淺埋暗挖盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)淺析

王先高 深圳地鐵集團(tuán)有限公司

淺埋暗挖盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)淺析

王先高 深圳地鐵集團(tuán)有限公司

隨著工程技術(shù)的飛速發(fā)展，地下暗挖工程采用盾構(gòu)機(jī)施工正被廣泛運(yùn)用，由于其機(jī)械化程度高、安全性好、掘進(jìn)速度快，已成為暗挖施工的發(fā)展方向。但不同的工程類別，工程地質(zhì)和環(huán)境條件千變?nèi)f化，給盾構(gòu)機(jī)施工帶來了很多困難和局限。本文通過深圳地鐵1號(hào)線（羅寶線）續(xù)建20標(biāo)固戍站至后瑞站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)通過鐵崗排洪渠暗挖工程成功實(shí)例，就如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同地質(zhì)條件，制定科學(xué)的施工方案、選取合理的技術(shù)參數(shù)、尤其是針盾構(gòu)機(jī)通過淺覆土河道施工技術(shù)的分析探討，提出自己的建議，為相關(guān)工程及研究提供參考。

盾構(gòu)機(jī);淺覆土;排洪渠;橋樁

1 、工程簡(jiǎn)介

固戍站～后瑞站區(qū)間里程SK35+148.7～SK35+117.7段盾構(gòu)需從鐵崗排洪渠下穿過，下穿隧道長(zhǎng)約31米。鐵崗排洪渠是深圳市民的水源工程水庫(kù)（庫(kù)容近1億立方米）溢洪道，設(shè)計(jì)水位（50年一遇）為3.269米。設(shè)計(jì)下游排洪流量150m3/s，隧道頂距渠底最近約5.24米，洞身為⑥5花崗巖殘積層粉質(zhì)粘土，如受施工擾動(dòng)殘積土容易變形，遇水軟化崩解，承載力將大幅降低，在短時(shí)間內(nèi)易發(fā)生坍塌變形，隧道頂部以上分別為③1淤泥、③8細(xì)砂及①1素填土層，隧道頂部以上1.2米覆土為原狀土淤泥層，覆土很淺。排洪渠結(jié)構(gòu)形式為兩臺(tái)一墩兩孔簡(jiǎn)支梁式雙向8車道公路橋，橋樁沿隧道方向有3排，排間距15. 75米，部分樁基礎(chǔ)入侵隧道結(jié)構(gòu)。

2 、施工難點(diǎn)

2.1 隧道頂部地層不穩(wěn)定可能造成擾動(dòng)破壞

隧道頂部到排洪渠底為5.24米厚的人工回填淤泥層，淤泥層結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，含水量高，孔隙比大，滲透性低，承載力低，容易產(chǎn)生觸變、流變，引起地基變形和失穩(wěn)，盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)容易造成擾動(dòng)，破壞土體穩(wěn)定性，有可能導(dǎo)致排洪渠底部砌筑基礎(chǔ)破壞。

2.2 排洪渠漏水可能導(dǎo)致掘進(jìn)噴涌

隧道頂部淤泥層本身為儲(chǔ)水地層，含水豐富，且回填后沒有進(jìn)行壓實(shí)處理，土層空隙大，若排洪渠底部砌筑不密實(shí)或掘進(jìn)過程造成破壞，極可能會(huì)造成水體透過淤泥層直接連通到隧道開挖面，造成掘進(jìn)噴涌及排洪渠底塌方，地面塌陷，從而影響正常出土和掘進(jìn)，嚴(yán)重的會(huì)招致周邊地面塌陷，影響交通要道寶安大道正常通行，造成盾構(gòu)機(jī)及其隧道的滅頂之災(zāi)。

2.3 掘進(jìn)過程可能漏氣或發(fā)泡劑上竄

由于隧道頂部人工回填淤泥層穩(wěn)定性低及孔隙比大，掘進(jìn)過程注入的空氣和發(fā)泡劑容易透過淤泥層上竄泄漏，發(fā)泡劑不能正常注入，使盾構(gòu)機(jī)氣壓不穩(wěn)或失壓難以掘進(jìn)。

2.4 舊樁處理鋼筋清理不徹底容易導(dǎo)致卡螺旋機(jī)

鐵崗排洪渠原樁為φ1200混凝土灌注樁，主筋為φ20，加強(qiáng)筋為φ20，箍筋為φ 10，原有23根橋樁在盾構(gòu)掘進(jìn)斷面上要破除清理，盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)內(nèi)徑為800mm，螺旋葉片直徑為780mm，四周間距僅有10mm，若高壓電磁鐵對(duì)鋼筋清除不干凈、不徹底，隨著盾構(gòu)出土進(jìn)入土倉(cāng)再進(jìn)入螺旋機(jī)，將對(duì)螺旋機(jī)造成極大安全隱患。

