土壓平衡盾構(gòu)在復(fù)合地層中帶壓進(jìn)倉施工技術(shù)

李志軍 高 波 王光偉

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司 河北燕郊065201)

在現(xiàn)代城市建設(shè)中，地下空間的開發(fā)利用已成為重要的組成部分［1］，隨著我國地鐵線路規(guī)劃、建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，國內(nèi)各大城市均開始大力發(fā)展地鐵工程，以便緩解地面交通擁堵現(xiàn)狀。盾構(gòu)法因具有機(jī)械化程度高、施工速度快，對地面影響小等特點(diǎn)逐漸成為修建地下隧道的第一大工法。然而，由盾構(gòu)工法的特點(diǎn)可知，盾構(gòu)隧道開挖不可避免地會對周圍地層產(chǎn)生擾動，從而引起地層變形，嚴(yán)重時(shí)可能會危及地下管線及周圍建(構(gòu))筑物的安全［2-8］。在采用盾構(gòu)法施工時(shí)不可避免地還會出現(xiàn)諸如推力大、掘進(jìn)速度慢、渣土溫度高、齒輪油油溫高、盾構(gòu)機(jī)及螺旋輸送機(jī)扭矩過大［9］、難以實(shí)現(xiàn)開挖面土壓力的動態(tài)平衡［10］等現(xiàn)象。為此，需要通過帶壓進(jìn)倉處理掘進(jìn)面存在的問題，這將給進(jìn)倉工作人員帶來一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，甚至威脅到其生命安全。因此，總結(jié)這樣的工程經(jīng)驗(yàn)，以供類似工程借鑒就顯得非常必要。

1 工程概況

1.1 工程范圍及地理位置

南京地鐵五塘廣場站—小市站區(qū)間隧道位于中央北路下方，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至第413環(huán)～418環(huán)(對應(yīng)刀盤里程YK13+474.9～+481.7)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)推力大、掘進(jìn)速度慢、渣土溫度高、齒輪油油溫高、刀盤扭矩大等現(xiàn)象。其中，在第413環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，其掘進(jìn)參數(shù)與白班施工的第411環(huán)～412環(huán)掘進(jìn)參數(shù)相比出現(xiàn)明顯變化。最終在掘進(jìn)至418環(huán)，里程YK13+481.7的位置停止掘進(jìn)。

1.2 停機(jī)處地質(zhì)情況

盾構(gòu)停機(jī)時(shí)刀盤位置處于復(fù)合地層中，具體情況見圖1～2。

隧道縱向:刀盤里程處主要為強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖，巖面沿隧道掘進(jìn)方向逐漸爬升，坡比約為1∶0.32。

隧道橫向:盾構(gòu)隧道推進(jìn)方向右側(cè)中風(fēng)化砂巖巖面高5.13 m;左側(cè)中風(fēng)化砂巖巖面高2.89 m、強(qiáng)風(fēng)化砂巖厚1.64 m、粉土厚1.86 m;中風(fēng)化砂巖巖面橫向坡比為1∶0.36。

圖2 刀盤位置地質(zhì)橫剖面

2013年8月12日，對渣土取樣進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，含水率22%、大于10 mm石子顆粒3.9%、大于5 mm石子顆粒3.7%、大于2.5 mm石子顆粒2.2%，大于2.5 mm石子顆粒90.2%。

1.3 原因分析

通過對地質(zhì)情況以及掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，主要原因是由于渣土改良不佳造成?？赡艹霈F(xiàn)的情況有刀盤結(jié)泥餅、土倉內(nèi)結(jié)泥餅、刀具偏磨或個別刀具損壞幾種。為解決目前的問題，必須實(shí)施帶壓進(jìn)倉，并結(jié)合開倉后的具體情況采取相應(yīng)措施。

2 帶壓進(jìn)倉工作原理、工藝流程

2.1 基本原理

對盾構(gòu)機(jī)土倉、盾殼處注入高濃度膨潤土泥漿，泥漿滲入地層后形成泥膜以封堵地層;在保證刀盤前方周圍地層和土倉滿足氣密性要求的條件下，通過在土倉建立合理的氣壓來平衡刀盤前方的水、土壓力，達(dá)到穩(wěn)定掌子面和防止地下水滲入的目的，為在土倉內(nèi)進(jìn)行檢查、更換刀盤刀具和處理刀盤泥餅創(chuàng)造工作條件。

