大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工控制策略

趙旭偉

(1. 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，200070，上海；2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都 ∥ 高級(jí)工程師)

卵漂石是指一種以漂石、卵石、礫石為主，含有砂土及少量黏性土的松散粗碎屑堆積物。我國(guó)沖積層與洪積層地區(qū)，以及江河沿岸廣泛分布砂卵石地層和卵漂石地層，如成都市域全境，沈陽(yáng)、北京市域大部，蘭州、廣州、武漢、南京、深圳市域局部。

卵漂石地層具有離散性、強(qiáng)透水性、高磨耗性等特點(diǎn)，盾構(gòu)施工時(shí)易出現(xiàn)掘進(jìn)失控(如開挖面失穩(wěn)、地面塌陷、盾構(gòu)機(jī)“卡死”)、機(jī)具磨損失效(如刀具磨損、螺旋輸送機(jī)主軸斷裂)等現(xiàn)象，這將會(huì)誘發(fā)重大工程事故。因此，極有必要開展卵漂石地層盾構(gòu)施工控制研究[1]。

成都地鐵4號(hào)線穿越大漂石高富水地層，施工過(guò)程中出現(xiàn)了多起地面塌陷、盾構(gòu)機(jī)卡死等事故。針對(duì)此類問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]以成都地鐵1號(hào)線為背景，從地質(zhì)、設(shè)備選型和施工工藝等方面分析了地層坍塌的原因。文獻(xiàn)[3]建立了考慮刀盤切削土體的刀盤扭矩計(jì)算方法，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]在分析影響盾構(gòu)刀盤扭矩因素的基礎(chǔ)上，提出了考慮渣土改良劑和土艙內(nèi)外壓力差的刀盤扭矩計(jì)算方法。文獻(xiàn)[5]考慮進(jìn)出土平衡關(guān)系，建立了螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法來(lái)控制地表變形。文獻(xiàn)[6]對(duì)成都砂卵石地層不同邊界條件下的地表沉降規(guī)律做了系統(tǒng)研究。

成都地鐵4號(hào)線穿越地層相較于成都地鐵1號(hào)線漂石含量更高、粒徑更大，室內(nèi)模型試驗(yàn)難以模擬原狀土層的性質(zhì)[7]，因此，大漂石地層盾構(gòu)施工控制有待進(jìn)一步研究。本文以成都地鐵4號(hào)線某區(qū)間為試驗(yàn)段，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)的典型問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出大漂石地層盾構(gòu)施工控制策略，以期對(duì)類似地層盾構(gòu)施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

成都地鐵4號(hào)線主要穿越全新統(tǒng)沖積層Q4和上更新統(tǒng)Q3。第四系全新統(tǒng)Q4〈2-9〉和上更新統(tǒng)Q3〈3-8〉卵石土中水量較豐富，主要為具微承壓性的孔隙潛水。全新統(tǒng)沖積層Q4主要由灰色砂及砂礫卵石構(gòu)成，上更新統(tǒng)Q3由卵石土夾粉細(xì)砂構(gòu)成，且局部地段漂石富集。試驗(yàn)段地下水主要為孔隙潛水，賦存于砂、卵石土中，地層滲透系數(shù)大，含水量豐富，含水層總厚度大于30 m，其補(bǔ)給源主要為大氣降水，區(qū)間水位埋深為5.6～8.0 m。試驗(yàn)段主要穿越〈2-9-2〉和〈3-8-3〉層卵石土。

根據(jù)試驗(yàn)段漂石強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，漂石天然密度為2.7 g/cm3；漂石天然抗壓強(qiáng)度為40～200 MPa，個(gè)別達(dá)到299 MPa。由于漂石單體抗壓強(qiáng)度高、分布離散、破碎難度大，因此施工過(guò)程中易出現(xiàn)刀盤“卡死”、刀具磨損嚴(yán)重或滾刀崩裂等現(xiàn)象。根據(jù)地勘報(bào)告，卵漂石地層內(nèi)摩擦角較大，達(dá)到35°～40°，且滲透性較強(qiáng)。由于卵漂石內(nèi)摩擦角大且缺少細(xì)顆粒，在富水條件下渣土流動(dòng)性差，改良難度大。試驗(yàn)段地層顆粒級(jí)配曲線呈斜L型分布，卵漂石含量為70%～90%，其余為圓礫、砂充填；顆粒級(jí)配曲線不均勻系數(shù)Cu=152.4，曲率系數(shù)Cc=30.3；整個(gè)土層細(xì)顆粒含量較少，土層級(jí)配不良，渣土改良難度大。圖1為土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中開倉(cāng)取出的大漂石。

圖1 試驗(yàn)段大粒徑漂石

1.2 漂石分布特征

為了保證施工安全及施工效率，施工前沿線路縱向布置了8個(gè)探坑,以詳細(xì)了解線路沿線地質(zhì)情況。圖2為試驗(yàn)段探坑典型斷面圖。

圖2 試驗(yàn)段探坑典型斷面圖

1.2.1 隧道穿越段沿線路走向漂石分布特征

隧道埋深主要集中在10～20 m范圍內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，采用漂石和其他土顆粒體積之比描述漂石的分布特征。從整體上來(lái)看，由西向東漂石含量具有越來(lái)越低的特征。

