李學(xué)軍
(中鐵隧道局集團有限公司,四川成都 610031)
盾構(gòu)法具有安全、高效、地層適應(yīng)性強等優(yōu)點,在如今的隧道區(qū)間施工中得到廣泛地應(yīng)用。成都地鐵3號線采用盾構(gòu)法施工,沿線不同區(qū)段地質(zhì)條件有著較大差異。為了提高施工效率,某標段選用了3臺土壓盾構(gòu)機(編號4~6號)進行施工。由于地層的實際特點,在已有對于富水砂卵石地層盾構(gòu)施工適應(yīng)性分析[1]的基礎(chǔ)上,對選用的盾構(gòu)機的刀盤、刀具進行了適應(yīng)性的設(shè)計,同時還為了保持盾構(gòu)通過時土體的穩(wěn)定,針對軟弱地層進行了超前預(yù)加固[2]來滿足施工要求。
本文就6號盾構(gòu)機施工為例進行介紹,首先介紹盾構(gòu)機的選用,然后再介紹采用的土體加固方法,供業(yè)內(nèi)同行參考。
經(jīng)勘察查明,在盾構(gòu)井及盾構(gòu)區(qū)間鉆探揭露深度范圍內(nèi),場地土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)組成。隧道穿越地層主要為砂卵石地層[3]及泥巖地層。區(qū)間內(nèi)不良地質(zhì)為液化砂土和粉土,特殊性巖土為人工填土(圖1)。
6號盾構(gòu)掘進長度2 656.717m(含長、短鏈)。隧道曲線半徑在300~450m之間,最大坡度為27 ‰。
圖1 6號盾構(gòu)通過地層
根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料、場地土層及地下水的賦存條件,地下水主要有3種類型:一是賦存于填土里的上層滯水;二是賦存于卵石層的孔隙潛水;三是基巖裂隙水。
通過對工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的分析,可以看出其對施工存在一定的影響[4]。
(1)盾構(gòu)經(jīng)過區(qū)段,主要為第四系土,由于第四系沉積物形成較晚,大多未膠結(jié),結(jié)構(gòu)比較松散,屬于軟弱地層,這對于施工過程中地層穩(wěn)定性有一定的影響。
(2)地層主要由砂卵石土層和泥巖組成,而砂卵石以稍密~密實為主,局部松散,自穩(wěn)能力差;泥巖主要包括中風(fēng)化和強風(fēng)化泥巖兩種,都是極軟巖,并且中風(fēng)化泥巖遇水易軟化。
(3)成都地區(qū)地下水豐富,在雨季地下水一般在3.0~4.0m,砂卵石地層滲透系數(shù)一般為18~25m/d,滲透系數(shù)大,施工時泥巖軟化會產(chǎn)生隱患。在換刀位置,需對砂卵石進行袖閥管注漿加固,但由于地下水流動性大和砂卵石的孔隙率大的特點,導(dǎo)致漿液(單液漿、雙液漿)無法有效凝固,影響地層固結(jié)效果。
(4)卵石層中卵石含量一般在60 %~70 %之間,粒徑以2~15cm為主,最大粒徑達20cm。盾構(gòu)掘進時,大顆粒切削或者破碎困難,加上砂卵石在掘進時與刀盤、刀具,輸送設(shè)備以及密封艙內(nèi)壁摩擦?xí)a(chǎn)生較大的設(shè)備磨損,致使長距離掘進面臨較大困難。
鑒于成都地區(qū)的地層有著較大的滲透性,從經(jīng)濟性和地層適應(yīng)性方面考慮,最后決定選擇中鐵27號土壓平衡式盾構(gòu)機。
在施工過程中,為了增強盾構(gòu)機的適應(yīng)性,提高施工質(zhì)量,進行了盾構(gòu)機小范圍的適應(yīng)性改造,改造后主要性能參數(shù)如表1。
2.2.1 刀盤
2.2.1.1 刀盤形式
輻條式刀盤易于控制土壓力、刀盤扭矩小、設(shè)備磨損相對較小,但是對于掌子面的支撐??;面板式刀盤雖然能對掌子面能起到很好的支撐作用,但是與土層摩擦力較大需要較大的扭矩,設(shè)備磨損較大。施工區(qū)域?qū)儆谲浫醯貙樱奥咽c刀盤摩擦大,掌子面的自穩(wěn)定性差,單一輻條式和面板式刀盤并不能滿足施工要求。選用輻板式刀盤最為合理,兼具二者的優(yōu)點。刀盤主要由四個主刀梁和四個短刀梁及外圈梁組成,前面板和外圈梁含有耐磨層,保護刀盤本體,結(jié)構(gòu)如圖2。
