高標(biāo)貫中粗砂地層盾構(gòu)法施工應(yīng)對(duì)措施研究

李 旭

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

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高標(biāo)貫中粗砂地層盾構(gòu)法施工應(yīng)對(duì)措施研究

李 旭

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

西安地鐵2號(hào)線北端盾構(gòu)施工過程中全斷面穿越中砂、粗砂層，其中中砂的標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到150擊，砂層極為密實(shí)，且需嚴(yán)格控制地面沉降；盾構(gòu)掘進(jìn)出現(xiàn)極限參數(shù)，不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)螺旋、刀盤甚至是盾體磨損加快。通過增加開挖面積、主動(dòng)鉸接輔助推進(jìn)、渣土改良、壓縮空氣輔助建壓等措施來解決超密實(shí)地層盾構(gòu)掘進(jìn)問題，使用效果比較明顯，提高了土壓平衡盾構(gòu)對(duì)密實(shí)砂層的適應(yīng)性。

密實(shí)砂層；中砂；標(biāo)貫擊數(shù)；盾構(gòu)；渣土改良；建壓

1 工程概況

西安地鐵2號(hào)線一期北苑站～北客站盾構(gòu)區(qū)間穿越西安繞城高速公路，路面寬38 m，路基寬46 m，高速公路高出地面約4 m，雙向六車道。在穿越過程中遇到了俗稱“鐵板砂”的地層，給盾構(gòu)施工造成許多難題。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)方向和區(qū)間里程計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)穿越繞城高速南側(cè)邊坡的里程為ZDK1+676～ZDK1+666，掘進(jìn)環(huán)號(hào)為96～103，109環(huán)盾尾脫出

邊坡；繞城高速路面的里程為ZDK1+666～ZDK1+629，掘進(jìn)環(huán)號(hào)為103～128，135環(huán)盾尾脫出路面；繞城高速北側(cè)邊坡的里程為ZDK1+629～ZDK1+619，掘進(jìn)環(huán)號(hào)為128～134，141環(huán)盾尾脫出邊坡。

1.1 工程地質(zhì)

西安地層為典型的黃土地層，但在河流階地存在砂層，局部含有卵石。本項(xiàng)目下穿位置地層位于原渭河一級(jí)階地，隧道穿越中砂、粗砂(局部為礫砂、圓礫)地層，隧道洞身土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道洞身土層主要物理力學(xué)參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)

地下水主要賦存于砂類土層中，屬于強(qiáng)透水層，含水層厚度40～80 m，地下水主要為第四系孔隙潛水。地勘報(bào)告揭示地下水位較高，自DK1+670開始盾構(gòu)隧道基本處于水位線以下。在施工過程中發(fā)現(xiàn)地下水位位于盾構(gòu)隧道1/3到2/3位置，沒有超過螺旋機(jī)出渣口位置，在施工過程中沒有出現(xiàn)涌水、涌砂的情況，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響較小。

2 工程難點(diǎn)及主要問題分析

(1)繞城高速是西安環(huán)線交通的主干，也是進(jìn)出古都的各大高速公路的起點(diǎn)，在西安的城市交通和對(duì)外聯(lián)系中具有舉足輕重的地位。根據(jù)北繞城高速公路管理局的要求，此段高速公路路面的最大沉降控制在10～20 mm以內(nèi)，以保證車輛順利通行。

(2)標(biāo)貫擊數(shù)大于30擊的砂層為密實(shí)砂層，常規(guī)中砂、粗砂的標(biāo)貫擊數(shù)不超過60擊，該段中砂標(biāo)貫擊數(shù)高達(dá)150擊，特別是在車輛動(dòng)荷載的長(zhǎng)期作用和車輛振動(dòng)頻率的作用下，致使砂層極為密實(shí)。這種砂層俗稱“鐵板砂”，其硬度達(dá)到了鋼材的指標(biāo)。這就使得盾構(gòu)機(jī)通過繞城高速時(shí)，出現(xiàn)了相當(dāng)高的摩阻力，影響了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)。

