軟硬不均地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)

劉 暢 中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司

本文依托廣州市珠三角城際琶洲支線明蓮區(qū)間隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行研究。盾構(gòu)穿越的地層主要為W4 全風(fēng)化花崗巖、W4 全風(fēng)化與W2 中風(fēng)化花崗巖混合地層，其中W2 中風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性能好，巖石單軸抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到120 MPa。軟硬不均地層占總區(qū)間長度的13.2%（430 m），地面穿越魚塘較多，地層分界面起伏大，軟硬交錯(cuò)，施工風(fēng)險(xiǎn)較高且難度較大，容易造成地面塌陷。

1 工程概況

新建工程鐵路珠江三角洲城際軌道交通穗莞深城際琶洲支線明蓮區(qū)間YDK13+512.639 ～YDK16+770 右線盾構(gòu)隧道全長為3 257.361 m，隧道管片外徑為8.8 m、內(nèi)徑為8 m，寬度均為1.8 m，采用楔形量均為40 mm 的通用環(huán)管片錯(cuò)縫拼裝成型。近距離側(cè)穿在建佛莞城際高架橋和110 kV 高壓鐵塔，并且連續(xù)下穿37 處魚塘，穿越軟硬不均及硬巖特殊地層。

2 地層介紹

盾構(gòu)區(qū)間從上至下地層分別為素填土、淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化花崗巖、含礫砂巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖以及全風(fēng)化花崗巖。盾構(gòu)區(qū)間洞身穿越地層大部分為W4 全風(fēng)化花崗巖，少部分為淤泥質(zhì)地層，還有部分地段為W2 中風(fēng)化、W3 強(qiáng)風(fēng)化以及W4 全風(fēng)化花崗巖的混合地層，具體如圖1 所示，各地質(zhì)層占隧道全長百分比如表1 所示。

表1 各地質(zhì)層長度及占隧道全長百分比

圖1 盾構(gòu)區(qū)間分布

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

從工程實(shí)際出發(fā)，通過對(duì)盾構(gòu)區(qū)間地層及盾構(gòu)機(jī)本身功能的仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在穿越軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)存在以下難點(diǎn)。一是掘進(jìn)過程中參數(shù)不易控制，盾構(gòu)機(jī)推力大，刀盤扭矩高，推進(jìn)速度緩慢。二是盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進(jìn)，地面極易造成塌陷形成安全隱患。三是地面因構(gòu)建筑物影響或管線影響無法進(jìn)行地面預(yù)加固。

4 重難點(diǎn)分析與解決措施

4.1 重難點(diǎn)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)過程中所遇到的重難點(diǎn)，項(xiàng)目重難點(diǎn)公關(guān)小組先收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)的參數(shù)、采集渣土樣本、提取地面監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析?；诜治鼋Y(jié)果最終確定了影響盾構(gòu)機(jī)穿越軟硬不均地層的各種因素，制定出了一套軟硬不均地層掘進(jìn)管理方案。首先優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，其次對(duì)軟硬不均地層進(jìn)行預(yù)處理，最后對(duì)不滿足地面預(yù)加固的地層進(jìn)行洞內(nèi)超前加固處理[1]。

4.2 難點(diǎn)解決措施

措施一，利用盾構(gòu)機(jī)的氣壓輔助功能優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)參數(shù)。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)土倉保壓是先使刀盤切削下的渣土掉落到土倉，利用土倉內(nèi)渣土堆積形成倉內(nèi)壓力來支撐倉外土體，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)外土壓平衡。但在軟硬不均的地層中掘進(jìn)，這種滿倉渣土保壓方式會(huì)導(dǎo)致刀盤扭矩及推力增大，掘進(jìn)速度降低。因土倉內(nèi)大量刀盤碾壓破碎后的花崗巖巖石碎塊及石粉在土倉內(nèi)反復(fù)攪動(dòng)，使得刀盤輻條、牛腿、攪拌棒及刀具在旋轉(zhuǎn)中反復(fù)摩擦、攪動(dòng)，增加了刀盤的旋轉(zhuǎn)阻力，刀盤扭矩大大增加。同時(shí)又因沉積在土倉內(nèi)的渣土未及時(shí)排出，嚴(yán)重地影響了刀盤前方渣土的流動(dòng)性。其在刀盤、刀具與開挖土體中間堆積，使刀盤切削下的新渣土不能掉落，渣土被動(dòng)地堆積到了刀盤前方而形成了一道緩沖層，盾構(gòu)機(jī)推力增大，速度降低。

