軟硬交錯地質(zhì)盾構(gòu)空艙模式下土體改良和加固技術(shù)

鐘傳強

(中鐵十八局集團 第四工程有限公司，天津 津南 300350)

引言

地下隧道盾構(gòu)法施工技術(shù)近些年來發(fā)展十分迅速，具有安全系數(shù)高、不受外部交通和氣候影響等優(yōu)勢。在地下軌道交通盾構(gòu)法施工時，如果遭遇下部硬上部軟地質(zhì)，不僅非常容易導致刀具被嚴重磨損，而且還會引發(fā)盾構(gòu)掌子面容易塌方、地面容易塌陷、盾構(gòu)設(shè)備偏離設(shè)計范圍等安全質(zhì)量事故[1]。本文結(jié)合南京軌道交通4號線蔣王廟站-崗子村站區(qū)間工程實例，對下部硬上部軟地質(zhì)盾構(gòu)施工面臨的難題進行分析，介紹泡沫劑改良土體技術(shù)以及盾構(gòu)空艙快速施工技術(shù)，為盾構(gòu)穿越軟硬交錯地質(zhì)提供借鑒。

1 工程概況

南京軌道交通4號線蔣王廟站-崗子村站區(qū)間采用盾構(gòu)施工技術(shù)，其中兩段區(qū)間直徑分最小曲線直徑和最大曲線直徑分別為1400 m和4000 m，最大和最小縱坡度分別為4.3 %、坡度是2.2 %。盾構(gòu)區(qū)間分左、右區(qū)間，通過海瑞克S-282土壓平衡盾構(gòu)進行施工，區(qū)間隧道覆土深度是8～22 m。

該軌道交通隧道區(qū)間穿越的軟硬交錯地質(zhì)具有“下部硬上部軟”的特點，上半部分大部分為質(zhì)地較軟的黏質(zhì)粉土，下半部分為質(zhì)地較硬的強風化砂巖。其硬巖層與軟土層間的過渡層比較少甚至無過度，軟硬分界比較突出，能承受的壓力、剪力等物理力學差距明顯，而且穿越一些斷層破碎帶和富水帶，未知風險因素較大，這些特殊地質(zhì)條件下容易產(chǎn)生非線性、時變性等不確定性狀況，很容易導致隧道盾構(gòu)機刀盤加快磨損，姿態(tài)產(chǎn)生較大偏移等困難。此外，該地鐵隧道區(qū)間還下穿一些住宅樓。

2 下部硬上部軟地層施工弊端

出現(xiàn)下部硬上部軟地質(zhì)情況時，因為掌子面周邊地質(zhì)情況復雜，導致刀盤接觸的巖石力學指標不均，盾構(gòu)施工時，常常會出現(xiàn)刀具受損率高、盾構(gòu)姿態(tài)不容易掌握、地表出現(xiàn)不均勻沉降、出碴異常、刀盤容易結(jié)泥餅、巖體坍塌、泥漿噴涌等異?，F(xiàn)象[2]，上述現(xiàn)象的出現(xiàn)原因主要如下：

2.1 下部硬上部軟地質(zhì)影響盾構(gòu)功能正常使用

出現(xiàn)下部硬上部軟地質(zhì)的時候，盾構(gòu)刀盤受力極不均勻。盾構(gòu)施工時，重點工序之一就是構(gòu)建并保持掌子面的水土壓力平衡體系，最大程度降低對地層擾動，實現(xiàn)防止沉降及環(huán)保目的。下部硬上部軟地質(zhì)受力不均。在下部硬上部軟情況顯著的地層中，常常影響盾殼及刀盤不均不平穩(wěn)的受力，導致盾構(gòu)機原設(shè)計施工方向和實際施工方向出現(xiàn)誤差，這個時候需要通過經(jīng)常性的工序轉(zhuǎn)換進行調(diào)節(jié)，以免影響施工效率。另外，刀盤旋轉(zhuǎn)時，當?shù)毒咛幱谲浻膊痪鶐r土分界面時，很容易受到硬巖層巖石的沖擊，從而導致刀圈出現(xiàn)裂縫、折斷甚至脫落，刀體受損嚴重[3]。

