程文鋒
中鐵上海工程局集團(tuán)城軌分公司 上海 200443
地鐵施工事故,對(duì)信息發(fā)達(dá)的今天,現(xiàn)已屢見(jiàn)不鮮,如道路坍塌,建構(gòu)筑物傾覆、管線破裂,甚至群死群傷等,每一次事故的發(fā)生無(wú)不時(shí)刻警醒我們工程人,要有敬畏精神,以高度的社會(huì)責(zé)任感去精細(xì)化控制風(fēng)險(xiǎn)。
隧道及地下工程施工,因?yàn)槭┕すに嚨木窒扌?、地質(zhì)水文的差異性、施工條件的復(fù)雜性等,存在眾多的不確定性和不可知性,使得地鐵施工不可避免地存在諸多風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,其中盾構(gòu)機(jī)在承壓水粉細(xì)砂層中始發(fā)、接收、乃至掘進(jìn)即是目前最常見(jiàn)、最兇險(xiǎn)、最不易控制的一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn),一旦控制失效,涌水涌沙,仍及更大的事故。
目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)機(jī)在各類承壓水粉細(xì)砂層中始發(fā)、接收的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究比較多,可以說(shuō)是俯拾即是,而在全封閉空間、地面措施受限、加固失效首發(fā)失利情況下,二次始發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)的研究則不多,如盲目二次始發(fā),則本已失穩(wěn)的土體將持續(xù)被擾動(dòng),洞圈與盾構(gòu)機(jī)間橡膠止水簾布緊貼力將難以持續(xù)抵抗水頭壓力,終將形成空隙,即使5mm的一個(gè)孔隙,在高水頭壓力下,短時(shí)間內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生大量水土流失,沉降將難以控制,從而造成塌陷事故。因此,實(shí)施“全封閉空間條件下,承壓水地層盾構(gòu)機(jī)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)”的研究具有重要意義,可為今后類似工程提供一定參考。
某城市地鐵標(biāo)段一區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)端正位于繁忙主干道下方,始發(fā)車站為全封閉三層換乘車站(另一換乘地鐵線正運(yùn)營(yíng)中),周邊重大建(構(gòu))筑物林立,各類管線交錯(cuò)疊加。始發(fā)端隧道埋深約17.5m,掘進(jìn)全斷面處于富含承壓含水層的④2a粉土夾粉砂層,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極易發(fā)生突水涌砂,軟土層土體較軟結(jié)構(gòu)易破壞。
考慮到地面不具備加固條件,結(jié)合這類地層,設(shè)計(jì)盾構(gòu)始發(fā)端土體加固為洞內(nèi)水平凍結(jié)法,加固范圍呈“杯型”,杯底厚約3.5m,杯壁厚2m。隧道采用一臺(tái)直徑6340mm海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)。
盾構(gòu)機(jī)在站內(nèi)完成調(diào)頭始發(fā)后,凍結(jié)加固區(qū)掘進(jìn)緩慢,洞門(mén)簾幕板與盾體間不斷有小股渾濁水射出,壓力尚可,后通過(guò)注聚氨酯、雙液漿等臨時(shí)封堵,但每復(fù)推則再次滲漏。
在始發(fā)39小時(shí)后,或受凍結(jié)壁融化或盾構(gòu)掘進(jìn)多次干擾的影響,洞門(mén)簾幕板與盾體間出現(xiàn)多股直徑5-8cm涌水涌沙通道,射程達(dá)2m,涌水通道壓力有加大趨勢(shì),水土流失較多,形勢(shì)危急,后經(jīng)努力及時(shí)封堵住,暫停施工,待確定二次始發(fā)方案后再行掘進(jìn)。此時(shí),盾構(gòu)機(jī)體進(jìn)入土體約6.7m,外露盾體長(zhǎng)2.20m,刀盤(pán)處于+5環(huán)。
圖1 隧道與地面環(huán)境位置關(guān)系圖
圖2 盾構(gòu)始發(fā)失利后停機(jī)位置圖
(1)要確保萬(wàn)無(wú)一失,故不得再出現(xiàn)涌水涌沙情況;
