鋼套筒平衡技術(shù)在泥水平衡盾構(gòu)出洞工程中的應(yīng)用

伍偉林 王呼佳 高 鯤 鄒 育

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司,610031,成都;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室,510641,廣州∥第一作者，工程師)

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鋼套筒平衡技術(shù)在泥水平衡盾構(gòu)出洞工程中的應(yīng)用

伍偉林1王呼佳1高 鯤1鄒 育2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司,610031,成都;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室,510641,廣州∥第一作者，工程師)

鋼套筒結(jié)合端頭加固輔助盾構(gòu)始發(fā)已廣泛于隧道建設(shè)中,但在高水壓、復(fù)雜地質(zhì)等環(huán)境下,端頭加固效果不佳,且現(xiàn)有的鋼套筒輔助始發(fā)技術(shù)不成熟,存在較高的風(fēng)險。在廣州13號線一期工程南崗站—溫涌路站區(qū)間中,針對始發(fā)端超高水壓、周圍管線和房屋密集等復(fù)雜環(huán)境條件,通過對鋼套筒關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析及改進(jìn),在無端頭加固的條件下,采用泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)。工程實踐表明,此工法取得了較為理想的效果。

地鐵隧道; 泥水平衡盾構(gòu); 鋼套筒; 盾構(gòu)始發(fā)

First-author′s address China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu，610031,China

盾構(gòu)法因地層適應(yīng)性強(qiáng)、自動化程度高、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保等特點,廣泛應(yīng)用于地下工程。盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)是盾構(gòu)工法中主要施工工序之一,也是盾構(gòu)施工中最易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)[1]。特別是在軟弱富水飽和粉砂層地質(zhì)中,涌水涌砂等重大事故更容易發(fā)生。如南京地鐵2號線元通站盾構(gòu)到達(dá)事故,造成盾構(gòu)機(jī)被埋，導(dǎo)致已完成隧道受損150 m,地面坍陷[2]。

針對盾構(gòu)進(jìn)出洞的自身風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險,通常采用地面垂直、洞內(nèi)水平等加固方式。但對于盾構(gòu)井端頭較厚淤泥、砂層等不良地層、盾構(gòu)井埋深大,承壓水頭大、地面加固場地受重要管線及建構(gòu)筑物影響等情況,采用一般的加固方法很難保證盾構(gòu)進(jìn)出洞安全,且工程投資較大、工期長[3]。因此,需要尋求一種新型加固方式,既能適應(yīng)復(fù)雜地層保證安全又不受加固區(qū)域條件限制,且具備良好的經(jīng)濟(jì)性。

鋼套筒輔助始發(fā)和接收很好的解決了盾構(gòu)進(jìn)出洞的難題。例如,南寧地鐵1號線某盾構(gòu)區(qū)間受端頭燃?xì)夤艿赖挠绊憻o法進(jìn)行地面加固,因而采用土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒始發(fā);廣州地鐵2、8號線南延線某區(qū)間由于管線遷改、場地移交及工期緊張等問題,泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)洞采用盾構(gòu)機(jī)站內(nèi)鋼套筒接收與端頭地面素混凝土連續(xù)墻加固相結(jié)合的盾構(gòu)機(jī)到達(dá)新工法[4-5]。但現(xiàn)有鋼套筒都是作為輔助系統(tǒng),必須結(jié)合端頭加固措施來保證安全。

本文以廣州地鐵13號線一期工程南崗站—溫涌路站區(qū)間22#盾構(gòu)井出洞為依托,針對始發(fā)端超高水壓及周邊房屋、管線密集等復(fù)雜環(huán)境條件,通過對鋼套筒始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn),成功地在無端頭加固的條件下完成泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒平衡始發(fā)。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

