泥質(zhì)粉砂巖層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

凌濤,饒永強(qiáng),楊維,熊勝,黃光,張佳華

(1.中鐵五局集團(tuán) 第一工程有限責(zé)任公司,湖南 長沙,410117;2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭,411201)

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定是盾構(gòu)施工中最重要的環(huán)節(jié),合理的參數(shù)設(shè)定能有效提高施工效率,控制地表沉降的問題以及提高隧道整體穩(wěn)定性[1-2]。雷江松[3]研究了地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工時(shí)如何有效控制地表沉降的方法;程建平[4]分析了在孤石群中的盾構(gòu)施工技術(shù)。在對單個掘進(jìn)參數(shù)研究中,顧剛等[5]分析了復(fù)合地層盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)速率的設(shè)置;魏新江等[6]探究了軟土區(qū)盾構(gòu)刀盤扭矩大小的設(shè)定。在對關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的研究中,孫捷城等[7]提出了在厚沖積地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定;寧紀(jì)維等[8]給出了在淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)掘進(jìn)的關(guān)鍵參數(shù);徐沖[9]分析了砂卵石地層泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置的要點(diǎn)。目前,針對泥質(zhì)粉砂巖層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制方面的研究相對較少。因此,本文以長沙地鐵5號線時(shí)代陽光大道站—湘府路站為工程背景,對泥質(zhì)粉砂巖層中盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了研究,旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

長沙地鐵5號線時(shí)代陽光大道站—湘府路站區(qū)間起訖里程：左線ZDK20+109.300～ZDK22+328.227,全長2 210.925 m;右線YDK20+109.300～YDK22+328.227,全長2 217.426 m。區(qū)間沿道路敷設(shè),道路寬度為46 m,雙向8車道,地面高程起伏較大,線路軌面埋深17～57 m。

1.2 地質(zhì)條件

該區(qū)段主要包含第4系土層(Q4 ml)、第3系白堊系泥質(zhì)粉砂巖、礫巖等。其中隧道主要貫穿由粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖等構(gòu)成的泥質(zhì)粉砂巖土層。區(qū)間內(nèi)勘察所揭露的上層滯水水位埋藏深度為1.00～7.20 m,相應(yīng)標(biāo)高47.17～60.70 m;孔隙承壓水穩(wěn)定水位埋深2.80～6.90 m,相應(yīng)標(biāo)高49.22～58.91 m,一般穩(wěn)定水位埋深1.80～10.70 m,相應(yīng)標(biāo)高52.04～77.62 m。

2 盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)

2.1 土壓力

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)前需確定土倉壓力值。土倉壓力P主要包括水壓力P1、靜止土壓力P2以及預(yù)備壓力P3,計(jì)算公式為[10]

其中：γ表示土體容重;wγ為水容重;H為隧道埋深;h為地下水位以下的隧道埋深;K0表示側(cè)向土壓力系數(shù),取0.44。

該區(qū)間始發(fā)段隧道平均埋深12.5 m,取隧道埋深H為13 m,水位位于隧道結(jié)構(gòu)以下,水壓力P1為0。此外,土體容重γ為19.5 kN/m3,水容重wγ為10 kN/m3。根據(jù)式(1)計(jì)算可得,始發(fā)段盾構(gòu)土倉壓力理論值P為126.5 kPa,且頂部土壓力為100.8 kPa。對土倉壓力進(jìn)行設(shè)定時(shí),考慮到施工過程中盾尾處于密封狀態(tài),同時(shí)洞門被封閉,因此,設(shè)定的土倉壓力值不能太大。為保證工程施工穩(wěn)定,將土倉壓力設(shè)定分為3個區(qū)域,逐步提高設(shè)定壓力值。(1)加固區(qū)：盾構(gòu)在加固區(qū)運(yùn)作時(shí),由于端頭需進(jìn)行縱向10 m的注漿加固措施,土倉壓力值設(shè)定不宜過高,此時(shí)設(shè)定土倉壓力值P為60～80 kPa;(2)預(yù)脫離加固區(qū)：土倉壓力值P設(shè)定范圍為80～100 kPa;(3)脫離加固區(qū)后：對土倉壓力值P進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,根據(jù)實(shí)際勘探情況設(shè)定范圍為100～130 kPa。

2.2 始發(fā)掘進(jìn)推力

目前,盾構(gòu)總推力的確定仍未得到統(tǒng)一的計(jì)算方法,一般普遍采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為[11]

上式中,Fc表示盾構(gòu)總推力;D表示盾構(gòu)直徑;Pj表示單位掘進(jìn)面推力。

2.3 推進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速

由于地質(zhì)情況對盾構(gòu)推進(jìn)速度影響較大,在對施工地層條件進(jìn)行勘探后,對推進(jìn)參數(shù)理論設(shè)定值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,一般實(shí)際設(shè)定值需大于理論值。設(shè)定參數(shù)后試掘進(jìn)10 m,以判斷參數(shù)設(shè)定是否合理,及時(shí)做出調(diào)整。在10～100 m區(qū)間使用調(diào)整后的參數(shù)值,并與0～10 m區(qū)間對比,依據(jù)實(shí)際掘進(jìn)效果,對參數(shù)進(jìn)行二次修正?？紤]到盾構(gòu)主要穿越泥質(zhì)粉砂巖土層,試掘進(jìn)始發(fā)段推進(jìn)速度初始設(shè)定5～20 mm/min,刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值最大值不超過1.0 r/min,掘進(jìn)10 m后,視掘進(jìn)情況調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