表1 土壓式盾構(gòu)機改造后參數(shù)
圖2 刀盤結(jié)構(gòu)
2.2.1.2 刀盤開口
已有研究表明[5],隨著盾構(gòu)的開口率增大,刀盤扭矩減小,土倉壓力增大,因此在進行開口率設(shè)計時當(dāng)選擇一個合適值,不應(yīng)過大也不應(yīng)過小。對于砂卵石地層,盾構(gòu)機刀盤整體開口率一般設(shè)計為38 %~41 %。
為了避免在施工過程中形成泥餅,在中心部位留有合適的開口以防止刀盤中心泥餅,但大面積的開口布置在刀盤外環(huán)周邊,共有12個開口,每個方向旋轉(zhuǎn)時可有6個有效的進碴口以滿足敞開模式掘進時的進碴需求。
2.2.2 刀具
根據(jù)刀具各自的特點,盾構(gòu)機刀具采用了5把雙聯(lián)中心滾刀,31把單刃滾刀,40把切刀和32把刮刀。配置中心滾刀用于大直徑卵石顆粒的粉碎;切刀是主刀具,開挖大部分斷面;刮刀開挖周邊土體,保證開挖直徑。大量刀具的配置,可以減小開挖所需的刀盤扭矩。
在進行刀具布置時,考慮到對刀具的保護。邊刀采用大傾角(70 °)布置,以便增大刀體與開挖面的距離,減少塊狀碴土對刀體的額外附加荷載以減少滾刀軸承荷載,使軸承荷載盡可能用于刀刃。刀盤外環(huán)所有刀具均設(shè)計有刀體保護塊,以便排開刀盤底部存留碴土,避免其對刀體的附加荷載及損壞。
施工區(qū)間的地層屬于第四系軟弱巖層,在加上地下水豐富,地下水對于泥巖具有軟化作用,施工條件不易滿足。需要配以相應(yīng)的土體加固措施,來輔助盾構(gòu)推進,保證盾構(gòu)通過時地層要求。
利用管棚鉆機在隧道拱頂區(qū)域鉆設(shè)注漿孔,打設(shè)超前支護鋼管,并進行注漿固結(jié)地層,使隧道拱頂預(yù)先形成保護帶。此結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪功能可有效承載局部松馳的地層荷重,適時提供隧道盾構(gòu)露出刀盤、無法及時注漿或補充注漿前這一空當(dāng)所需的支撐力,使地表得以穩(wěn)定安全,從而保證盾構(gòu)施工。
在本次掘進中,鉆孔采用跟管鉆機,管棚采用φ108mm,壁厚6mm的無縫鋼管,分節(jié)安裝。管棚分節(jié)為3m×2+4m=10m。兩節(jié)之間采用螺紋連接,螺紋段長大于150mm,相鄰兩根鋼花管的接頭要錯開,錯開長度不小于1.0m。注漿鋼管上鉆注漿孔,孔徑φ10mm,孔間距200mm,呈梅花型布置。鋼管尾部2.0m不鉆孔作為止?jié){段,注漿采用水泥漿液。管棚地層加固如圖3所示。
高省區(qū)間左線1 142.343m,右線1 149.459m。地質(zhì)條件主要為全斷面砂卵石地層。實現(xiàn)無換刀完成掘進任務(wù)。創(chuàng)造了成都地區(qū)砂卵石地層無換刀掘進長度的新紀錄。
成都地鐵3號線修建區(qū)間在施工時,對盾構(gòu)機進行了適應(yīng)性改造,并且輔以相應(yīng)的土體加固措施來保證施工,以提高效率和質(zhì)量。通過對6號盾構(gòu)機改造以及取得良好的施工效果,可以得出以下結(jié)論。
圖3 管棚地層加固示意(單位:mm)
(1)刀盤開口率設(shè)計要根據(jù)實際土層情況進行選擇,綜合考慮土倉壓力、刀盤扭矩和泥餅防治等因素。
(2)輻條式刀盤和面板式刀盤各有優(yōu)劣,當(dāng)單一式難以滿足施工要求時,可以選用兼具二者優(yōu)點的輻板式刀盤。
(3)刀具配置方面,大量刀具的設(shè)計能在一定程度上減小掘進所需的刀盤扭矩。
配置一定數(shù)量的中心滾刀,可以保證大顆粒卵石的破碎,避免盾構(gòu)機卡殼。同時邊刀的大角度布置起到了保護刀具的作用。
(4)對于軟弱地層而言,配以相應(yīng)的土體加固措施十分必要。