廣州地鐵13號線南崗站—溫涌路站區(qū)間隧道位于增城市新塘鎮(zhèn)新塘大道西新墩村段。盾構(gòu)井南北兩側(cè)為3～6層居民樓,居民樓較為密集,與盾構(gòu)井平面距離約7～9 m。盾構(gòu)井附近存在密集的燃?xì)夤芎臀鬯?與盾構(gòu)井平面距離約1～3 m。風(fēng)井的車站起訖里程為YDK52+449.900-YDK52+506.000(ZDK52+458.635～ZDK52+514.735),基坑長度為56.1 m,寬度為24.9 m,基坑開挖深度約27.8～30.4 m,頂板埋深約3.6 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1 000 mm厚地下連續(xù)墻+4道鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)。采用2臺泥水平衡盾構(gòu)從22#盾構(gòu)井小里程端始發(fā),向南崗站掘進(jìn)。

1.2 地質(zhì)條件

(1) 工程地質(zhì)條件。盾構(gòu)始發(fā)端的地質(zhì)情況自上而下分別為素填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、中粗砂、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、中粗砂、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化混合花崗巖層、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層、中風(fēng)化混合花崗巖層。區(qū)間隧道主要穿越淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層。隧道洞身范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層。且拱頂存在約2 m淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層。

(2) 水文地質(zhì)條件。場地地貌上屬于海陸交互相沉積地貌。揭露第四系地層為人工填土層,海陸交互相沉積層及殘積層,基巖為震旦系混合花崗巖和燕山期花崗巖。地下水位的變化受地形地貌和地下水補(bǔ)給來源等因素控制?？辈炱陂g揭露沿線地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為5.74～5.86 m。始發(fā)端水位標(biāo)高約為5.80 m。

2 工程難點分析

由于22#盾構(gòu)井盾構(gòu)始發(fā)端覆土較厚(約19 m),水位較高(約17 m),地質(zhì)情況差,管線遷改造價高且十分困難,地面垂直加固方案難以進(jìn)行。故此區(qū)間始發(fā)端頭采用傳統(tǒng)的加固方式[6],存在以下風(fēng)險:

(1) 土體失衡風(fēng)險。為避免盾構(gòu)機(jī)擊穿密封簾板，其掘進(jìn)壓強(qiáng)應(yīng)不超過120 kPa。始發(fā)時實際以欠壓的狀態(tài)掘進(jìn)。由于盾構(gòu)機(jī)覆土厚度較大,且盾構(gòu)始發(fā)時欠壓掘進(jìn),壓差較大,故容易引發(fā)土體大范圍沉降、坍塌。而且基坑周邊建筑物較多,存在土體坍塌和房屋沉降破壞的風(fēng)險。

(2) 滲漏風(fēng)險。盾構(gòu)機(jī)通過密封簾板的過程中,在簾板包裹盾構(gòu)機(jī)筒體到包裹管片過程轉(zhuǎn)換的瞬間,由于洞門壓板不同步,管片與洞門間存在縫隙,極易滲漏水。由于地層中存在粉細(xì)砂層,土的流動性大,故滲水通道可能瞬間形成。這將是致命的,后果難以挽回。

3 鋼套筒平衡始發(fā)技術(shù)重點

鋼套管平衡始發(fā)原理為鋼套筒下井組裝，再平移到洞門位置后與洞門連接,將盾構(gòu)安裝在鋼套筒內(nèi);然后,在鋼套筒內(nèi)填充回填物并密封鋼套筒,保持鋼套筒內(nèi)部的水土壓力與隧道埋深位置的水土壓力平衡,使盾構(gòu)機(jī)在破除洞門前建立水土平衡環(huán)境。這樣始發(fā)等同于常規(guī)掘進(jìn),從而避免了盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過程中因欠壓或滲漏而出現(xiàn)塌方的情況。

雖然國內(nèi)已有土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒平衡始發(fā)與到達(dá)、泥水盾構(gòu)鋼套筒平衡達(dá)到工程實例；但本項目中的泥水盾構(gòu)鋼套筒平衡始發(fā)屬于國內(nèi)首例,尚需解決如盾構(gòu)機(jī)防扭轉(zhuǎn)、鋼套筒接縫密封及套筒內(nèi)填料等一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.1 洞門處圍護(hù)結(jié)構(gòu)處理