2.2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖3。

3 帶壓進(jìn)倉準(zhǔn)備工作

3.1 注漿封堵

帶壓進(jìn)倉前主要應(yīng)對以下幾個部位進(jìn)行注漿封堵:

圖3 帶壓作業(yè)工藝流程

1)利用盾構(gòu)中體、前體上四周的注入口，對盾構(gòu)主機(jī)周圍進(jìn)行注漿封堵，以防止壓縮空氣從盾殼與地層之間泄露。

2)利用盾構(gòu)機(jī)上的膨潤土注入系統(tǒng)對掌子面進(jìn)行封堵。

3.2 渣土置換

利用盾構(gòu)機(jī)土倉隔板頂部預(yù)留的閘閥、膨潤土注入系統(tǒng)，往土倉內(nèi)泵入泥漿，在確保上部土壓不小于0.12 MPa的條件下，通過螺旋輸送機(jī)排土直至將土倉內(nèi)的渣土排空。

當(dāng)土倉內(nèi)渣土已全部置換完成，關(guān)閉螺機(jī)倉門與螺機(jī)出渣口的上、下插板，停止排渣，繼續(xù)向土倉內(nèi)注入泥漿，讓泥漿充分滲透到地層，形成泥膜。注漿過程中上部土壓范圍為0.13～0.14 MPa。

為防止刀盤面板前的掌子面無泥漿滲透，在排渣過程中可按每間隔1 h緩慢轉(zhuǎn)動一次刀盤;在渣土置換前，需確保準(zhǔn)備的膨潤土泥漿量至少為土倉容量的70%。

3.3 泥漿置換

啟動德國samson公司土倉自動保壓系統(tǒng)，用氣體置換泥漿。緩慢打開進(jìn)氣閥，使土倉內(nèi)的壓力上升，當(dāng)氣壓開始上升時(shí)，啟動螺旋輸送機(jī)排出土倉內(nèi)泥漿(排出量為1/2土倉容量)。為保證土倉內(nèi)壓力的穩(wěn)定，一定要將螺旋輸送機(jī)的倉門開啟度放小，緩慢置換。

在泥漿置換過程中盾構(gòu)機(jī)上部土壓范圍為0.12～0.14 MPa。

3.4 土倉氣密性試驗(yàn)

當(dāng)土倉內(nèi)的膨潤土泥漿排除至1/2土倉容量后，即可進(jìn)行土倉氣密性試驗(yàn)。啟動samson自動保壓系統(tǒng)，在系統(tǒng)上設(shè)置上部土倉氣壓為0.12 MPa，根據(jù)系統(tǒng)記錄的補(bǔ)氣量大小(補(bǔ)氣量小于30%為合格)及地表沉降監(jiān)測情況，確定土倉氣密性是否滿足要求。

3.5 進(jìn)倉壓力確定

3.5.1 理論計(jì)算

3.5.1.1 淺埋、深埋的劃分

式中:Hp為深、淺埋隧道分界的深度，m;hq為施工坍方平均高度，hq=0.45×26-Sω，m;S為圍巖類別，如Ⅱ類圍巖，則S=2;ω為寬度影響系數(shù)，且ω=1+i(B-5);B為隧道凈寬度，m;i為以B=5 m為基準(zhǔn)，B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率。

當(dāng)B＜5 m時(shí)，取i=0.2;當(dāng)B＞5 m時(shí)，取i=0.1。

則Hp=(2～2.5)×(0.45×26-2)×(1+0.1×(6.46-5))=16.5～20.6 m

當(dāng)隧道埋深為14.2 m時(shí)，即屬于淺埋隧道。

3.5.1.2 淺埋隧道的土壓計(jì)算

1)靜止土壓(見圖4)。

式中:k0為側(cè)向土壓力系數(shù)，k0=υ/1-υ;υ為巖體的泊松比。

式中:γi為第i層土的天然容重(地下水位以下一般采用浮容重)，kN/m3;hi為第i層土的厚度，m;n為從地面到深度z處的土層數(shù)。

通過上述公式計(jì)算出

2)主動土壓力(見圖5)。

圖4 土體自重應(yīng)力分布

式中:σz為深度為z處的地層自重應(yīng)力+地面荷載，c為土的黏著力，z為地層深度，φ為地層內(nèi)部摩擦角。

通過上述公式計(jì)算出:

圖5 主動土壓力計(jì)算

3)被動土壓力計(jì)算(見圖6)。

4)地下水壓力

式中:q為根據(jù)土的滲透系數(shù)確定的一個經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，砂土中q=0.8～1.0，黏性土中q=0.3～0.5;γ為水的容重，kN/m3;h為地下水位距離刀盤頂部的高度，m。σw=0.4×10×(14.2-3.6)=42.4 kN/m1=0.042 MPa

5)地面動荷載，按掛-120 t考慮。

計(jì)算模型:掛-120 t作用在刀盤上方，掛-120 t按12個車輪，車輪接觸面積長按1.2 m、寬按1.0 m計(jì)算，擴(kuò)散角按35°、埋深按14.2 m計(jì)算，即刀盤處地面動荷載產(chǎn)生的垂直土壓力為:120×10/((2×14.2×tan35o+1)(214.2tan35o+1.2))=2.72kN/m1;側(cè)向土壓力系數(shù)k0=0.75;地面動荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力=2.72×0.75=2.04 KN/m1=0.002 MPa

圖6 被動土壓力計(jì)算

6)預(yù)備土壓。按照施工經(jīng)驗(yàn)，在對沉降要求比較嚴(yán)格的地段計(jì)算土壓力時(shí)，通常在理論計(jì)算的基礎(chǔ)之上再考慮10～20 kg/m1(0.01～0.02 MPa)的壓力作為預(yù)備壓力。

7)上部土壓計(jì)算。在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，計(jì)算采用“靜止土壓+水壓+地面動荷載+預(yù)備土壓”，即0.125+0.042+0.002+0.02=0.189 MPa

帶壓進(jìn)倉時(shí)，最小保壓值應(yīng)為“主動土壓+水壓+地面動荷載+預(yù)備土壓”，即=0.034+0.042+0.002+0.02=0.098 MPa

3.5.2 現(xiàn)場試驗(yàn)確定壓力

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，帶壓進(jìn)倉時(shí)土倉內(nèi)保壓值應(yīng)在0.098～0.189 MPa的范圍內(nèi)，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)保壓試驗(yàn)過程中地面監(jiān)測情況確定。

根據(jù)現(xiàn)場保壓試驗(yàn)，對理論計(jì)算取值范圍進(jìn)行折中后，設(shè)定保壓初始值為0.145 MPa。連續(xù)監(jiān)測1 h后，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定(見圖7)，上下浮動均在0.5 mm以內(nèi)，表明保壓設(shè)定值合理，予以采用。

圖7 地面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.6 人員設(shè)備準(zhǔn)備

由于帶壓進(jìn)倉的特殊性，所以要求經(jīng)過高壓潛水培訓(xùn)的人員才可以進(jìn)倉作業(yè)，加壓倉操作人員必須具備高壓氧倉操作資格。盾構(gòu)司機(jī)負(fù)責(zé)整個帶壓作業(yè)過程的操作，土木工程師負(fù)責(zé)監(jiān)控開挖倉補(bǔ)氣量并及時(shí)安排補(bǔ)漿或置換泥漿加固掌子面泥膜。

氣壓倉保壓性能檢測1 h內(nèi)壓力波動不超過0.02 MPa即為合格。

4 帶壓進(jìn)倉作業(yè)

4.1 進(jìn)倉步序及操作方法

1)進(jìn)倉前，由操倉手檢查工(器)具、水等是否放入主倉，以免動用準(zhǔn)備倉。

2)操倉手慢慢打開加氣閥門，嚴(yán)格按照流量增加主倉室的壓力直到到達(dá)操作壓力值，作業(yè)人員也可以根據(jù)自己身體的實(shí)際狀況在人倉內(nèi)操作門閥來增加主倉室壓力。本次開倉的工作壓力為0.14 MPa，根據(jù)要求倉內(nèi)壓力從0到0.14 MPa，加壓時(shí)間為2 min。