1.2.2 隧道穿越段沿線路走向最大粒徑漂石分布特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察揭示，最大漂石粒徑沿線路縱向呈波浪形變化趨勢(shì)，漂石分布具有不均勻性、隨機(jī)性的特性，漂石粒徑大多為35～40 cm，最大漂石粒徑達(dá)110 cm，這對(duì)盾構(gòu)選型及施工安全提出了諸多挑戰(zhàn)。

1.2.3 隧道穿越段沿線路深度方向漂石分布特征

漂石主要集中在地面下10～20 m。在隧道穿越區(qū)段，漂石粒徑大多為30～40 cm，占總量的70%～90%；粒徑大于40 cm的漂石較少，占總量的3%～7%。這無(wú)疑增加了施工難度。

2 大漂石高富水地層盾構(gòu)施工典型問(wèn)題

2.1 漂石粒徑大、強(qiáng)度高、含量高是施工過(guò)程易卡機(jī)的直接原因

試驗(yàn)段盾構(gòu)穿越地層卵漂石含量一般為70%～90%，漂石粒徑主要集中在30～40 cm范圍內(nèi)，最大粒徑達(dá)110 cm；漂石平均抗壓強(qiáng)度為180 MPa，個(gè)別漂石抗壓強(qiáng)度達(dá)到299 MPa。這種大粒徑、高強(qiáng)度漂石卡在刀盤開口處不能順利進(jìn)入土艙，且隨著刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而不能被破碎，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中容易造成刀盤扭矩加大，甚至導(dǎo)致刀盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而出現(xiàn)卡機(jī)故障(見圖3 a))，更甚者由于大漂石不能及時(shí)排除而造成螺旋輸送機(jī)主軸斷裂(見圖3 b))；盾構(gòu)施工中由于停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，在富水環(huán)境下松散的土體顆粒變得密實(shí)，會(huì)使刀盤扭矩進(jìn)一步加大造成盾構(gòu)“卡死”；另外，渣土改良失效，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)困難也是刀盤“卡死”故障的原因之一。

圖3 土壓平衡盾構(gòu)故障

2.2 漂石強(qiáng)度高及渣土改良效果差是刀具磨損嚴(yán)重的主要誘因

圖4為盾構(gòu)施工過(guò)程中更換下的刀具。由于漂石的抗壓強(qiáng)度較高、粒徑較大且細(xì)顆粒含量較少，大漂石區(qū)段渣土改良一直處于嘗試階段，渣土改良效果較差，刀具磨損嚴(yán)重。圖5為盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)排出的渣土。

圖4 盾構(gòu)施工過(guò)程中更換下的刀具

圖5 盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)排出的渣土

2.3 施工過(guò)程易超挖是造成地面塌陷的直接因素

超挖量ΔV是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中每環(huán)實(shí)際出土量Vr與理論出土量Vth的差值。Vth計(jì)算時(shí)考慮刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致土體顆粒松散的松散系數(shù)。則有：

ΔV=Vr-Vth

(1)

(2)

式中:

D1——隧道開挖直徑，m;

D2——隧道設(shè)計(jì)直徑，m；

η——土體顆粒的松散系數(shù)，卵石土取1.2；

L——管片寬度，取1.5 m。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)段左、右線640環(huán)的出土情況。結(jié)果顯示，卵漂石地層盾構(gòu)施工超挖量較大，左線每環(huán)最大超挖量為49 m3，右線每環(huán)最大超挖量高達(dá)80 m3，證明卵漂石地層盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中出土量控制較為困難。由于施工控制難度較大，施工過(guò)程中地面多次發(fā)生較大變形，甚至塌陷，通常采用地面補(bǔ)填混凝土和砂的辦法解決，局部地段補(bǔ)填體積高達(dá)幾百立方。這不僅嚴(yán)重影響了施工文明，且增加了施工工期與成本。圖6為成都地鐵某區(qū)段盾構(gòu)施工過(guò)程中地面坍塌的典型情況。

圖6 成都地鐵某區(qū)段盾構(gòu)施工引起的地面坍塌

另外，卡機(jī)脫困清艙導(dǎo)致渣土涌入，渣土中的大漂石因不能被破碎而進(jìn)入土艙，并隨著盾構(gòu)推進(jìn)在刀盤前方轉(zhuǎn)動(dòng)。其中漂石含量分布的差異性和隨機(jī)性也會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)施工參數(shù)控制困難，進(jìn)而超挖造成出土過(guò)量，并引起地面塌陷。

從施工環(huán)境看，雖然卵漂石地層中土體顆粒之間的咬合作用具有成拱能力，但富水地層受擾動(dòng)后細(xì)顆粒被帶走，顆粒膠結(jié)作用減弱，在刀盤切削擾動(dòng)后，土拱穩(wěn)定性減弱，也會(huì)造成地面較大滯后變形。