2.2 下部硬上部軟地質(zhì)導致碴土不易改良

在下部硬上部軟地質(zhì)情況下，掌子面圍巖受壓情況多變，由于松散土、軟性土、黏性土、流狀土和粉質(zhì)土及堅硬巖石混合，造成碴土不容易改良。此外，盾構(gòu)機需要水土平衡，這對碴土改良提出了更嚴格的標準。因為隧道區(qū)間地質(zhì)水文條件異常復雜、改良碴土機理分析不全和進行碴土改良工藝不匹配等因素，盾構(gòu)施工時，如果掌子面出現(xiàn)欠壓，那么就容易引發(fā)上部軟性地層失穩(wěn)、出碴過量及不均勻沉降等情況。而掌子面出現(xiàn)超壓情況，在松散土、軟性土、黏性土、流狀土和粉質(zhì)土地層中，常常導致結(jié)泥餅、噴涌、刀具偏磨、糊刀盤、刀圈損壞等異常情況發(fā)生[4]。

2.3 下部硬上部軟地質(zhì)容易導致刀具超載損壞

在下部硬上部軟地質(zhì)中，因為適合軟土施工的盾構(gòu)機摩擦力、土艙堆碴反力激增，可能會突破刀具所承受載荷的極限范圍。如果刀盤受到摩擦力、土艙堆碴反力過大，導致刀盤刀具長時間承受過大載荷，進而導致滾刀軸因承壓過大出現(xiàn)變形，進而造成滾刀刀具受損率偏高，滾刀刀圈出現(xiàn)偏磨或斷裂。

3 復合盾構(gòu)空艙施工技術(shù)

盾構(gòu)機在軟硬交替軟硬交錯地質(zhì)施工中，土艙內(nèi)及刀盤表面很容易出現(xiàn)結(jié)泥餅的情況，并容易導致施工速度變慢、出現(xiàn)涌泥、嚴重超方、推力增大、刀盤和刀具損壞嚴重等現(xiàn)象。下面主要介紹盾構(gòu)空艙模式下土體改良和加固技術(shù)，很好地解決了以上問題，確保地鐵盾構(gòu)安全順利施工[5]。

3.1 空艙模式技術(shù)特點和優(yōu)點

所謂空艙施工模式，通常在下部硬上部軟地質(zhì)條件中，盾構(gòu)機進行施工時，當掌子面沒有支護壓力情形時，巖土體可以保持一段時間不坍塌，或者掌子面土體在進行加固后，可以保持不坍塌狀態(tài)。把盾構(gòu)機土艙里的巖土清空處理，確保滾刀和其他刀具可以最大程度發(fā)揮功效[6]。該模式能夠有效處理刀盤易結(jié)泥餅現(xiàn)象，并提升掘進效率。在空艙施工模式下，因為把土艙中的渣土進行了清空處理，減少了刀盤的帶土量，有效降低了結(jié)泥餅的成因。通過工程實踐，在下部硬上部軟地質(zhì)環(huán)境施工時，刀盤沒有被破壞，刀具和刀盤最大磨損量只有8 mm左右。出現(xiàn)下部硬上部軟地層情況時，進行空艙掘進的推力不大，另外推力幾乎沒有明顯起伏變化；而非空倉時的推力比較大，刀箱容易把渣土固結(jié)，常常因為刀具被損壞導致受力較大變化，刀盤扭矩較大,刀具破壞較多。空艙狀態(tài)下，由于刀盤不容易被附著土體，受力比較均勻，受損破壞程度較小，能較好發(fā)揮刀具破巖功效，掘進速度比土平衡和欠壓模式都高。在下部硬上部軟的軟硬交錯地質(zhì)，進行地層加固后的空艙模式，施工效果更佳。

