黃春來,饒偉
(中交三航(廈門)工程有限公司,福建 廈門 361006)
受地質(zhì)因素和排土方式影響,土壓平衡盾構(gòu)機在富水砂層掘進時易出現(xiàn)螺旋輸送機噴涌、地層擾動大的現(xiàn)象,造成地面沉降乃至坍塌等環(huán)境風險,在滲透系數(shù)較大的富水砂層一般適宜選取泥水平衡盾構(gòu)機進行掘進施工[1],有利于沉降控制和減少設(shè)備負荷。但由于受工程復(fù)雜地質(zhì)、周邊環(huán)境條件或造價等因素綜合影響,工程實踐往往面臨在富水砂層中采取土壓平衡盾構(gòu)機掘進施工的現(xiàn)狀[2]。
福州地鐵4 號線某盾構(gòu)區(qū)間受長度方向復(fù)雜地質(zhì)影響,采用土壓平衡盾構(gòu)機掘進施工。區(qū)間需穿越河底全斷面含泥中細砂層380 m,施工風險高,施工期間主要通過采取技術(shù)措施處理和科學管理,有效地控制了施工風險,提高了施工效率。
福州地鐵4 號線某盾構(gòu)區(qū)間長約1.56 km,隧道外徑6 200 mm,采用土壓平衡盾構(gòu)進行施工。盾構(gòu)機在掘進黏土及基巖復(fù)合地層隧道約350 m 后,下穿城市河道約380 m,盾構(gòu)區(qū)間隧道頂部距離河底13.95~18.28 m,隧道洞身范圍主要為強透水性<2-4-6>(含泥)中細砂(部分夾雜<2-4-2>淤泥質(zhì)土)。
該工程穿越段地質(zhì)具有如下特點:
1)受潮汐及地下水流動影響顯著。下穿河道為閩江分支,穿越段離閩江約750 m,兩端與閩江連通,河道水系受閩江潮汐影響,水系具有一定潮汐動態(tài)特征,水位標高為2.9(落潮)~7.3 m(漲潮)。4~9 月汛期洪水對流量、流速、水位的影響顯著。穿越段隧道隧頂至河道底部地層均為<2-4-6>(含泥)中細砂(部分夾雜<2-4-2>淤泥質(zhì)土),隔水層?。ú糠趾拥變H100 mm厚淤泥),地層地下水與河水水力聯(lián)系密切,且勘察測得該地層在隧道洞身深度地下水水平流速約0.8~2.5 m/d,存在較大的流動性。
2)<2-4-6>(含泥)中細砂地層顆粒組成中,細砂(粒徑0.075~0.25 mm)占比超過40%,最大達67%,粉粒(粒徑0.005~0.075 mm)、黏粒(粒徑≤0.005 mm)總和占比小于10%,地層滲透系數(shù)達3.5×10-2cm/s,屬強透水性地層,具有中等液化性。
由于上述地質(zhì)特點,受潮汐及地下水流動影響顯著,地層處于天然的非穩(wěn)定狀態(tài),地層粉、黏粒含量少,黏聚力小,細砂含量占比高,顆粒級配差,土壓平衡盾構(gòu)機掘進時,刀盤前方及盾構(gòu)機殼體周圍土體受擾動影響,易出現(xiàn)液化現(xiàn)象。液化砂土經(jīng)盾構(gòu)機土倉、螺旋輸送機排土通道噴涌而出,出渣量難以控制,既給盾構(gòu)機扭矩、土倉壓力等關(guān)鍵參數(shù)控制增加難度,也易造成地層較大沉降、嚴重時河水倒灌,危害成型隧道和周邊環(huán)境安全。
良好的設(shè)備密封狀態(tài)是盾構(gòu)機在富水砂層穿越河道的基礎(chǔ)。針對該工程地質(zhì)情況,工程實施前,選擇優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品對盾構(gòu)機的鉸接密封、盾尾密封系統(tǒng)進行了更換,對主軸承密封性能進行了檢測評定。