2.4 出土量

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),每環(huán)出土量[12]

其中K為出渣松散系數(shù),取1.2;d為刀盤直徑,取6 280 mm;l為管片環(huán)寬,取1 500 mm。

由計(jì)算可得,每環(huán)的出土量V為56 m3,重量為124～130 t。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),采用體積每渣斗18方、質(zhì)量雙控制系統(tǒng)。掘進(jìn)過程中作好掘進(jìn)記錄,保證每環(huán)出土量在可控范圍內(nèi)。

2.5 注漿參數(shù)

注漿是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,提高圍巖穩(wěn)定性、保障隧道安全性的重要措施。注漿壓力、注漿量等重要參數(shù)是決定注漿效果的關(guān)鍵。在盾構(gòu)開挖后,采用同步注漿手段,填補(bǔ)開挖造成的圍巖裂隙,對圍巖進(jìn)行加固,保障工程安全。但由于同步注漿本身的局限性,在部分區(qū)段注漿效果并不明顯,例如滲透系數(shù)大的地層中,同步注漿效果往往不理想。因此,在同步注漿后需對注漿效果進(jìn)行評估,確定是否采用雙漿液注漿,即二次補(bǔ)全注漿。

(1)漿液選擇。本次工程中的同步注漿使用單漿液進(jìn)行加固,在注漿效果較差的區(qū)段,使用水泥與水玻璃溶液混合配置的雙漿液進(jìn)行二次補(bǔ)全注漿。

(2)注漿壓力。注漿壓力不宜過小,應(yīng)大于土倉壓力0.6～1.0 bar,當(dāng)注漿壓力設(shè)定值太小時(shí),漿液無法有效填補(bǔ)圍巖空隙,無法達(dá)到注漿效果。同時(shí),注漿壓力不能太大,設(shè)定壓力值過大時(shí),容易對圍巖進(jìn)行二次破壞,設(shè)定值需小于盾尾油脂艙壓力。

(3)注漿量。注漿量為間隙理論容積值的1.5～1.8倍。

(4)注漿的主要指標(biāo)。膠凝時(shí)間：根據(jù)地質(zhì)情況3～10 h;固結(jié)體強(qiáng)度：按照技術(shù)要求,注漿固結(jié)強(qiáng)度在注漿當(dāng)天應(yīng)不小于0.5 MPa,在注漿后的28 d內(nèi)固結(jié)體強(qiáng)度應(yīng)大于5 MPa;漿液收縮值：根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求,固結(jié)收縮率小于5%;漿液稠度：8～12 cm;漿液比重：根據(jù)地質(zhì)勘探和圍巖特效,漿液比重控制在1.7～2.0 g/cm3之間;漿液穩(wěn)定性：傾析率小于5%。

試掘進(jìn)段長度設(shè)定為100 m,掘進(jìn)前結(jié)合式(1)～(3)對盾構(gòu)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,設(shè)定初始掘進(jìn)長度為10 m,觀察0～10 m過程中盾構(gòu)掘進(jìn)效果,并對參數(shù)的使用效果進(jìn)行評估,根據(jù)地層條件及初始掘進(jìn)情況優(yōu)化10～100 m區(qū)段的掘進(jìn)參數(shù)。其中,須設(shè)定的重要參數(shù)包括土倉壓力值、盾構(gòu)總推力、推進(jìn)速度、出土量等,如表1所示。

表1 盾構(gòu)0～100 m掘進(jìn)階段參數(shù)優(yōu)化對比

4 結(jié)論

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地質(zhì)條件密切相關(guān),在使用盾構(gòu)法開挖隧道準(zhǔn)備階段,應(yīng)先通過理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際地層情況確定土倉壓力、盾構(gòu)總推力、出土量、注漿量等重要參數(shù)。根據(jù)工程制定合理試掘進(jìn)方案,掘進(jìn)初期(0～10 m)初始設(shè)定掘進(jìn)參數(shù),觀察掘進(jìn)效果;根據(jù)0～10 m區(qū)段試掘進(jìn)情況優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)后,在10～100 m區(qū)間內(nèi)試掘進(jìn)。參數(shù)優(yōu)化目的主要是在保證隧道穩(wěn)定性的前提下,盡可能提高工程施工效率。在掘進(jìn)過程中,主要通過提高盾構(gòu)總推力、掘進(jìn)速度等重要參數(shù)來提升掘進(jìn)效率。本文以長沙地鐵5號線時(shí)代陽光大道站～湘府路區(qū)段為例,給出了泥質(zhì)粉砂巖土層中盾構(gòu)的始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化方案,可為今后類似案例提供參考。