3.2 空艙模式施工條件

軟硬交錯地質(zhì)適合進行空艙施工的應用范圍：①如果上部土體為質(zhì)地較硬、遇水時比較穩(wěn)定的全風化巖、粉質(zhì)黏土或黏土時，由于該種土質(zhì)穩(wěn)定性較強，可以長驅(qū)直入采取空艙方式；②當上部為稍密黏質(zhì)粉土，通過注漿加固后滿足在一定時間保持不坍塌，就能夠開展空艙施工。不適用地質(zhì)為：上部為淤泥層、含水粉沙土、砂卵石等自穩(wěn)性差無法進行固結(jié)的地層。當下部為質(zhì)地較硬的混合土和強風化泥質(zhì)粉砂巖時，由于其自穩(wěn)性較強，所以空艙模式對軟硬交錯地質(zhì)下部硬巖的地質(zhì)條件沒有過多限制。

3.3 空艙模式施工參數(shù)與地層適應性

空艙施工模式在軟硬交錯地質(zhì)中施工，如果不科學地提高施工速度和推力，容易破壞刀圈。為避免刀具在巖石與巖土臨界處轉(zhuǎn)速過快導致受損，在確保對地層產(chǎn)生最小擾動的前提下，為提升掘進速度，當推力較小時，掘進速度優(yōu)先，然后再選擇刀盤低轉(zhuǎn)速參數(shù)。通過施工實踐統(tǒng)計分析得到參數(shù)詳見表1，綜合考慮選擇2.3 r/min，貫入度8.3 mm/r。

表1 施工試驗參數(shù)

3.4 泡沫劑進行土體改良技術(shù)

南京軌道交通4號線盾構(gòu)區(qū)間穿越區(qū)域上部軟性土體具有較大黏性，出于提升盾構(gòu)機對“下部硬上部軟”軟硬交錯地質(zhì)適應性之目的，方便出渣土及土倉壓力的掌控，通過泡沫劑對刀盤前的渣土進行科學改良，有效降低其滲透系數(shù)、抗剪強度和黏附強度，確保渣土具備一定可塑性、流動性、壓縮性。

為確保盾構(gòu)能安全掘進及順利出土，通常對每環(huán)土體通過泡沫進行土體改良，1000 L泡沫大約能滿足20～33環(huán)需求。

泡沫劑的合理使用，能確保盾構(gòu)順利推進、有效降低刀盤扭矩、對油缸總推力進行調(diào)節(jié)，確保土倉壓力，使盾構(gòu)能夠按照設(shè)計要求推進，實現(xiàn)地面沉降控制，確保推進速度并且借助分析使用過程，最大限度降低泡沫劑用量，節(jié)約成本。盾構(gòu)推進時，因為泡沫劑占比可以反映泡沫劑使用占比率和及含量值，所以泡沫劑的占比率是施工的重要參數(shù)指標。

通過對地鐵區(qū)間右線泡沫劑占比、刀盤受壓力和扭矩、掘進速度、盾構(gòu)總推力等幾項重要指標的變化趨勢進行統(tǒng)計和研究分析，可以明確土倉壓力與泡沫劑占比率不存在直接關(guān)聯(lián)，另外分析得出以下研究成果：

(1)右線155～315施工區(qū)間的地質(zhì)粘黏性比較強，當施工區(qū)間泡沫劑占比率偏小時，出現(xiàn)盾構(gòu)總推力偏較大的情況。通過分析可以做出這樣的判斷：區(qū)間的地質(zhì)粘黏性比較強時，刀具和土倉隔板等構(gòu)件由于土體粘黏，刀具的扭矩被加大甚至被破壞，因此在地質(zhì)粘黏性比較強的區(qū)間，盾構(gòu)進行推進時，可以適當調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、總推力以及泡沫劑占比率，避免刀盤前端因為溫度和壓力偏高導致出現(xiàn)結(jié)泥餅的現(xiàn)象。