由于盾構(gòu)井南北兩側(cè)居民樓與盾構(gòu)井平面距離最近的僅7 m,盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)過程中需保證居民樓的安全穩(wěn)定性。盾構(gòu)始發(fā)時需要鑿除洞門,在此過程中由于切除圍護(hù)結(jié)構(gòu)而使開挖面處于暴露狀態(tài),容易引起周圍地面沉降和周圍居民樓的變形。在22#盾構(gòu)井東西端洞門7.5 m范圍的大槽段,圍護(hù)結(jié)構(gòu)用玻璃纖維筋替代鋼筋[7],并在盾構(gòu)始發(fā)時直接以盾構(gòu)機(jī)刀盤對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切削,利用盾構(gòu)機(jī)本身來提供對土體的抗力,以減少對地層的擾動,從而避免和減少對居民樓的影響。

3.2 盾構(gòu)機(jī)防扭轉(zhuǎn)裝置

鋼套筒平衡始發(fā)和平衡達(dá)到最大的區(qū)別在于,平衡始發(fā)扭矩大,需安裝防扭轉(zhuǎn)裝置;到達(dá)時則無需考慮盾構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題,通過底部回填砂提供摩擦反力即可防止到達(dá)段管片松動。如始發(fā)洞門處圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋,盾構(gòu)在始發(fā)時以刀盤直接破洞門,則盾構(gòu)刀盤在轉(zhuǎn)動過程中,由于瞬間扭矩較大,容易造成筒體扭轉(zhuǎn)。常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)時會在盾體兩側(cè)臨近于始發(fā)托架兩側(cè)軌道處焊接不少于2道的楔形鋼板,作為防盾構(gòu)機(jī)側(cè)滾的裝置。

由于本項目采用泥水盾構(gòu)在鋼套筒密閉始發(fā),回填砂后因泥水潤滑作用和洗艙排土作用,難以保證填砂防扭轉(zhuǎn)效果,因而采用來防正扭轉(zhuǎn)螺栓來防止盾體扭轉(zhuǎn)。該措施在盾構(gòu)筒體內(nèi)部開孔，并安裝螺栓；在盾構(gòu)磨連續(xù)墻階段將螺栓擰入筒體,卡住筒體內(nèi)軌道；待盾構(gòu)刀盤磨穿連續(xù)墻后,再將螺栓擰出筒體,從而起到防盾體扭轉(zhuǎn)的作用(如圖1所示)。

圖1 盾構(gòu)機(jī)防扭螺栓示意圖

3.3 鋼套筒密封控制

鋼套筒密封控制的主要工作內(nèi)容包括主體結(jié)構(gòu)端頭處防滲漏和構(gòu)建連接部位防滲透。

3.3.1 主體結(jié)構(gòu)端頭處防滲漏

由于防水板的隔離作用,主體結(jié)構(gòu)端頭與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間不密貼。當(dāng)鋼套筒內(nèi)壓力較大時,該部位容易發(fā)生滲漏。為減少該部位滲漏,始發(fā)及到達(dá)鋼套筒內(nèi)的填料應(yīng)調(diào)高比重,以利用高比重泥漿中的砂形成土塞效應(yīng),減少結(jié)構(gòu)滲漏。

3.3.2 構(gòu)件連接部位防滲漏

鋼套筒環(huán)向、縱向接縫,鋼套筒與洞門環(huán)板連接處,鋼套筒環(huán)梁與管片連接處,負(fù)環(huán)管片接縫處,鋼套筒與環(huán)梁連接處均易出現(xiàn)泄漏,從而導(dǎo)致土艙無法維持需要的壓力引起掌子面塌陷。為解決此問題一般采用如下措施：

(1) 鋼套筒分塊連接處均設(shè)置2道嵌入式密封圈(如圖2所示),并在分塊連接處內(nèi)側(cè)涂抹聚氨酯,以確保鋼套筒環(huán)向、縱向接縫不滲漏。