根據(jù)以上分析出的原因進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化[2]。先是結(jié)合地層埋深及水位高度計(jì)算出土倉壓力值，再利用盾構(gòu)機(jī)保壓系統(tǒng)向土倉內(nèi)打入壓縮空氣，然后適當(dāng)減少土倉內(nèi)渣土量，使得艙內(nèi)壓力達(dá)到初始設(shè)定壓力值。通過氣體置換渣土方式，既保證了土倉內(nèi)外壓力平衡，又大大減少了土倉內(nèi)渣土量，使土倉內(nèi)渣土流動(dòng)性更好，達(dá)到了優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)參數(shù)及減小刀具磨損的目的。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比表

措施二，軟硬不均地層掘進(jìn)過程中，因掘進(jìn)斷面下部中風(fēng)化花崗巖較硬導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度慢，上部強(qiáng)風(fēng)化花崗巖較軟有遇水崩解的特性，兩者形成了惡性配合關(guān)系導(dǎo)致斷面上方土體極易連續(xù)塌落，為了降低掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，安全順利掘進(jìn)，也為了降低檢查更換刀具的風(fēng)險(xiǎn)，采用了地層預(yù)加固措施。加固措施采用深孔注漿方式，必須在掘進(jìn)軟硬不均地層前進(jìn)行加固，對(duì)上部軟土進(jìn)行注漿加固，并在盾構(gòu)施工中進(jìn)行補(bǔ)償性注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力，以免漿液進(jìn)入到土倉及盾體周圍[3]。水泥漿采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 級(jí)的普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比按照0.6 ∶1 拌制，注漿控制壓力在0.5 ～1.5 Mpa，注漿管道噴漿孔間距按1.5 m×1.5 m 梅花形布置，布孔長度按實(shí)測(cè)軟硬不均地層長度布設(shè)，寬度大于盾構(gòu)機(jī)開挖直徑兩側(cè)各0.5 m，孔徑為100 mm，漿液擴(kuò)散半徑為1.0 m，深度打入上軟下硬交界位置，注漿量按壓力控制，終值壓力為當(dāng)前注漿深度實(shí)測(cè)水壓的兩倍，邊提管邊注漿直至注到盾構(gòu)機(jī)拱頂以上3 m 位置停止，再進(jìn)行下一個(gè)孔位的施工，孔位布置如圖2 所示。

圖2 孔位布置圖

措施三，地面因構(gòu)建筑物和管線等不滿足加固條件時(shí)，通過盾構(gòu)機(jī)預(yù)留的超前注漿孔進(jìn)行上軟下硬地層超前加固，可以有效避免盾構(gòu)掘進(jìn)過程中渣土超排所導(dǎo)致的各種風(fēng)險(xiǎn)。通過實(shí)踐證明上軟下硬地層必須要進(jìn)行加固處理才能確保安全順利掘進(jìn)。

超前加固前，為避免造成盾體抱死、刀盤密封受損以及同步注漿管堵塞等，在注漿前采取了通過盾體徑向注漿孔向盾殼周圍及土倉注入膨潤土泥漿和黃油的保護(hù)措施。泥漿采用膨潤土和水為1 ∶3的比例拌制，注入量不少于6 m3。注漿完成后通過盾體徑向孔檢查注入質(zhì)量，在漿液儲(chǔ)存罐內(nèi)拌制膨潤土泥漿，并通過同步注漿系統(tǒng)注入，防止盾尾被漿液抱死，注漿管路被漿液堵塞。通過刀盤密封系統(tǒng)注入一定量的EP1 油脂，防止刀盤主軸承密封受損。