(2)右線盾構(gòu)始發(fā)段及接收端，這兩段都位于三軸攪拌樁和旋噴樁加固區(qū)，水泥含量很多，盾構(gòu)推進速度不高的施工區(qū)域，泡沫劑占比率較高，通過分析可以做出這樣的判斷：對于經(jīng)過水泥加固的區(qū)間以及土質(zhì)較硬的區(qū)間，可以把泡沫劑占比率調(diào)整到3.6-4.6 %。

(3)右線525～575環(huán)區(qū)間的土質(zhì)比較松軟，大多為淤泥以及質(zhì)粉質(zhì)黏土地質(zhì)，容易出現(xiàn)沉降，最大沉降量達到19 mm。在該區(qū)域施工，泡沫劑占比率較低，約為0.9-1.9 %;盾構(gòu)施工速度較快，可達到39 mm/min;刀盤扭矩較小,僅為1509～1999 mN.m;盾構(gòu)推力較小,僅為6689～7000 kN;土壓力較大，達到1.9 Bar。為避免隧道區(qū)間周邊出現(xiàn)大范圍沉降，可以進行以下舉措應對：

a.為防止刀盤前端土體出現(xiàn)大范圍塌陷，將土倉壓力提高到2.1～3.1bar。

b.盾構(gòu)掘進的同時,需同步進行厚漿注漿來及時填充管片壁外產(chǎn)生的空隙，避免土層產(chǎn)生過大的沉降。注漿孔布置在隧道管片環(huán)的封頂塊、標準塊、鄰接塊上的管片吊裝孔，施工前利用鋼釬將吊裝孔外端的素混凝土捅破后注漿。厚漿配合比(Kg/m3)——消石灰:粉煤灰:膨潤土:砂:水=60:400:70:800:360，配比根據(jù)實際掘進情況作合理優(yōu)化。在過土質(zhì)比較松軟等特殊地段時，僅靠盾構(gòu)同步注漿不能完全滿足對地層沉降或沿線建構(gòu)筑物沉降要求時,就需要通過二次注漿的方法防沉降。在注漿孔安裝帶有雙向球閥的注漿咀，以便注漿。按理論管片壁厚空隙填充量的120 %～140 %注漿壓力控制在0.35～0.45MPa，確保管片壁后不存在任何空隙。同步注漿漿液一般地段采用厚漿進行填充，合比(Kg/m3)為——消石灰:粉煤灰:砂:膨潤土:水=80:350:1080:80:350。距離建構(gòu)筑物較近采用水泥砂漿，水泥砂漿配合比(Kg/m3)為——普通硅酸鹽水泥:膨潤土:粉煤灰:砂:水=170:55:245:770:270；加速盾構(gòu)機推進，將盾構(gòu)機在淤泥層中的滯留時間縮短。

c.將刀盤轉(zhuǎn)速降低至0.9-1.1 r/min，從而將刀盤對土體的擾動程度降低。

d.如果一些區(qū)域的沉降速率和沉降量比較大，通過二次雙液漿注漿形式進行加固處理。如果區(qū)域內(nèi)無構(gòu)造物，那么就無須進行二次雙液漿注漿，有效規(guī)避對土體的二次擾動，避免再次出現(xiàn)沉降。

總而言之，在盾構(gòu)施工時，通過先進的發(fā)泡設(shè)備，對泡沫劑配合比進行合理優(yōu)化，將刀盤進行正、反旋轉(zhuǎn)；另外，借助刀盤加泥加水系統(tǒng)加入冰水對刀盤進行降溫，防止溫度過高損壞刀盤、軸承等構(gòu)件。對后續(xù)軟硬交錯地質(zhì)段，將施工時泡沫劑的壓注量限制在每環(huán)30～50 L范圍內(nèi)。

3.5 地層綜合加固技術(shù)