3)加壓過程中，操倉手打開主倉外的卸壓球閥以保證主倉內(nèi)一定的通風(fēng)量。

4)當(dāng)主倉室的壓力等于盾構(gòu)機(jī)土倉的壓力時(shí)，主倉內(nèi)人員緩慢打開主倉和土倉之間的平衡球閥開關(guān)，使土倉與主倉之間壓力平衡。

5)在主倉和土倉之間進(jìn)行壓力補(bǔ)償之后，作業(yè)人員打開壓力擋板的門進(jìn)入土倉。

6)在達(dá)到每倉的工作時(shí)間(或有人員身體不適時(shí))，主倉操作人員應(yīng)全部進(jìn)入主倉，立即關(guān)閉主倉與人倉之間的門，鎖緊螺栓，同時(shí)將副倉加壓至與主倉壓力一致。

7)主倉操作人員將主倉與副倉之間的門打開，操倉手確認(rèn)主倉操作人員安全后開始減壓，每倉的減壓時(shí)間應(yīng)根據(jù)高壓進(jìn)倉操作時(shí)間確定。本次進(jìn)倉操作時(shí)間為160 min左右，減壓時(shí)間應(yīng)為36～46 min。

4.2 倉內(nèi)情況及處理措施

根據(jù)進(jìn)倉檢查，土倉內(nèi)全部為泥餅，幾乎把倉門遮蓋完。根據(jù)現(xiàn)場分析，采用高壓水槍射水的方法將刀盤及隔板上的泥餅沖散，每次沖洗倉門正對的部分(0—3點(diǎn)鐘方向)。每倉沖洗完畢后(或?qū)⒅鱾}門關(guān)閉，人員撤至主倉)，盾構(gòu)操作司機(jī)旋轉(zhuǎn)刀盤，將沖散的泥餅攪拌均勻后從螺機(jī)排出，直至螺機(jī)排出的全部為空氣時(shí)，螺機(jī)停止排土，使刀盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，將土攪拌至螺機(jī)出渣口，防止刀盤倉氣體從螺機(jī)逃逸。每倉沖洗前在刀盤回轉(zhuǎn)接頭處做好記號，每次將刀盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，保證沖洗完后相鄰的部分正對刀盤倉門，防止漏沖。

4.3 刀具磨損情況及評估意見

根據(jù)進(jìn)倉檢查，個別齒刀存在崩齒的現(xiàn)象，滾刀無偏磨現(xiàn)象(見圖8～9)。刀具的整體磨損程度在可接受范圍內(nèi)，不用更換刀具。

圖8 刀刃輪跡線

圖9 滾刀

4.4 監(jiān)測實(shí)施及數(shù)據(jù)分析

由測量組對刀盤位置處地表沉降情況實(shí)施監(jiān)測，白天人員進(jìn)倉期間監(jiān)測頻率按15 min/次，夜間出渣期間監(jiān)測頻率按2 h/次。地表沉降穩(wěn)定判斷指標(biāo)為:當(dāng)次測量與上次測量成果相比下沉大于1 mm時(shí)，需通知進(jìn)倉人員加強(qiáng)注意觀察掌子面穩(wěn)定情況;大于2 mm時(shí)，倉內(nèi)人員必須立即撤出。

