風(fēng)化花崗巖地層中地鐵盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

吳敏敏 劉先行

1.中電建路橋集團有限公司，北京 100160；2.中國電建集團國際工程有限公司，北京 100036

隧道盾構(gòu)法施工在我國應(yīng)用越來越廣泛，特別在城市地鐵建設(shè)中。較之均質(zhì)地層，盾構(gòu)機在混合層中掘進，更易出現(xiàn)刀盤擁堵、刀具磨損、地層沉降、掘進效率低下等問題［1-5］，更需對盾構(gòu)機選型、泥漿配比、操作方法、施工參數(shù)等進行研究，以適應(yīng)工程實際情況。本文以新加坡地鐵湯東線T217 標段盾構(gòu)隧道在不同風(fēng)化程度花崗巖地層中的掘進施工為例，介紹了復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

該工程項目位于新加坡市中心最繁華地段，周圍有外交部和多個國家駐新加坡大使館。主要工程包括一個地下車站，兩條長約750 m 的地鐵隧道以及聯(lián)絡(luò)通道、逃生井等。地下車站位于納比雅路—克倫尼路交叉口，盾構(gòu)隧道下穿東陵區(qū)居民區(qū)，施工過程中安全、環(huán)保、噪聲、地面沉降等要求嚴格。

地鐵隧道始發(fā)時為上下重疊式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗狡叫惺降诌_下一車站。下層隧道稱為北向隧道，上層隧道稱為南向隧道。

隧道穿越地層巖性為花崗巖。根據(jù)新加坡規(guī)范SS CP4：2003《基礎(chǔ)工程實施準則》，隧址區(qū)花崗巖按風(fēng)化程度可分為新鮮或弱風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、高度風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖和殘積土六個等級。其中全風(fēng)化花崗巖仍存留原巖結(jié)構(gòu)，而殘積土中原巖結(jié)構(gòu)完全破壞。地質(zhì)勘查資料顯示，北向隧道約40%長度穿越全～中等風(fēng)化花崗巖混合層，38%為全斷面中等風(fēng)化花崗巖層，其余為全斷面全風(fēng)化花崗巖層；南向隧道約10%長度為全～中等風(fēng)化花崗巖混合層，其余為全斷面全風(fēng)化花崗巖層。巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中：新鮮或弱風(fēng)化花崗巖與微風(fēng)化花崗巖采用相同的參數(shù)；括號內(nèi)是限制值，當(dāng)5 倍標準貫入擊數(shù)大于120時，不排水剪切強度只能取120 kPa。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

因工程位于熱帶地區(qū)，降水豐沛，地下水位變化大，編制施工方案時地下水位按地面高程考慮。

2 隧道施工過程中的風(fēng)險控制

在盾構(gòu)隧道掘進過程中澳大利亞大使館、外交部等11 座建筑（圖1）會受到較大影響，需逐一進行風(fēng)險分析，并制定相應(yīng)的控制措施。

圖1 受盾構(gòu)隧道掘進影響的建筑

受影響建筑物基礎(chǔ)統(tǒng)計情況見表2。淺基礎(chǔ)建筑對不均勻沉降敏感，遭受不均勻沉降時易發(fā)生墻體開裂；樁基礎(chǔ)建筑則必須在掘進前確認樁尖距擬施工隧道頂部的凈空距離，評估切樁的可能性。

表2 建筑物基礎(chǔ)統(tǒng)計情況

3 盾構(gòu)機系統(tǒng)選型設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件［6］，對國內(nèi)外廠家設(shè)備進行比選，最終采用德國海瑞克的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機S930和離心式泥水分離系統(tǒng)。

3.1 刀盤和驅(qū)動系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)資料［7］，花崗巖的抗壓強度達到241 MPa，且極端情況下抗壓強度可能達到400 MPa。刀盤直徑6.7 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。北向隧道以穿越中等風(fēng)化花崗巖為主，考慮盾構(gòu)機切割全斷面巖石的能力，刀盤上多配滾刀，減少刮刀數(shù)量；采用滾刀46 把（含邊刀2 把），刮刀48 把；開孔率26%。南向隧道則以穿越全風(fēng)化花崗巖為主，兼顧刀盤切割能力和掘進效率，刀盤上適當(dāng)減少滾刀，增加刮刀；采用滾刀40把（含邊刀2 把），刮刀56 把；開孔率35%。滾刀直徑457 mm，刀刃厚19 mm；滾刀間距多刀型為90 mm，單刀型為80～85 mm。

