,測量盾尾橢圓度后發現存在盾尾變形的情況。

3 盾構施工關鍵技術

3.1 超前注漿加固

超前注漿加固法是根據被注地層水文地質特征,選用具有充填、膠結特性的合適漿液,采用注漿設備將漿液壓注到巖石或土體的裂縫或孔洞中,漿液經擴散、凝結、硬化加固被注地層,形成一定厚度并具有自穩能力的注漿加固圈;同時漿液封堵地下水徑流通道,提高被注地層的抗滲透性,達到止水加固的目的。采用超前預注漿方法能夠有效提高圍巖的力學性能,提高隧道穩定性,控制隧道開挖引起的地表變形,且具有較好的防水性能。

3.1.1洞內超前注漿加固

由于始發風險較大,應按照間隔不大于20 m設置一個補勘孔進行地質補勘,根據補勘的地層分布重新繪制地質剖面圖,結合設計提供的勘察報告綜合分析,如圖3所示,發現在1～45環頂部砂層部分侵入隧道,46～120環頂部有1～2 m的<7>號層。0～10環管線較多,不具備地面注漿施工條件,應采取超前注漿加固處理。海瑞克S571土壓平衡盾構機盾體四周預留了15個繞周邊呈輻射狀的超前注漿孔。洞內超前注漿加固運用盾構機頂部預留的4個超前注漿孔通過鉆注一體機對前方隧道頂部10 m范圍內土體進行加固,不僅減小土體滲透性,而且提高土體整體穩定性。鉆注一體機鉆桿長度為2 m,即現場施工共接9根可達鉆入18 m的要求(見圖4),經核算盾構機內可滿足其使用空間。鉆孔過程中為了保證注漿周圍地層穩定,減少對土倉壓力影響以及防止漏水漏砂情況出現,鉆桿出盾構機筒體后先采用前進式注化學漿措施,注漿范圍至刀盤水平距離前3 m處,期間進行保壓檢查,而后刀盤前3～10 m采用倒退式注雙液漿。漿液采用化學漿可降低刀盤被凝固的風險,并且注漿過程中要注意隨時轉動刀盤,防止刀盤被漿液凝固。

圖3 超前鉆孔位置示意圖

圖4 超前注漿施工示意圖

3.1.2地面注漿加固

南西區間31～73環盾構掘進段砂層較厚且有部分侵入隧道,為保證土倉壓力與掌子面穩定性,隨即進行地面注漿加固,如圖5所示。盾構機前方6 m和后方4 m采用化學漿液+雙液漿,盾構機前方6 m往前地面加固采用雙液漿。第1排與第5排孔為斜孔,注漿孔間距為2 m,遇到管線可適當微調鉆孔注漿位置,微調后須滿足注漿范圍全覆蓋原則。嚴格控制鉆桿提升幅度,每步不大于30 cm,勻速上升,終孔壓力為1.5 MPa。地面注漿加固分為三段進行施工,盾構機和后方4 m范圍(第1～7列),盾構機前方6 m范圍內(第8～11列),盾構機前方6 m至73環范圍(第12～34列),分別如圖6～圖8所示。

圖5 地面加固注漿平面布置圖

圖6 第1～7列注漿剖面圖

圖7 第8～11列注漿剖面圖

圖8 第12～34列注漿剖面圖

3.2 刀盤結泥餅處理

南西區間在12～37環推力較大(見圖9),12～70環扭矩較大(見圖10),分析得出在12～37環期間刀盤可能存在“結泥餅”情況,期間通過土體改良與氣壓輔助推進,刀盤推力和扭矩在22環左右有所下降,但由于富水砂層原因造成24～27環難以通過氣壓輔助掘進的方式保證土倉壓力,須通過較高倉位進行掘進,同時由于泡沫與膨潤土注入系統未合理使用與維保造成土體改良效果較差,最終導致刀盤推力扭矩較大。在前文中,南西區間31～73環進行地面注漿加固處理,使地層地質情況有所改善,可采取氣壓輔助模式進行掘進,后續泡沫與膨潤土注入系統通過合理使用與維保改善了土體,刀盤推力從33環開始有所下降。由于注漿加固造成土體強度增大導致刀盤扭矩有所增加,出地面注漿加固區后,刀盤扭矩從73環開始有所下降。

圖9 0～100環推力統計圖

圖10 0～100環扭矩統計圖

3.3 盾構帶壓開倉

管片拼裝完成脫出盾尾后在1號油缸位置處連續多環持續出現錯臺較大的情況,通過分析并對1號油缸盾尾處及其附近地層鉆孔取樣,發現盾尾外存在10 cm厚的水泥砂漿塊,并且該點位處盾尾向內側變形較為嚴重。針對此情況,須開倉檢查刀具,同時更換邊滾刀略微提高開挖半徑以避免盾體與盾尾被土體擠壓變形。被動開倉處圍巖等級較低且上方有河涌存在,為了保證開倉安全可控,采取帶壓開倉的方式進行開倉施工作業。