圖2 鋼套筒環(huán)、縱向接縫密封示意圖

(2) 鋼套筒與洞門環(huán)板連接處采用焊接,并在外側(cè)涂抹瀝青防滲漏。

(3) 鋼套筒環(huán)梁與管片連接處、與負(fù)環(huán)管片接縫處采用三元乙丙橡膠密封墊+遇水膨脹止水條防水。只有當(dāng)壓力測試合格后,盾構(gòu)機(jī)方能在鋼套筒內(nèi)進(jìn)行始發(fā)掘進(jìn)。

(4) 鋼套筒與環(huán)梁采用M 24×240螺栓連接,連接處均設(shè)置2道嵌入式密封圈,并在連接處內(nèi)外側(cè)涂抹聚氨酯防滲漏。

3.4 鋼套筒填料

鋼套筒內(nèi)填料分3次進(jìn)行。第1次在鋼套筒底部2根鋼軌之間鋪砂并壓實,每個位置的鋪砂高度比相應(yīng)鋼軌的高度高出15 mm,待盾構(gòu)機(jī)放去上后,進(jìn)一步壓實,確保底部砂層提供充足的防盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)摩擦反力。第2次填砂在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤面板貼近洞門掌子面后,在鋼套筒與盾構(gòu)之間的間隙內(nèi)填充砂。填料過程中應(yīng)適當(dāng)沖水并通過鋼套筒下部的排水孔排水出來,起到讓砂密實的作用。第3次填料在盾構(gòu)始發(fā)時，開啟環(huán)流,通過環(huán)流注入濃泥漿。濃泥漿的主要作用為增加泥漿攜渣能力,控制地面沉降,較高粘度和比重的泥漿有利于筒體抗?jié)B漏。

3.5 掘進(jìn)參數(shù)控制

22#盾構(gòu)井小里程盾構(gòu)始發(fā)端淤泥質(zhì)土較厚,且拱頂存在約2 m淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層,在端頭無任何加固情況下,掘進(jìn)時盡量減少對土體的擾動,以保證土體穩(wěn)定,防止因地下水土流失引起地表過大的沉降。在盾構(gòu)出洞過程中加強(qiáng)對周圍環(huán)境沉降觀測,及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)[8]。其中，由于端頭無任何加固,為了確保始發(fā)掘進(jìn)過程的相對安全,應(yīng)控制掘進(jìn)速度<5 mm/min;為了保證盾構(gòu)機(jī)正常運行,不偏離軌道,應(yīng)控制扭矩<2.5 MN·m;由于該段為砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖地層,應(yīng)控制刀盤轉(zhuǎn)速<1.5轉(zhuǎn)/min;為避免推力過大導(dǎo)致反力架變形,應(yīng)控制推力<15 000 kN;施工過程中,切口壓力的增加會影響實際推力情況。刀盤面積約為31 m2,故每增加104MPa的壓力,實際推力就折減310 kN,為加快推進(jìn)速度,減少能耗,施工過程中切口壓力的以漸進(jìn)式梯度進(jìn)行調(diào)整(如:掘進(jìn)連續(xù)墻前500 mm階段,切口壓力設(shè)定為1.2×105MPa;掘進(jìn)連續(xù)墻500～800 mm階段,切口壓力設(shè)定為1.5×105MPa,掘進(jìn)連續(xù)墻800～1 000 mm階段,切口壓力設(shè)定為2.0×105MPa。

3.6 盾構(gòu)姿態(tài)控制

鋼套筒內(nèi)徑為6 500 mm,而一般盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為6 280 mm,所以,鋼套筒在規(guī)范要求內(nèi)應(yīng)能滿足大部分盾構(gòu)機(jī)的施工要求。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),防止以割線或斜線出洞,導(dǎo)致盾尾卡死或破壞鋼套筒結(jié)構(gòu)。

盾構(gòu)出洞測量控制要點為:①在出鋼套筒時姿態(tài)控制應(yīng)要求中心線偏差控制在±2 cm之內(nèi)。②考慮裁頭現(xiàn)象,盾構(gòu)機(jī)應(yīng)略抬頭姿態(tài)。