3 大漂石高富水地層盾構(gòu)施工控制策略

要解決大漂石高富水地層盾構(gòu)施工過(guò)程中面臨的“卡”、“磨”、“塌”等問(wèn)題，關(guān)鍵要從施工機(jī)械和施工參數(shù)兩方面入手進(jìn)行控制。合理選擇施工機(jī)械可以從源頭上有效控制施工過(guò)程中刀盤易卡、刀具易磨的問(wèn)題，合理選擇施工參數(shù)可以有效控制施工過(guò)程中地面易塌陷的問(wèn)題。

3.1 盾構(gòu)機(jī)選型

試驗(yàn)段左線采用海瑞克盾構(gòu)機(jī)，刀盤開口率為36%；右線采用遼寧三三盾構(gòu)機(jī)，刀盤開口率為34%。這兩種盾構(gòu)機(jī)均為復(fù)合式刀盤，螺旋輸送機(jī)直徑和最大排渣粒徑基本相同。最大的區(qū)別主要體現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)力配置上，海瑞克盾構(gòu)機(jī)的額定扭矩為6 228 kNm，脫困扭矩為7 447 kNm；遼寧三三盾構(gòu)機(jī)的額定扭矩為 6 850 kNm，脫困扭矩為8 320 kNm。

從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，初步施工階段右線盾構(gòu)卡機(jī)次數(shù)和超挖量相較于左線要少。圖7為施工穩(wěn)定后第400環(huán)至第600環(huán)左、右線超挖統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖7可知，右線超挖量明顯少于左線。經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，盾構(gòu)機(jī)在大漂石高富水地層中掘進(jìn)的平均扭矩約為 6 000 kNm, 平均脫困扭矩大于7 300 kNm。考慮1.1倍的儲(chǔ)備系數(shù)，建議大漂石地層中盾構(gòu)施工采用動(dòng)力配置較高的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)，即額定扭矩大于6 600 kNm，脫困扭矩大于8 030 kNm。

圖7 試驗(yàn)段左、右線施工穩(wěn)定時(shí)超挖量對(duì)比圖

3.2 超挖量控制

文獻(xiàn)[8-9]推薦將水土壓力與波動(dòng)壓力之和作為土艙壓力的設(shè)定值，建議波動(dòng)壓力取0.01 MPa。文獻(xiàn)[10]在總結(jié)歐洲多個(gè)工程案例的基礎(chǔ)上，認(rèn)為波動(dòng)壓力取 0.02 MPa較為合適。文獻(xiàn)[11]采用將土艙壓力pt與開挖面靜止水土壓力p0之差Δp控制在0.03 MPa的范圍來(lái)控制超挖，即：

Δp=|pt-p0|≤0.03 MPa

(3)

p0=pz+pw

(4)

式中：

pz——開挖面靜止土壓力，MPa；

pw——開挖面靜止水壓力，MPa。

假設(shè)Δp和超挖率β間滿足線性關(guān)系，即：

β=αΔp

(5)

式中：

α——斜率系數(shù)，α=50/E，E為盾構(gòu)穿越地層的變形模量。

計(jì)算中，Δp取 0.03 MPa，E加權(quán)平均后的量綱一的量值為45，代入式(5)得到β為3.3%，即每環(huán)超挖量控制在0.995 7 m3左右。

圖8為盾構(gòu)施工第480環(huán)至第640環(huán)范圍時(shí)的推薦超挖率與實(shí)際超挖率對(duì)比直方圖。由圖8可知，推薦超挖率與第480環(huán)后現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)控制下的實(shí)際超挖率基本吻合，從而驗(yàn)證了該計(jì)算結(jié)果的合理性。

圖8 推薦超挖率與實(shí)際超挖率對(duì)比直方圖

圖9為控制超挖后的現(xiàn)場(chǎng)地表補(bǔ)填混凝土情況。從現(xiàn)場(chǎng)施工效果來(lái)看，由于施工過(guò)程中超挖的合理控制，第469環(huán)后約160環(huán)掘進(jìn)范圍內(nèi)地表基本未進(jìn)行補(bǔ)填，這也說(shuō)明了合理控制超挖對(duì)控制地層變形具有良好的作用。

圖9 控制超挖率后施工效果

4 結(jié)論

1) 盾構(gòu)穿越大漂石高富水地層容易造成“卡機(jī)”，渣土改良效果差是刀具磨損嚴(yán)重的主因，盾構(gòu)脫困過(guò)程中出土量較難控制是地面塌陷的主因。

2) 建議大漂石地層盾構(gòu)施工采用動(dòng)力配置較高的復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)，即額定扭矩大于6 600 kNm，脫困扭矩大于8 030 kNm。

3) 建議大漂石地層盾構(gòu)刀盤開口率不小于33%，盾構(gòu)施工過(guò)程中每環(huán)超挖率控制在3.3%左右。