3 、盾構(gòu)機(jī)穿越排洪渠前施工準(zhǔn)備工作

3.1 樁基托換

排洪渠原樁樁徑為φ1200沖孔灌注樁，樁長(zhǎng)約35米，摩擦樁，主筋為φ20，加勁筋為φ20，箍筋為φ10；實(shí)施樁基托換后，新施工樁樁徑為φ1200沖孔灌注樁，樁長(zhǎng)約35米，按摩擦樁設(shè)計(jì)，主筋為φ25，加勁筋為φ25，箍筋為φ10。

在盾構(gòu)機(jī)通過前，對(duì)影響的總計(jì)23根樁基使用破碎沖樁法施工破除，鋼筋采用磁鐵吸出，破除后用粘土壓實(shí)回填至原樁頂標(biāo)高，另在隧道兩側(cè)重新施工新樁及承臺(tái)并回填土恢復(fù)排洪渠及上方橋面。

此外，隧道頂部以上1.2米覆土為原狀土淤泥層，覆土很淺，因此在六處鋼板樁維護(hù)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，從承臺(tái)底部標(biāo)高以上1米、垂直隧道方向約10米的范圍采用C20混凝土進(jìn)行回填，形成一個(gè)混凝土蓋板?；炷辽戏交靥钔翞殚_挖出來的淤泥質(zhì)土，稍微壓實(shí)。

鋼板樁拔除后，鋼板樁所在土體空隙進(jìn)行注水泥砂漿回填處理。

圖1 排洪渠開挖基坑混凝土回填范圍

圖2 排洪渠基坑開挖范圍、回填范圍及設(shè)計(jì)水位

3.2 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備檢查及維修

在盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)排洪渠前100米，停機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的檢查，對(duì)可能出現(xiàn)問題的部件進(jìn)行維修和更換，防止盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠期間由于機(jī)械故障產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的停滯，影響盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)，主要的檢修內(nèi)容如下：

(1)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

(2)刀盤主軸承密封；

(3)鉸接千斤頂?shù)拿芊猓?/p>

(4)螺旋機(jī)及其閘門的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；

(5)發(fā)泡劑系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)管路及開關(guān)；

(6)拼裝機(jī)、單軌梁、雙軌梁的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；

(7)推進(jìn)千斤頂及其驅(qū)動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；

(8)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)；

(9)龍門吊、電瓶車的運(yùn)行情況。

除了對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢修、故障排查，還配備足夠的備件，以便在盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠階段出現(xiàn)設(shè)備問題時(shí)能及時(shí)更換零件。

3.3 施工條件保證

為保證盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度的順利實(shí)現(xiàn)，必須保證后配套材料供應(yīng)及渣土運(yùn)輸?shù)葪l件。

1)管片供應(yīng)方面，項(xiàng)目部計(jì)劃在盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠前，提前一天在現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存管片，確?，F(xiàn)場(chǎng)至少有24環(huán)管片的備用量，并且在通過期間，及時(shí)補(bǔ)充管片，保證現(xiàn)場(chǎng)用量。

2）渣土運(yùn)輸方面，項(xiàng)目部計(jì)劃在盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠期間增加土方運(yùn)輸車輛，并且增加白天期間出土，確保渣土池滿足生產(chǎn)需要。

3）材料供應(yīng)方面，提前對(duì)注漿材料進(jìn)行補(bǔ)充，發(fā)泡劑、周轉(zhuǎn)材、耗材、工具等進(jìn)行全面的檢查，提前補(bǔ)充到位，保證滿足施工。

4 、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)技術(shù)參數(shù)選定

為確保盾構(gòu)機(jī)安全順利通過排洪渠，特制定以下幾項(xiàng)措施，土壓平衡、快速通過、控制出土、注漿填充、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

4.1 土壓控制

為了避免隧道上部土層沉降及隆起，對(duì)排洪渠底部砌筑結(jié)構(gòu)造成破壞，防止土體向土倉(cāng)內(nèi)坍塌，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，采用土壓平衡模式掘進(jìn)。建立合理的土倉(cāng)壓力，根據(jù)隧道頂部5米的覆土埋深、土層情況，確定通過排洪渠區(qū)段土倉(cāng)壓力保持為120～150kpa（純土壓，也可用膨潤(rùn)土置換部分土壓），盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入排洪渠范圍前三環(huán)開始調(diào)整達(dá)到上述土壓。停機(jī)時(shí)土壓保持150kpa，必須確保土倉(cāng)內(nèi)充滿泥土，避免泥水補(bǔ)充迅速而導(dǎo)致噴涌的發(fā)生。

4.2 出土控制

根據(jù)計(jì)算，在盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠區(qū)段土層掘進(jìn)一環(huán)出土量約為65m3，運(yùn)輸渣土的土斗為16m3/斗，掘進(jìn)出土采用總量控制及逐斗控制，每環(huán)總出土量不大于4.3斗（約70m3），每出一斗土千斤頂掘進(jìn)行程控制在350～380mm。