盾構(gòu)機(jī)盾體的中盾上設(shè)置有10 個(gè)外插角為13.5°的超前地質(zhì)鉆孔，其中上部有4 個(gè)孔，中部左右側(cè)各有3 個(gè)孔。本次超前注漿通過上部4 個(gè)超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行注漿管打入及注漿，先采用氣腿式地質(zhì)鉆機(jī)向刀盤斜上方鉆孔，成孔后插打超前注漿管。根據(jù)加固距離超前注漿管可選擇長為10 m 或12 m 的 Φ40 鋼花管，出漿孔徑為8 mm。超前注漿插入深度為10 m，可到達(dá)刀盤前方5.8 m 位置，插入深度為12 m 可達(dá)到刀盤前方7.8 m位置[4]。不同超前注漿導(dǎo)管長度和角度示意如圖3 和圖4 所示。

圖3 超前注漿管為10 m 時(shí)的示意圖

圖4 超前注漿管為12 m 時(shí)的示意圖

超前注漿采用水、灰、水玻璃比為0.5 ∶0.5 ∶1 的雙液漿，通過7.5 kW 電動(dòng)注漿機(jī)注入到刀盤前方土體，注漿控制壓力為5 bar。注漿過程中需觀察土倉壓力是否變化，若土倉壓力隨超前注漿有所升高，則說明水泥漿液已竄入土倉內(nèi)，必須停止注漿。間歇1 h 后繼續(xù)注漿至注漿壓力達(dá)到5 bar 后停止注漿，利用注漿機(jī)伸縮功能將管倒退1 m 進(jìn)行下個(gè)循環(huán)注漿。根據(jù)所需加固長度將盾構(gòu)機(jī)刀盤前方4.7 m 或3.36 m 全部加固完成。

注漿完成后需檢查前方地層加固效果，首先檢查倉內(nèi)漿液凝固情況，判斷能否開倉。打開土倉壁上的兩個(gè)球閥，利用粗10 mm左右的鋼筋向土倉內(nèi)砸入，根據(jù)砸入的情況判斷凝固。然后打開土倉門上方的球閥，同樣的方法檢查倉內(nèi)凝固情況，看是否還有水流出。如兩個(gè)條件均滿足，可進(jìn)行開倉工作。待土倉門打開后，先進(jìn)行土倉清理，清理到刀盤開口后，利用風(fēng)鉆進(jìn)行打孔，檢查注漿后刀盤前方土體的固結(jié)情況和滲水情況，兩個(gè)條件均較好才可進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)[5]。

5 盾構(gòu)機(jī)軟硬不均地層掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)穿越軟硬不均地層前地表具備地面注漿條件，先將軟硬不均地層范圍進(jìn)行深孔式注漿加固。如遇地面因構(gòu)建筑物和管線等因素影響不具備地表加固條件時(shí)，則采用隧道內(nèi)超前注漿加固方法，將盾構(gòu)機(jī)刀盤前方土體進(jìn)行加固。待前方土體加固完成后，再進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)氣壓輔助模式掘進(jìn)，這樣既能保證地面安全避免塌陷，又加快了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度，同時(shí)節(jié)約了大量因面塌方、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度緩慢而造成的成本花銷。

6 結(jié)語

通過對(duì)盾構(gòu)施工難點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查、分析、研究與總結(jié)，為盾構(gòu)順利穿越軟硬不均地層提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，可以為今后類似施工情況提供借鑒。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)靈活多變，使用不同的設(shè)備其性能不同，掘進(jìn)不同的地層其參數(shù)不同。因此，盾構(gòu)施工的關(guān)鍵就是充分了解設(shè)備功能，認(rèn)真分析地層，制定相應(yīng)措施，嚴(yán)格執(zhí)行方案，確保施工安全、快速地掘進(jìn)。