(3)砂層由于內(nèi)摩擦角大，盾構(gòu)機(jī)刀盤切削致密砂層時(shí)，地層對(duì)刀具及面板反作用力較常規(guī)砂層增加較多，會(huì)造成切削困難、螺旋及刀盤磨損較快;同時(shí)，切削下來的砂土之間較大的作用力會(huì)造成排土較差，甚至不能排土[1]。

3 穿越致密砂層存在的問題

在盾構(gòu)穿越繞城高速公路前，通過在高速公路兩側(cè)進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并對(duì)通過前的試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，制定了穿越砂層的相關(guān)對(duì)策，但在實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題超過了預(yù)判。

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)困難

為保證繞城高速的安全，在盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選擇上相對(duì)保守，土倉壓力值按照被動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算和設(shè)定。在試驗(yàn)段施工過程中，按照上述設(shè)定能夠順利掘進(jìn)，但由于繞城高速下砂層更加密實(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出現(xiàn)了困難。隨著盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入繞城高速地層后，推力由24 000 kN驟升至30 000 kN，而且掘進(jìn)速度降到4 mm/min以下。此外，在拼裝完管片后盾構(gòu)機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)刀盤扭矩過載而自動(dòng)跳閘的現(xiàn)象，盾構(gòu)掘進(jìn)效率極低。此外，由于總推力過高，用于調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)方向的推力分配較少，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制。

3.2 盾構(gòu)設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

在致密砂層中掘進(jìn)，要前行就要增加推力，推力的增加需要盾構(gòu)機(jī)全系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)。盾構(gòu)機(jī)廠家通過調(diào)節(jié)溢流閥來增加推力，但是由此設(shè)備油路壓力增加，油溫升高。在高溫高壓下，增加了盾構(gòu)機(jī)設(shè)備負(fù)荷，經(jīng)常出現(xiàn)刀盤內(nèi)外周溫度、液壓油溫度超標(biāo)，從而被迫停機(jī)降溫。此外，由于整個(gè)系統(tǒng)的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成隧道作業(yè)面內(nèi)溫度較高，又影響盾構(gòu)機(jī)其它設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)備的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，增加了維修工作量。

3.3 注漿壓力與注漿量的控制

由于繞城高速公路是西安對(duì)外的交通干道，社會(huì)敏感性高，對(duì)沉降要求更加嚴(yán)格。由于修建高速公路必然要求路基密實(shí)，組成高速公路路面的底層和面層都是具有相當(dāng)強(qiáng)度的膠結(jié)材料，所以在盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)，即使注漿不飽滿，地面的沉降量也不會(huì)立刻出現(xiàn)特別大的變化。但注漿的不飽滿終究是安全隱患，使注漿壓力和注漿量的控制產(chǎn)生了不確定性。

4　應(yīng)對(duì)方案

4.1 適當(dāng)增加開挖面積

減少盾構(gòu)機(jī)推力最有效的辦法就是減少地層與盾體之間的摩阻力，因此在掘進(jìn)中通過開啟仿形刀，擴(kuò)大開挖半徑，使與盾體接觸的為擾動(dòng)后的砂層，能夠減少摩阻力。由于致密砂層部分物理力學(xué)性質(zhì)類似于巖層，采用外置式注漿的盾構(gòu)機(jī)在該地層中的摩阻力會(huì)更大，因此可在盾構(gòu)外置注漿保護(hù)罩位置有目的的增加開挖半徑。根據(jù)試驗(yàn)，密實(shí)砂層中地層自穩(wěn)性較好，如盾構(gòu)機(jī)超挖半徑不超過4 cm，且及時(shí)進(jìn)行同步注漿能夠控制地面沉降。通過開啟仿形刀，掘進(jìn)速度提高了30%左右，一定程度上提高了掘進(jìn)效率。

4.2 主動(dòng)鉸接輔助掘進(jìn)