對帶壓開倉前各條件核查后,用黏度為80～100 s膨潤土(用1006型500 mL泥漿黏度計測定膨潤土黏度標準為80～100 s)泥漿進行泥膜制作(見圖11),期間進行漿渣置換、分級加壓、氣漿置換3個步驟,待泥膜形成后開啟SANSOMS系統,同時利用螺旋輸送機出土進行氣漿置換,期間穩壓6 h[17]。泥膜制作完成后進行帶壓開倉施工作業,開倉時必須對上方路面進行圍蔽,限制路面車輛與行人。在帶壓開倉過程中主要存在下列安全風險:①涌水涌砂情況發生造成掌子面失穩導致地面塌陷;②泥膜失效導致土倉壓力不可控下降;③加減壓時進倉施工人員身體不適;④突發斷電或設備故障導致空壓機停止運行,無法正常保壓;⑤有毒氣體傷害進倉施工人員;⑥進倉施工人員操作不當造成傷害;⑦其他傷害,包括物體打擊、觸電、火災、密封失效、儀表失靈等不可控因素。應從以上方面對進倉施工作業人員進行安全教育交底,對進出工具進行清點,防止工具遺落于土倉中導致后續施工時損壞刀盤,每30 min進行氣體檢測并對空壓機使用情況進行記錄,實時確認土倉內壓力穩定與掌子面安全,保證進倉施工作業人員安全。此次帶壓檢查換刀發現刀具磨損情況較好,將邊滾刀52A#與52B#U型板向外側偏移了10 mm,可更有效地保護盾體與盾尾。

圖11 膨潤土泥漿

3.4 盾體脫困及變形處理

由于1號油缸盾尾處變形較為嚴重,且存在10 cm厚的水泥砂漿塊,需要對水泥砂漿塊處理后修復盾體。施工前應先探明管線,而后采用泥漿護壁的方式鉆入引孔,鉆入過程中應保證其垂直度,鉆入完成后通過盾構機上方地面施工安裝Ⅳ型拉森鋼板樁,如圖12所示,至位于盾構鉸接油缸后50 cm處盾構頂部,施工過程中盾構每推進40 cm,采用打樁機夾住鋼板樁下壓振動盾構盾尾處水泥砂漿塊及土體,鋼板樁下壓深度不宜超過10 cm,下壓振動完成后提升,同時盾構機應及時往徑向孔注入膨潤土,盾尾注入油脂。隧道內對盾尾后5環管片(第109、108、107、106、105環)與過程中拼裝的2環管片(第110、111環)進行加固處理,環向布設6道不小于I14b的槽鋼進行縱向連接拉緊,如圖13所示,管片安裝完畢需要擰緊所有縱向和橫向螺栓,且在下一環掘進完畢后再次緊固螺栓,確保管片的整體性和盾構的安全性。由于現場施工空間限制導致盾構機盾尾處難以設置對撐避免盾尾變形,故對已拼裝的3環(第107、108環)設置對撐加固盾尾管片,防止盾尾加劇橢變。通過上述施工方式以達到盾尾脫困目的,施工完畢后運用C30混凝土對施工區域進行回填。

圖12 鋼板樁安裝

根據測量數據計算分析后發現盾尾加強環處最大變形量為75 mm,盾尾加強環厚度為35 mm,與管片外側間隙為65 mm,由于變形量大于管片間隙10 mm,且加強環耐磨塊多出的10 mm較厚鋼板導致管片錯臺較為嚴重,錯臺量為20 mm。變形修復前將推進油缸升至最長行程2 500 mm露出加強環,為防止行程計限位自鎖,采用200 mm鋼墩用于填充推進油缸與管片的間隙。在頂部拼裝平臺上搭設鋼結構支架,如圖14所示,在變形位置1號油缸旁19號油缸與2號油缸處進行開槽施工,盾尾殼處開槽長250 mm,深25 mm,盾尾加強環處開槽長200 mm,深65 mm,總開槽長度為450 mm。開槽完畢后運用加熱槍對變形位置附近進行加熱,加熱溫度應控制在580 ℃～620 ℃,加熱完畢后對變形位置運用行程為100 mm的500 t油缸進行頂升,頂升行程為25 mm,如圖15所示。等待鋼材自然冷卻后重復工序3次,測量并記錄頂升變形量與回彈量,修復完成后拆除油缸與工裝設備,切除10 mm較厚鋼板。根據盾尾橢圓度復測情況發現盾尾向內變形情況有所好轉,盾尾加強環處最大變形量由75 mm變為25 mm,與管片外側間隙為50 mm,基本滿足掘進要求,掘進后觀察管片拼裝情況良好。

圖14 鋼結構支架示意圖

圖15 開槽與油缸頂升現場施工圖

4 結論

本項目中盾構隧道施工中遭遇不利的富水砂層地層、刀盤結泥餅及盾構被困與盾尾變形情況,針對現場遇到的痛點和難題,通過合理的施工技術與控制,使問題得到了較好解決,主要結論如下:

1)針對穿越富水砂層地層時極易發生的掌子面失穩導致地面塌陷的情況,通過洞內超前注漿加固與地面注漿加固的方式可以較好地解決該施工難題,在超前注漿加固時須核查漿液配合比,記錄施工過程并進行施工情況分析。

2)刀盤結泥餅造成刀盤推力增大、扭矩及刀具磨損增大從而導致掘進效率降低,應通過反饋參數分析土倉內的情況,采用分散劑、減磨劑及抗磨劑等針對性添加劑泡沫,保證土倉內土體改良效果。

3)盾構被困與盾尾變形會影響管片拼裝質量,嚴重時會導致盾構被卡住無法正常掘進。盾尾變形

造成止漿板失效,使得滲透水前溢,導致螺旋出土器噴涌;也會使得襯砌漿液前溢導致盾構被困情況加重。通過鋼板樁振動破碎與開槽加熱頂升的方式可有效解決盾構被困與盾尾變形問題。