圖2 盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足各種巖土斷面掘進需要，主驅(qū)動采用9 臺功率160 kW 變頻驅(qū)動電機，安裝功率1 440 kW，最大推進力48 657 kN。主軸承直徑3 m，額定扭矩4 769 kN·m，最大扭矩6 200 kN·m，脫困扭矩6 677 kN·m。

3.2 泥水艙壓力平衡系統(tǒng)

隧道穿越不同風(fēng)化程度地層，地表建筑物林立，為防止盾構(gòu)機掘進時開挖面土體流失嚴重引起地表沉降，S930 復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機采用氣壓艙和泥水艙相結(jié)合的雙艙模式，兩艙底部通過泥漿連通，解決了單艙泥水盾構(gòu)掘進過程中泥水艙經(jīng)常遇到的壓力突升或突降問題。

泥水艙壓力參考值由地下水壓力、靜土壓力和動土壓力綜合判定［8］。為了確保泥水艙壓力平衡系統(tǒng)的靈敏性，S930復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機采用Samson壓力調(diào)節(jié)器與繩式液位傳感器相結(jié)合的方式。盾構(gòu)推進時，一旦氣壓艙壓力值與參考值發(fā)生偏差，通過壓力調(diào)節(jié)器差分控制系統(tǒng)控制進氣閥或排氣閥，維持設(shè)定的壓力值。同時由液位傳感器監(jiān)測泥漿液位的升降變化，通過控制進泥泵或排泥泵的轉(zhuǎn)速，使氣壓艙內(nèi)泥漿液位恢復(fù)到盾構(gòu)軸線附近位置。

3.3 泥漿輸出監(jiān)控系統(tǒng)

泥水盾構(gòu)機的工作原理是利用加壓泥漿確保開挖面穩(wěn)定，同時泥漿將開挖的渣土攪拌混合后形成泥水，經(jīng)排泥管輸送到地面的泥水分離設(shè)備進行處理，然后通過進漿泵輸送至泥水艙。盾構(gòu)機掘進時開挖土方。理論干土重量Md為

式中：D為刀盤直徑，m；ΔL為凈進尺，m；ω為開挖土體的含水率，%；ρs為開挖土體的密度，t∕m3。

實際干土重量Ma為

式中：t1、t2分別為盾構(gòu)機開始、結(jié)束時間，s；Qout、Qin分別為泥漿排出、泵入速率，m3∕s；ρout、ρin分別為排出、泵入泥漿密度，t∕m3；ΔVc為氣壓艙泥漿容積變化量，m3。

通過泥漿輸出監(jiān)控系統(tǒng)記錄盾構(gòu)掘進時實際出渣量，通過數(shù)據(jù)分析和可視化界面，對掘進過程中出渣的異常情況及時預(yù)警。本項目按實際干土重量達理論值的1.15倍設(shè)置預(yù)警值。

3.4 泥水分離系統(tǒng)

海瑞克離心機式泥水分離系統(tǒng)的功率為1 200 m3∕h，保證盾構(gòu)機最大日進尺16～20 m。其具有三項優(yōu)勢：①多級分離，篩分顆粒粒徑分別為12.0 mm、3.1 mm、180 μm、35 μm。②自動化程度高，通過可視化控制平臺，對盾構(gòu)機掘進過程中進漿泵和排漿泵工作狀態(tài)、泥漿濃度等關(guān)鍵指標適時控制，與盾構(gòu)機操作平臺實現(xiàn)無縫對接，保障了盾構(gòu)機的運行安全。③集裝箱式設(shè)計，節(jié)省空間。噪聲在50 dB 以下，可在城市居民區(qū)24 h運行。