由于盾構(gòu)掘進(jìn)速度較慢再加上盾構(gòu)機(jī)故障時(shí)有發(fā)生，盾體容易被同步注漿漿液裹住，造成盾構(gòu)機(jī)無法前進(jìn)，這時(shí)，使用主動(dòng)鉸接分段推進(jìn)是一種有效的措施。使用鉸接雖然效率較低，但可以保持有一定的速度，比單純使用推進(jìn)千斤頂掘進(jìn)的速度要高。使用鉸接是一種在盾構(gòu)操作時(shí)能有效的改善在推進(jìn)千斤頂大推力下無法推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的狀況，是在操作室內(nèi)能采取的盾構(gòu)機(jī)脫困的主要方法。但長(zhǎng)時(shí)間使用鉸接容易造成鉸接密封出現(xiàn)損害甚至失效，因此在使用鉸接推進(jìn)的時(shí)候要掌握一定的度，不能頻繁使用。

4.3 增加膨潤(rùn)土注入口及注入量

為改變致密砂層原狀土難以掘進(jìn)的狀況，將膨潤(rùn)土改接至刀盤前方的注入口，同時(shí)增加刀盤前方注入量，超前對(duì)砂土進(jìn)行改良；土倉內(nèi)的渣土改良也要保持。通過上述措施能夠有效改良渣土，并保持土倉內(nèi)外平衡。增加膨潤(rùn)土注入量后，需要對(duì)盾構(gòu)后配套設(shè)備進(jìn)行改造，提高膨潤(rùn)土運(yùn)輸能力和注入能力。此外由于改良后的渣土含有較大比例的膨潤(rùn)土，出渣時(shí)需要對(duì)渣土進(jìn)行處理，須提前安排[2-3]。

4.4 壓縮空氣輔助建壓

在常規(guī)砂層中由于顆粒間隙較大，采用氣壓輔助掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)漏氣失壓的情況，但在致密砂層中通過超前渣土改良能夠形成相對(duì)封閉的空間，給采用壓縮空氣輔助建壓提供了條件。通過停機(jī)試驗(yàn)，采用壓縮空氣可以提高土倉內(nèi)壓力，因此在掘進(jìn)過程中也可采用壓縮空氣來填充土倉內(nèi)部，減少土倉內(nèi)的砂土，在保持掌子面穩(wěn)定的情況下減少盾構(gòu)機(jī)推力、扭矩等參數(shù)，從而改善掘進(jìn)效率。

4.5 及時(shí)足量注漿

為保證填滿管片與地層之間的空隙，控制地面沉降，需要在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)對(duì)盾尾后的管片進(jìn)行同步注漿和二次注漿。同時(shí)，由于砂層的滲透系數(shù)較大，需要對(duì)漿液配比進(jìn)行試驗(yàn)，防止?jié){液被地下水快速稀釋進(jìn)入周圍地層。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)繞城高速地段時(shí)，同步注漿的壓力一直保持在比較高的范圍，1、3號(hào)注漿孔一般都達(dá)到了0.3 MPa以上，4個(gè)注漿孔只有2個(gè)在正常工作，但由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)緩慢，能比較從容的進(jìn)行同步注漿，同步注漿的注漿量基本在6 m3以上。二次注漿的管片一般選在盾尾后5、6環(huán)，這樣就能使二次注漿的水泥漿不包裹盾尾刷。在進(jìn)行二次注漿時(shí)，注漿壓力同樣很大，比要求的0.3～0.4 MPa的壓力值高出很多，每環(huán)的注漿量也不太大，一般都在0.3～1 m3。由二次注漿時(shí)所表現(xiàn)的高壓力值判斷，管片與地層之間的間隙基本被砂漿和水泥漿填充，能有效的控制盾尾后的沉降。

4.6 降低盾構(gòu)機(jī)溫度

盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，各部件不僅容易出現(xiàn)故障，同時(shí)還會(huì)降低盾構(gòu)機(jī)的使用壽命，因此需要采取措施降低溫度。降低溫度的辦法有水冷、風(fēng)冷和增加散熱面積等。對(duì)盾構(gòu)機(jī)整體來講，采取水冷是最有效也是成本較低的一種方法，通過將冷水引入盾構(gòu)機(jī)，然后通過泡沫或膨潤(rùn)土管路注入到周圍地層中，降低盾構(gòu)機(jī)及地層溫度。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)油路，可采用增加油冷卻器的辦法降溫。