富水砂層掘進中渣土改良是控制噴涌的關(guān)鍵,只有渣土改良到位,才能保證盾構(gòu)施工的安全、順利、快速。根據(jù)本工程富水砂層地層黏粒含量低、含水量高、滲透系數(shù)大的特點,結(jié)合現(xiàn)場實際條件,采取了綜合方法進行渣土改良。
4.2.1 土倉注入膨潤土改良
由于砂層中粉粒、黏粒含量極少,為提高砂土的含泥量、補充土體的微細顆粒組分,改善顆粒級配,減小土體的內(nèi)摩擦角,增加開挖渣土的流動性和不透水性,土倉注入膨潤土溶液進行渣土改良。
膨潤土漿液采用膨潤土、純堿、CMC(陶瓷基復(fù)合材料)拌制??紤]施工成本,采用鈣基膨潤土增加適量純堿以提高泥漿指標,經(jīng)試驗比選,最終確定膨潤土溶液配比如下:膨潤土摻量10%,純堿摻量5%,CMC 摻量5‰,試驗測定泥漿黏度100 Pa·s。
通過注入膨潤土溶液,渣土黏性有明顯改善,但由于地層含水量大、透水性較高,且盾構(gòu)機膨潤土系統(tǒng)容量限制,體積注入率僅10%,改良效果有限。
4.2.2 土倉優(yōu)質(zhì)泡沫改良
泡沫作為渣土改良的常用措施,是由多種表面活性劑、穩(wěn)定劑、滲透劑和強化劑復(fù)配而成,具有發(fā)泡率高、潤滑性好、成本低和操作方便等優(yōu)點,可有效減少盾構(gòu)掘進的機械磨損、調(diào)整土體塑性流動性,降低渣土的透水性,便于螺旋輸送機內(nèi)形成土塞,有效防止噴涌發(fā)生[3]。
在采取上述土倉注入膨潤土改良渣土的基礎(chǔ)上,盾構(gòu)穿越期間通過現(xiàn)場測試增加了泡沫劑改良措施。原品牌泡沫摻入體積濃度5%,膨脹率15%,但穩(wěn)定性較差,經(jīng)對比選用了低濃度、高膨脹率、穩(wěn)定性較好的泡沫,泡沫混合液濃度2.5%,發(fā)泡倍率20 倍,注入率15%。
經(jīng)改良后,渣土的流塑性較好,除每環(huán)開始掘進時渣土較稀外,掘進過程中未發(fā)生噴涌現(xiàn)象。
4.2.3 高分子聚合物應(yīng)急渣土改良
高分子聚合物具有較強的吸水膨脹能力并可增稠,還能起潤滑作用,在土倉內(nèi)注入高分子聚合物可提高渣土的黏稠度,增強渣土的塑性。
當出現(xiàn)噴涌時,在土倉內(nèi)注入少量高分子聚合物水溶液,通過土倉攪拌棒攪拌后與渣土中水分子結(jié)合發(fā)生絮凝作用生成絮團,提高渣土稠度,防止噴涌發(fā)生。
1)土倉壓力。由于砂層富水、滲透性強,土倉壓力可按水土分算確立,分別計算側(cè)向土壓力和水壓力,土壓力控制以靜止土壓力為計算依據(jù),水壓力可近似按靜水壓力計算。掘進過程中,控制土倉壓力的波動值在0.1 MPa 以內(nèi)。
2)刀盤轉(zhuǎn)速。在富水砂層中掘進時,適當降低刀盤轉(zhuǎn)速,對減少盾構(gòu)機通過時對周圍地層的擾動、降低刀盤刀具磨耗顯得尤為重要,掘進過程中控制刀盤轉(zhuǎn)速為1.0~1.2 r/min。
3)刀盤扭矩。結(jié)合渣土改良情況,刀盤扭矩控制范圍為2 200~2 500 kN·m。拼裝工序原因停機會導致土倉渣土堆積,每環(huán)開始推進時刀盤扭矩適當偏大是正?,F(xiàn)象,隨掘進開始渣土改良劑注入和刀盤轉(zhuǎn)動次數(shù)增加,刀盤扭矩會逐漸下降至正常值,也可在每環(huán)掘進完成后適當增加膨潤土溶液注入量以降低下一循環(huán)掘進開始時的刀盤扭矩。
4)掘進速度。富水砂層掘進時盾構(gòu)掘進速度以控制合理的土倉壓力為基準,考慮減少施工擾動和便于掘進控制,掘進速度控制在25~40 mm/min。在曲線段施工時,應(yīng)適當降低掘進速度。
富水砂層含水量高,易受施工擾動,液化后穩(wěn)定性急劇下降,造成地表沉降,在施工時,需保證同步注漿量,并及時進行二次注漿。