(2)要降低對(duì)周邊環(huán)境影響,故不考慮地面處理措施;
(3)要恢復(fù)周邊道路正常,故工期不宜超過(guò)20天。
(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
①受力模型。車站側(cè)墻取1m寬建模,墻面簡(jiǎn)化為兩跨連續(xù)梁。在向密封腔室內(nèi)填充聚氨酯泡沫時(shí),側(cè)墻受到由上向下的三角形荷載,荷載的遞增率為0.7KN/m(聚氨酯泡沫的密度:0.03-0.07g/cm3),則側(cè)墻底部受到的最大壓力為5.075KN/m;當(dāng)向密封腔室內(nèi)注水或漿液加壓時(shí),填充聚氨酯泡沫已發(fā)泡,對(duì)側(cè)墻基本無(wú)壓力,則整個(gè)腔室內(nèi)壁面水壓力約300KN/m2。依據(jù)覆土深度及掘進(jìn)環(huán)境等因素,盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)切口水土壓約為0.23Mpa,則密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按耐壓0.30Mpa設(shè)計(jì)。
序號(hào) 主要對(duì)比方案 方案要點(diǎn)描述可行性分析 比選情況1外圈水平再凍結(jié)加固+止水簾布板再加固密封1、利用現(xiàn)有水平凍結(jié)管繼續(xù)凍結(jié),同時(shí)補(bǔ)充加密凍結(jié)管;2、目前滲漏主因是止水簾布與盾構(gòu)機(jī)不密貼,可以考慮強(qiáng)化3、投入少,工期短;1、現(xiàn)有水平凍結(jié)管部分已破壞,難以恢復(fù)。2、二次凍結(jié)加固僅能保證外圈,掌子面前方基本沒(méi)有;/3、容易凍結(jié)住盾體,不利于二次始發(fā)。3、止水簾布底部難以加固密封否2 鋼套筒(或鋼管節(jié))盾構(gòu)始發(fā)方案1、借鑒行業(yè)內(nèi)常規(guī)鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)、接收技術(shù)理念,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際定做短節(jié)鋼套筒,填充沙土,以達(dá)到掘進(jìn)掌子面孔隙泥水與套筒內(nèi)沙土壓力平衡。2、工期長(zhǎng)約30天。1、密閉空間,場(chǎng)地井口狹小,大型材料轉(zhuǎn)運(yùn)困難;2、鋼套筒定制加工時(shí)間長(zhǎng),安裝不便、工期不滿足要求;3、套筒下部與各結(jié)構(gòu)交界面防滲漏、防水密封不好處理。否3 鋼筋混凝土密閉腔體盾構(gòu)始發(fā)方案1、借鑒行業(yè)內(nèi)常規(guī)鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)、接收技術(shù)理念,施做鋼筋混凝土密封腔;2、借助隧道管片自防水+外防水理念,采用微膨脹細(xì)石混凝土+交界面采用遇水膨脹橡膠條(或其他);3、密閉腔體填充聚氨酯堵漏材料;發(fā)射架底部滿灌細(xì)石混凝土已達(dá)到防滲漏目的。1、技術(shù)理念可行;2、結(jié)構(gòu)受力可行,防水密封可行;3、施工影響?。?、工期可行。 是
②結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。
墻板在均布荷載,剪力圖如圖4:
墻板在均布荷載的彎矩如圖5:
則均布荷載下跨內(nèi)最大彎矩:
則均布荷載下支座彎矩
(2)防水設(shè)計(jì)。
①墻體自身結(jié)構(gòu)與車站、負(fù)環(huán)管片接觸面防水:新舊混凝土接縫處除鑿毛保證接觸良好達(dá)到防水效果外,在新舊混凝土接縫處內(nèi)外兩側(cè)各粘貼一道寬24mm、厚3mm的遇水膨脹橡膠條以加強(qiáng)防水效果,鑿毛過(guò)程中內(nèi)外兩側(cè)留出粘貼遇水膨脹橡膠條寬度的空間,粘貼前清洗接縫處原混凝土表面并吹干。
②負(fù)環(huán)管片間防水。隧道從-5環(huán)開(kāi)始采用正環(huán)模式施工,止水條、彈性密封墊、遇水膨脹橡膠條等按要求使用。為進(jìn)一步提升密封效果,在環(huán)縱縫處打玻璃膠增加防水效果。