3.5 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備主要有碎石機、管片拼裝機、安全艙、材料設(shè)備艙等。

4 泥漿關(guān)鍵性能指標

北向隧道盾構(gòu)機掘進到P90環(huán)時不同風(fēng)化程度地層頻繁交替變化。為指導(dǎo)泥漿制備與調(diào)整，施工前針對可能遇到的各種工況設(shè)計了5 組泥漿關(guān)鍵性能指標，見表3。

表3 不同工況下泥漿關(guān)鍵性能指標

5 施工情況及現(xiàn)場監(jiān)測

5.1 施工情況

盾構(gòu)機工作時通過泥漿循環(huán)維持泥水艙壓力的動態(tài)平衡，同時根據(jù)地層情況確定合理的推進力和刀盤轉(zhuǎn)速，使盾構(gòu)機保持合適的掘進速度和工作狀態(tài)，避免超挖和地表沉降。盾構(gòu)機進入全斷面中等風(fēng)化花崗巖層時，推進力保持在25～27 MN，刀盤平均轉(zhuǎn)速在2.8～2.9 r∕min；進入全斷面全風(fēng)化花崗巖層時，推進力保持在 24 MN 左右，刀盤轉(zhuǎn)速為 2.3 r∕min；進入全～中等風(fēng)化花崗巖混合層時，推進力保持在24～26 MN，刀盤轉(zhuǎn)速在2.6～2.8 r∕min。實踐中發(fā)現(xiàn)，在混合層中掘進時若推進力超過30 MN，刀盤中心區(qū)域的刀具磨損非常嚴重，此時應(yīng)適當(dāng)減小推進力和刀盤轉(zhuǎn)速。

每環(huán)掘進凈用時見圖3。計算可得：P90—P225環(huán)管片平均每環(huán)掘進凈用時102.4 min。全斷面中等風(fēng)化花崗巖層（P119—P143 環(huán)、P198—P225 環(huán)）中掘進凈用時最高，全～中等風(fēng)化花崗巖混合層（P90—P118環(huán)、P144—P154 環(huán)、P167—P197 環(huán)）中掘進凈用時與在全斷面全風(fēng)化花崗巖層（P155—P166 環(huán)）中相當(dāng)。在混合層中掘進效率正常，刀具磨損也基本可控，只有在P186—P197環(huán)因為巖石強度過高，推進力設(shè)置偏大，刀具磨損嚴重，不得不放慢掘進速度，安排了兩次停機檢修，更換部分刀具。

圖3 P90—P225環(huán)掘進凈用時統(tǒng)計

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測

在隧道沿線、建筑物周圍布置測點，在盾構(gòu)機掘進前對地下水位、地表沉降、地表建筑和市政設(shè)施的變形進行觀測。在盾構(gòu)機掘進過程中掌子面前后30 m 范圍內(nèi)觀測頻率為 2 次∕d，其余為 1次∕d。

地下水位快速下降會引起地表沉降和建筑物破壞。兩次連續(xù)觀測的地下水位下降超過1.0 m 時，由業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理和施工方共同商討，研究決定是否采取工程措施，如啟用回灌井等。隧道掘進結(jié)束后，地面最大沉降出現(xiàn)在P170環(huán)（外交部和舍伍德路公寓之間），其值為7 mm。參照Peck 公式［9-10］算得地層損失率約1.01%，滿足小于2.00%的設(shè)計要求。地表建筑物未出現(xiàn)開裂、傾斜。

6 結(jié)語

以新加坡地鐵湯東線T217項目為例，從盾構(gòu)機系統(tǒng)選型設(shè)計、泥漿關(guān)鍵性能指標控制、施工情況、現(xiàn)場監(jiān)測等方面，介紹了不同風(fēng)化程度花崗巖地層中地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)。

通過精心策劃和組織，盾構(gòu)機在掘進過程中順利通過了混合層區(qū)段，未發(fā)生超挖現(xiàn)象。現(xiàn)場監(jiān)測顯示地表最大沉降7 mm，地表建筑物未出現(xiàn)開裂、傾斜，達到了工程目標。