4 周邊環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

盾構(gòu)始發(fā)過程中,為了確保施工安全,需要結(jié)合周圍環(huán)境的變形及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)或采取相應(yīng)的工程措施。對盾構(gòu)50 m范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物和地面應(yīng)進(jìn)行自動化監(jiān)測,并加大監(jiān)測頻率。右線監(jiān)測點布置如圖3所示。沿盾構(gòu)掘井方向的監(jiān)測點間距為5 m。

圖3 廣州地鐵13號線22#盾構(gòu)井右線監(jiān)測點布置

監(jiān)測點較多,故選取周圍建(構(gòu))筑物和地面中具有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制沉降曲線(如圖4所示)其中，初始位移是由22#盾構(gòu)井基坑開挖產(chǎn)生。盾構(gòu)從第2 d開始出洞,第9 d完成出洞。

圖4 部分監(jiān)測點沉降曲線

在整個盾構(gòu)出洞過程中,周圍建(構(gòu))筑物和地面都有隆起和沉降位移產(chǎn)生。在盾構(gòu)出洞期間建(構(gòu))筑物的最大隆起值為0.52 mm,最大沉降值為2.84 mm;地面的最大隆起值為1.16 mm,最大沉降值為0.40 mm。從盾構(gòu)井基坑開挖到盾構(gòu)出洞,累計最大沉降值12.1 mm(<30 mm),累計最大隆起值0.52

mm(<10 mm),滿足施工及驗收規(guī)范要求。

5 結(jié)語

在始發(fā)端超高水壓及周邊房屋、管線密集等復(fù)雜環(huán)境條件,通過對鋼套筒始發(fā)技術(shù)要點進(jìn)行研究與改進(jìn),成功地在無端頭加固的條件下完成泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒平衡始發(fā)。通過總結(jié)得出鋼套筒平衡技術(shù)具有如下優(yōu)點:

(1) 鋼套筒為裝配式結(jié)構(gòu),通過增加結(jié)構(gòu)剛度后,能夠多次使用,從而降低施工費用;且鋼套筒裝配過程中無噪音、無渣土排放,符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn),是一項綠色新技術(shù)。

(2) 鋼套筒的使用不受場地限制,對于目前地面存在重要管線,施工用地征拆困難的工程,使用鋼套筒能夠減少前期費用,且無后續(xù)管線回遷,場地恢復(fù)等費用,因而更為經(jīng)濟(jì)。

(3) 該技術(shù)能夠通過提前檢測鋼套筒的滲漏情況,只要鋼套筒不開裂、不分解,就能夠使筒內(nèi)壓力穩(wěn)定,確保盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)的安全;而傳統(tǒng)加固手段受限于目前檢測手段的局限性,端頭加固是否失效無法有效檢測,因而采用鋼套筒更為安全有效。

(4) 一般的端頭加固少則20 d，多則三四個月不等,鋼套筒的安裝周期約為14～20 d,且沒有凝期限制,極大的縮短了施工周期,因而也適用于工期緊張的盾構(gòu)出洞、進(jìn)洞工程。

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Application of Seel Sleeve Balance Technology in Slurry Balance Shield Tunneling

WU Weilin, WANG Hujia, GAO Kun, ZOU Yu

Being the auxiliary structure to shield launching, the steel sleeve in combination with wall reinforcement measures has been applied widely in tunnel construction. But wall reinforcement effect is not satisfactory and the immature technology of steel sleeve auxiliary launching has higher risks. Through analysis and improvement of the key technology, slurry balanced shield steel sleeve without wall reinforcement is applied to shield launching for a tunnel section from Nangang Station to Wenchong Station on the first-stage project of Guangzhou metro Line 13, the originating terminal of which fetures higher water pressure, dense pipelines and buildings, complex environment and so on. Practice of the project indicates that the technology has obtained ideal effect.

subway tunnel; slurry shield; steel sleeve; shield launching

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2016.09.026

2016-03-02)