(1)在密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性檢驗(yàn)合格后向密封結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行填聚氨酯。為確保聚氨酯泡沫順利填充滿整個(gè)密封結(jié)構(gòu),在填充的過(guò)程中適當(dāng)加水,聚氨酯由上部預(yù)留孔注入腔室內(nèi),同時(shí)頂部設(shè)預(yù)留孔兼做觀測(cè)窗口,實(shí)時(shí)驗(yàn)證密封腔內(nèi)的填充效果,待密封腔內(nèi)填充飽滿以后,將頂板預(yù)留孔封閉,并預(yù)埋球閥,用于后期注水(或再注聚氨酯)建壓檢測(cè)使用。
(2)填倉(cāng)后壓力測(cè)試。密閉腔室內(nèi)填充完成后,將頂部填充口封堵,并安裝注水球閥,通過(guò)注漿管將球閥與注漿泵相連,向密閉腔室內(nèi)注水加壓壓力,注漿壓力保持不低于3bar,對(duì)各個(gè)連接部分進(jìn)行檢查,包括負(fù)環(huán)管片環(huán)向密封情況,以及新筑密封結(jié)構(gòu)與各既有結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)交界處有無(wú)滲漏。
加壓過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)有漏水情況,必須馬上進(jìn)行卸壓,并及時(shí)在滲漏處打孔注環(huán)氧砂漿或聚氨酯進(jìn)行封堵。完成后再進(jìn)行加壓,直至壓力穩(wěn)定在3bar無(wú)有漏點(diǎn)。
(1)始發(fā)時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的控制?;謴?fù)掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)速度5-8mm/min,推力控制在8000kN以下,轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)時(shí)注意刀盤(pán)扭矩、土倉(cāng)壓力的變化。在保證盾構(gòu)正常推進(jìn)的情況下,掘進(jìn)參數(shù)建議選擇總推力小于800t,刀盤(pán)扭矩小于2000KN·m,掘進(jìn)速度小于20mm/min。
(2)盾構(gòu)機(jī)尾部尚未進(jìn)入洞圈前:
①盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)不應(yīng)有明顯變化。
②保證密封結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力不能減小。
(3)盾尾過(guò)正10環(huán)后即可封堵洞門(mén)。注漿時(shí)壓力不要過(guò)大可根據(jù)計(jì)算的注漿量分幾次注漿(一般分3次),待下部初凝后,進(jìn)行中部注漿,中部初凝后,進(jìn)行上部注漿。注漿過(guò)程中要準(zhǔn)備好鋼板型鋼等物料,對(duì)漏漿的地方進(jìn)行封堵。
(4)盾構(gòu)二次始發(fā)階段施工時(shí),對(duì)盾構(gòu)設(shè)備調(diào)試、洞門(mén)的土體穩(wěn)定、洞門(mén)可能出現(xiàn)的涌泥涌沙和地面監(jiān)測(cè)等四個(gè)方面要綜合考慮,力爭(zhēng)勻速、安全始發(fā),盡早進(jìn)行洞門(mén)注漿。因此,盾構(gòu)二次始發(fā)前要準(zhǔn)備充分,出土進(jìn)料組織應(yīng)順暢,同時(shí)還應(yīng)準(zhǔn)備好應(yīng)急措施。
此次鋼筋混凝土密閉腔體輔助盾構(gòu)二次始發(fā)技術(shù)的首次成功使用,說(shuō)明該技術(shù)是安全可行的,相比
鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)更具有靈活性,尤其是適用于密閉空間,法吊裝條件缺乏情況,該法也進(jìn)一步拓寬了盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)的新方向,深入詮釋了盾構(gòu)法施工“水土平衡理念”,具有一定延伸價(jià)值。
參考改進(jìn)建議:聚氨酯間隙填料價(jià)格高昂,且具有易燃、異味、壓縮性能,不作為首先填充料,可考慮克泥效與惰性漿液替代;負(fù)環(huán)管片拼裝質(zhì)量及防水要求至關(guān)重要,務(wù)必按不低于正環(huán)管片拼裝及防水進(jìn)行加強(qiáng);后續(xù)鋼筋混凝土密閉腔體鑿除應(yīng)與柔性井接頭施工聯(lián)合考慮。