當掌子面出現(xiàn)空腔，上層土體缺乏土艙壓力的有力支撐，為避免引發(fā)掌子面出現(xiàn)失穩(wěn)和地表出現(xiàn)沉降，此時需要對空腔進行注漿充填，實現(xiàn)上層土體的綜合預注漿加固。綜合加固技術(shù)包括地層加固技術(shù)、建筑物預加固技術(shù)和跟蹤注漿技術(shù)。

3.5.1 地層加固技術(shù)施作辦法

軟硬交錯地質(zhì)段，對盾構(gòu)進行開艙前，采取地層加固技術(shù)確保土體的穩(wěn)定性。為保證上部軟土層和硬巖層臨界位置的加固效果，雙液漿分層注漿漿液配合比詳見表2。為避免注漿后的土體對盾構(gòu)機“抱死”，可以在雙液漿內(nèi)加入適量的粉煤灰。

表2 每m3注漿漿液配比一覽表

常壓換刀注漿通常進行加固區(qū)域：注漿標高為巖層面到盾構(gòu)機上方3 m，注漿寬度9.5 m，其他詳細數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 加固區(qū)縱剖面圖(單位：m)

3.5.2 建筑物預加固和跟蹤注漿

對建筑物下部基礎(chǔ)通過水泥-水玻璃雙液漿進行注漿加固。在盾構(gòu)施工時，必須實時做好沉降觀測和安全防范，及時做好跟蹤注漿，在盾構(gòu)完成軟硬交錯地質(zhì)穿越后，要馬上進行二次注漿。

3.6 包裹膜技術(shù)

對地層進行注漿加固的時候，通過采取膨潤土砂漿保護、改性水玻璃漿液或者和油性聚氨酯漿液等包裹膜技術(shù)，對盾構(gòu)機進行包裹隔離處理，避免盾構(gòu)機不能正常運轉(zhuǎn)。

3.6.1 膨潤土砂漿保護

預制膨潤土砂漿具有便于操作、價格便宜、包裹迅速等優(yōu)點。測量人員要實時觀察管片的實際情況，如果察覺管片出現(xiàn)開裂或較大變形，需要馬上與施工員取得聯(lián)系，暫停注漿，并及時分析原因。

3.6.2 改性水玻璃或油性聚氨酯保護膜

改性水玻璃漿液或者油性聚氨酯漿液能夠?qū)⒛Y(jié)性漿液進行屏蔽，防止其包裹盾構(gòu)機出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象。改性水玻璃漿液主要材料為水玻璃溶液和磷酸溶液，但是聚氨酯揮發(fā)時氣味較濃，而且注漿速度比較慢。

3.7 空艙模式施工及加固效果

在軟硬交錯地質(zhì)段，通過采用空艙模式有效規(guī)避了刀盤容易結(jié)泥餅現(xiàn)象，防止了隧道塌方災害，通過綜合注漿加固后，對正上方的地表進行沉降監(jiān)測，地基沉降比較穩(wěn)定，從圖2地表沉降監(jiān)測曲線可知最大沉降量為2 cm，滿足要求。

圖2 地表沉降監(jiān)測曲線

結(jié)語

依托南京軌道交通4號線蔣王廟站-崗子村站區(qū)間工程實例，研究了在城市軌道交通施工中所遇到下部硬上部軟巖層采取空艙模式施工技術(shù)及泡沫劑改良、地層加固措施，通過技術(shù)分析和實踐可知，在盾構(gòu)機上通過配制性能較好的泡沫劑發(fā)泡設(shè)備，在進入軟硬交錯地質(zhì)段前，通過泡沫劑對土體有效改良。由于被改良土的狀況影響泡沫劑性能的發(fā)揮，所以為確保泡沫最佳效果，必須充分考慮相關(guān)的土質(zhì)情況。對滾刀扭矩進行合理設(shè)置，提高周邊刀具厚度，依據(jù)巖層貫入度對施工速度進行調(diào)節(jié)，從而降低刀具磨損度，通過空艙施工模式能很好解決盾構(gòu)施工刀盤結(jié)泥餅問題，確保地鐵盾構(gòu)安全順利施工。