4.3 掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)本工程使用的盾構(gòu)機(jī)情況及在花崗巖殘積層粉質(zhì)粘土層中的掘進(jìn)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用推力1300～1600T，刀盤轉(zhuǎn)速1.5rpm，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速9rpm，扭矩1300～2000KN·m，掘進(jìn)速度40～60mm/min。根據(jù)以上參數(shù)，能有效地控制地面沉降和出土量。并且，開挖后盾體及管片上方的土體還具有一定的穩(wěn)定性，通過快速連續(xù)掘進(jìn)，能及時(shí)采用同步注漿填充土體與管片之間的空隙，防止上方土體失穩(wěn)下落。

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入排洪渠前，把掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整至合適范圍（水平姿態(tài)：-20～+20mm，豎直姿態(tài)：-20～0mm），避免在盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠段由于調(diào)整姿態(tài)影響掘進(jìn)。

4.4 注漿控制

經(jīng)前期多次試驗(yàn)，項(xiàng)目部已確定盾尾注漿（單液漿）的配比（每槽重量比，kg）如下：

由于材料的性質(zhì)參數(shù)存在差異，如發(fā)現(xiàn)砂漿過稠或過稀將立即對(duì)配比進(jìn)行微調(diào)，以保證注漿漿液的初凝時(shí)間在8小時(shí)以內(nèi)。

在掘進(jìn)過程中嚴(yán)格按掘進(jìn)進(jìn)尺來控制注漿量，做到盾尾退出空隙與注漿量相吻合，嚴(yán)禁超前或滯后注漿。盾尾同步注漿采取注漿量及注漿壓力雙控制，每環(huán)注漿量不少于6m3，注漿壓力不大于0.35Mpa。盾構(gòu)機(jī)通過排洪渠后，及時(shí)打開排洪渠位置相應(yīng)管片吊裝孔進(jìn)行二次注漿。

安裝管片要保證盾尾間隙均勻，使尾刷密封均勻，有效地抑制漏漿，同時(shí)有利于保護(hù)尾刷，防止漏漿。

密封油脂注入要做到定期、定位、定量壓注。壓力要大于25bar（出口點(diǎn)）才能均勻填充密實(shí)空腔，注入量要大于35kg/環(huán)（平均每平方米大于2kg）。一方面可以防止漏漿，另一方面潤(rùn)滑、保護(hù)尾刷。漏漿點(diǎn)位要重點(diǎn)壓注。

4.5 防止噴涌

盾構(gòu)機(jī)通過鐵崗排洪渠階段，螺旋機(jī)出土口噴涌來源主要有兩個(gè)，一是已完成的隧道管片背后來水造成噴涌，二是如果地層擾動(dòng)渠底破壞，水體通過淤泥層透到開挖面，造成噴涌。

通過上述的各項(xiàng)措施，控制好掘進(jìn)參數(shù)，能減少對(duì)隧道上方土體的影響，防止渠底破壞透水造成噴涌；通過快速連續(xù)掘進(jìn)與及時(shí)注漿填充，防止土倉(cāng)積水過多噴涌。

本工程使用的發(fā)泡劑添加了5%的渣土改良劑，具有強(qiáng)吸水性，能有效包裹土體中的砂礫，改良渣土的流塑性，減少噴涌發(fā)生概率。針對(duì)發(fā)泡劑上竄泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，通過調(diào)整發(fā)泡劑比例和減少氣流量，可防止壓力過大泄漏。采用發(fā)泡劑放大倍率為4，稀釋度5%，F(xiàn)IR=20%。

5 、實(shí)施階段施工技術(shù)

右線盾構(gòu)機(jī)首先通過鐵崗排洪渠。在距離排洪渠范圍15米時(shí)，開始調(diào)整盾構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，土壓逐漸上升至120kpa，采用推力1350T，刀盤轉(zhuǎn)速1.5rpm，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速9rpm，扭矩1600KN·m。

在排洪渠范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)始終控制在水平姿態(tài)：-20～+20mm，豎直姿態(tài)：-20～0mm的范圍內(nèi)。土壓倉(cāng)壓力位120～150kpa，采用推力1400～1700T，刀盤轉(zhuǎn)速1.5rpm，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速9rpm，扭矩1600～1950KN·m。盾構(gòu)機(jī)穿越排洪渠期間，掘進(jìn)速度平均約48mm/min，每環(huán)注漿量約6.3m3，注漿壓力不大于0.35Mpa，每環(huán)總出土量小于70m3，并加大了盾尾油脂及二次注漿用量，每環(huán)使用盾尾油脂約40kg。在排洪渠下方使用的發(fā)泡劑添加了5%的渣土改良劑，防漏漿效果良好。

通過嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)，采取各項(xiàng)措施，在如此復(fù)雜的地質(zhì)和環(huán)境條件下，安全有效地保障了盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)，左、右線盾構(gòu)機(jī)分別都為2天時(shí)間順利通過鐵崗排洪渠，平均日進(jìn)度12環(huán)。除了左線出現(xiàn)很少量泡沫外泄外，未發(fā)生任何安全和掘進(jìn)事故，圓滿完成了任務(wù)，為類似地質(zhì)和環(huán)境條件下盾構(gòu)機(jī)暗挖提供了一個(gè)很好的工程范例。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.009