5 需繼續(xù)探討的問題

5.1 膨潤(rùn)土減摩的效果

采用在3、9、12點(diǎn)的盾體上開孔注入膨潤(rùn)土以減小盾體與地層之間摩擦力的方法，由于在127環(huán)才開始使用，還沒有對(duì)比數(shù)據(jù)，缺乏建立判斷標(biāo)準(zhǔn)的必要因素。在以后的施工過程中，有必要對(duì)使用這種方法前后進(jìn)行分析，得出比較好的結(jié)論，總結(jié)出更好的減摩方法。減小摩阻力是盾構(gòu)施工永恒的話題，在這方面的探索還有待加強(qiáng)。

5.2 建立氣壓對(duì)掘進(jìn)的不利影響

在整個(gè)穿越過程中，各種沉降量都比較小，說明建立土壓起到了一定的作用。但在建立氣壓的前后，卻出現(xiàn)了掘進(jìn)越來越困難、同步注漿壓力也不斷攀升的情況；但由于對(duì)使用氣壓的記錄不完整，使得在分析利弊時(shí)缺乏有力的數(shù)據(jù)支持。

5.3 從機(jī)械工程的角度來分析盾構(gòu)機(jī)的各種參數(shù)

盾構(gòu)施工是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，對(duì)土建、機(jī)械、電等均有涉及。在以后的工作中，不僅要從土木工程的角度去分析盾構(gòu)機(jī)在穿越這種復(fù)雜地層的情況，更應(yīng)該從機(jī)械工程的原理去分析盾構(gòu)機(jī)的各種操作對(duì)盾構(gòu)機(jī)使用性能和壽命的影響，比如通過改進(jìn)外置式注漿管路減少摩阻力[4]、頻繁使用鉸接的影響等等，全面認(rèn)識(shí)和掌握盾構(gòu)施工的作用規(guī)律和操作特點(diǎn)。

6 結(jié)束語

通過增加開挖面積、主動(dòng)鉸接輔助推進(jìn)、渣土改良、壓縮空氣輔助建壓等措施來解決超密實(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)極限難題是非常規(guī)手段，但其使用效果比較明顯，為類似問題提供了解決思路。通過技術(shù)措施的改進(jìn)及盾構(gòu)設(shè)備的改造擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)對(duì)密實(shí)砂層的適應(yīng)性，可降低盾構(gòu)施工成本、提高社會(huì)效益。

[1]張旭東.土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層施工技術(shù)探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009(9)：1445-1449

[2]魏康林.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫和膨潤(rùn)土改良土體的微觀機(jī)理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2007(1)：73-77

[3]閆鑫,龔秋明,姜厚停.土壓平衡盾構(gòu)施工中泡沫改良砂土的試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2010(3)：449-453

[4]蘇小江.砂土地層土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性改造研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2014(10)：65-66

A Study of the Counter-Measures for the Shield Construction in the High SPT Medium-Size Sand Strata

LI Xu

( The First Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Xi'an 710054,China )

Since the north end of Line Two of the Xi'an Metro has to full-cross-section run through the medium-size sand and coarse sand stratum with a shield,where the SPT blow count for medium-size sand reaches 150,the sand stratum being extremely dense,the ground settlement needs to be strictly controlled;in such a case,the limits of parameters emerge in the middle of the shield-drilling,the shield can′t work properly,with the spiral and the cutter-holder,or the body of the shield itself,worn faster.The problem of a shield drilling through an extraordinarily dense stratum is solved by means ofincreasingtheexcavationarea,usingactivehingestoassistdrilling,modifyingthemuck,usingcompressedairtohelppressurebuildupandothermeasures.Theeffectsofapplyingthesemeasuresarecomparativelyobvious,withtheadaptabilityoftheearth-pressure-balancingshieldtodensesandstrataimproved.

dense sand layer;medium-sized sand;SPT blow count;shield;modification of muck;pressure buildup

2016-05-20

李旭(1984—)，男，工程師，主要從事地鐵土建施工工作。187377446@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.007

U455.43

B

1672-3953(2016)05-0023-04