4.4.1 同步注漿
為及時填充管片外開挖間隙,同步注漿采用盾尾4 根注漿管同步壓注,頂部兩側(cè)2 根管道的注漿量控制為底部注漿管的2 倍,總體注漿量根據(jù)下穿前試驗段積累數(shù)據(jù)總結(jié)情況確定注入率為180%。
同時,為及時穩(wěn)定地層,提高成型管片的整體穩(wěn)定性,對漿液的配合比進行調(diào)整,將原漿液初凝時間6~7 h 縮短到4~5 h。調(diào)配前后漿液配合比見表1。
表1 調(diào)配前后漿液配合比
4.4.2 二次注漿
二次注漿的主要作用為彌補同步注漿量的不足,為避免損壞盾尾密封系統(tǒng),二次注漿一般在管片脫出盾尾5 環(huán)以后進行。
漿液采用水泥-水玻璃雙液漿(體積比1∶1),其中,水泥漿水灰比為0.9~1.0,初凝時間約40~60 s,采用注漿量和注漿壓力雙控管理(其中1 項指標達到限值即停止注漿),單點單次注漿量不超過0.5 m3,注漿壓力≤0.5 MPa。
應(yīng)急方案作為危險發(fā)生時的重要管理措施,在盾構(gòu)機河底長距離富水砂層掘進時尤為重要。應(yīng)做好幾個方面的工作:
1)制定盾構(gòu)機密封系統(tǒng)發(fā)生泄漏、河底“冒頂”時的應(yīng)急處置措施,特別是風險頻率相對較高的鉸接密封和盾尾密封系統(tǒng)泄漏;
2)做好應(yīng)急方案的實操演練工作,包括物資設(shè)備的準備、操作工人的交底;
3)健全落實全天候主要領(lǐng)導值班制度。
本工程在實施期間,通過對設(shè)備的維護檢修、渣土改良方法的不斷優(yōu)化、掘進參數(shù)和注漿管控以及應(yīng)急預(yù)防等措施,使盾構(gòu)機掘進高效、安全。
1)設(shè)備管理上,穿越前邀請設(shè)備廠家對設(shè)備狀態(tài)進行了再評估,對發(fā)現(xiàn)的設(shè)備隱患及時進行了處置。
2)渣土改良方面,首先,采用了土倉單獨的注入泡沫方法進行改良,但刀盤扭矩居高不下,維持正常掘進刀盤扭矩達4 000 kN·m;結(jié)合現(xiàn)場場地條件,后采取了每環(huán)注入約4 m3膨潤土溶液改良,但螺旋輸送機出閘口渣土較稀、盾尾底部清理工作量大,影響施工進度;綜合采取正常掘進時泡沫劑和膨潤土結(jié)合改良方法,輔以高分子聚合物應(yīng)急改良措施后,渣土的流塑性較好,掘進過程中未發(fā)生噴涌現(xiàn)象。
3)盾構(gòu)掘進過程中,隨著渣土改良等措施的優(yōu)化完善,盾構(gòu)掘進參數(shù)控制難度降低,土倉壓力波動趨于合理,正常掘進刀盤扭矩下降至2 500 kN·m 以內(nèi),推進速度控制連續(xù)穩(wěn)定。
4)穿越前,對密封泄漏應(yīng)急方案組織進行了現(xiàn)場桌面演練和2 輪次的實操演練,確保應(yīng)急方案落實到位。
5)整個穿越期間,平均進度約8 環(huán)/d,地表環(huán)境變形穩(wěn)定,未出現(xiàn)河道異常情況。
土壓平衡盾構(gòu)機在河底長距離全斷面富水砂層中掘進時面臨密封磨損泄漏、螺旋輸送機噴涌、沉降控制困難等主要施工風險,福州地鐵4 號線某區(qū)間通過不斷優(yōu)化,針對設(shè)備狀態(tài)、渣土改良、掘進參數(shù)及注漿控制、應(yīng)急預(yù)案等方面采取針對性措施,有效管控了施工風險,提高了施工效率,保證了盾構(gòu)機高效、安全掘進,可為類似地質(zhì)條件下土壓平衡盾構(gòu)機掘進施工提供參考和借鑒。