整個帶壓進(jìn)倉實(shí)施4 d，地面累計(jì)最大隆起為1.4 mm，倉內(nèi)土體未出現(xiàn)坍塌涌水等情況(見圖10)。

圖10 各點(diǎn)位實(shí)時(shí)監(jiān)測變化曲線

5 帶壓進(jìn)倉中遇到的問題及處理措施

5.1 渣土置換困難

當(dāng)泥漿置換渣土?xí)r，出現(xiàn)螺機(jī)不轉(zhuǎn)動、僅開啟其出土口上下插板的情況下，螺機(jī)噴涌現(xiàn)象嚴(yán)重，并伴隨土倉內(nèi)土壓快速下降(上部土壓由0.12 MPa下降到0.08 MPa左右);關(guān)閉螺機(jī)出土口、往土倉內(nèi)僅注入少量泥漿時(shí)，其土壓回升速度較快。從出土口噴出的樣品分析，泥漿含量大、土塊含量少，即往土倉內(nèi)注入的泥漿基本上已全部從螺機(jī)出土口噴出、但倉內(nèi)渣土未得到排出，泥漿置換土倉內(nèi)渣土難度大，從而會影響掌子面泥膜生成質(zhì)量，導(dǎo)致人員不能安全帶壓進(jìn)倉。從413～417環(huán)掘進(jìn)時(shí)螺機(jī)噴渣情況以及盾構(gòu)停機(jī)過程中土倉內(nèi)壓力的波動情況分析，可以排除因地層中或管片背后水源進(jìn)入土倉導(dǎo)致關(guān)閉螺機(jī)閘門、土倉內(nèi)土壓上升較快的情況。

處理措施為:改裝膨潤土注入系統(tǒng)中相關(guān)管路，將土倉注入口調(diào)整至刀盤注入口，往刀盤前方注入膨潤土泥漿，確保掌子面泥膜生成質(zhì)量。

5.2 壓力值差大

開倉前，發(fā)現(xiàn)土倉上部擠壓式土壓傳感器與人倉內(nèi)指針式壓力傳感器兩者壓力值差達(dá)0.06 MPa。

經(jīng)分析該兩個傳感器因構(gòu)造原理不同，導(dǎo)致同一條件下兩者反映的壓力差值大，倉內(nèi)實(shí)際壓力以人倉內(nèi)指針式壓力傳感器顯示的壓力值為準(zhǔn)。

6 結(jié)論與討論

6.1 刀盤結(jié)泥餅原因分析

1)盾構(gòu)始發(fā)時(shí)刀盤正面區(qū)域配置了滾刀，0～282環(huán)(長338 m)洞身穿越地層為粉質(zhì)黏土地層，根據(jù)左線類似地層常壓開倉情況判斷，該段地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)滾刀刀箱及土倉隔板上已黏附一定厚度的黏土層。

2)在K13+439～481段掘進(jìn)時(shí)，土倉內(nèi)上部土壓過高、渣土改良效果差。

該段地層掘進(jìn)時(shí)上部土壓設(shè)置在0.19 MPa左右，根據(jù)開倉實(shí)測，上部土壓傳感器存在誤差，即傳感器顯示的壓力值較實(shí)際壓力值低0.06 MPa，此時(shí)土倉內(nèi)上部土壓值實(shí)際在0.25 MPa。

該段地質(zhì)勘探孔距離隧道結(jié)構(gòu)邊線近(約3 m)，盾構(gòu)剛進(jìn)入該地層時(shí)采用了泡沫改良渣土，泡沫易從勘探孔中溢出流至中央北路的公交站臺附近，給當(dāng)?shù)鼐用駧聿涣加绊?。鑒于以上原因，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)改用水來替代泡沫改良渣土，渣土改良后流動性差;在高壓力條件下，土倉內(nèi)流動性差的渣土越堆越厚，堵塞了刀盤大部分開口部位，造成盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)渣土溫度高、速度慢等現(xiàn)象。

6.2 改進(jìn)措施

1)降低上部土壓設(shè)置值。根據(jù)理論計(jì)算值、土壓傳感器誤差值，將上部土壓值設(shè)置為0.13～0.14 MPa，并密切關(guān)注地表沉降變化情況。

2)采用泡沫改良渣土。在對地勘孔進(jìn)行處理后，采用泡沫改良渣土。泡沫發(fā)泡率為10，原液摻入量3%，泡沫注入率為40%～50%。

2)采用“半倉土+半倉氣”掘進(jìn)模式。采用泡沫注入系統(tǒng)往土倉內(nèi)注入壓縮空氣，土倉內(nèi)存土量控制在1/2土倉容積，通過控制壓縮空氣注入量、螺機(jī)出渣量確保土倉上部土壓。

采用該模式掘進(jìn)時(shí)，必須加大同步注漿量，防止?jié){液返入砂漿罐內(nèi)。長時(shí)間停機(jī)前，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)逐步減少土倉內(nèi)壓縮空氣注入量，確保長時(shí)間停機(jī)期間土倉內(nèi)保持滿倉土。

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