淺覆土上卵石下泥巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)研究

郭明華

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100124)

1 引言

隨著我國(guó)盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，在不同地質(zhì)條件下有著不同的施工技術(shù)方法與措施，盾構(gòu)施工技術(shù)目前已相當(dāng)成熟，但對(duì)于淺覆土上軟下硬地層盾構(gòu)施工，可參考使用的技術(shù)并不多見(jiàn)。本文主要根據(jù)成都地鐵6號(hào)線土建某標(biāo)段的地質(zhì)特點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在淺覆土上卵石下泥巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)的控制進(jìn)行分析和總結(jié)，并為以后類(lèi)似工程地質(zhì)條件下的盾構(gòu)施工提供技術(shù)參考。

2 工程概況

成都地鐵6號(hào)線土建某標(biāo)段出入線，單線總里程1 274.725 m。線路自車(chē)站端明挖區(qū)間端頭井始發(fā)，以350 m曲線半徑下穿城市主干道之后，進(jìn)入湖區(qū)洼地，并在洼地中穿越湖中非機(jī)動(dòng)車(chē)行橋以及高速路匝道，其后以與繞城高速大致平行的方向在湖區(qū)內(nèi)向西順次穿越湖區(qū)、河道、客運(yùn)鐵路線等重特大風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)，最終以250 m曲線半徑拐入車(chē)輛段接收井，見(jiàn)圖1。

圖1 成都地鐵6號(hào)線某標(biāo)段出入線線路

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料顯示，地層中黏土、泥巖均具弱膨脹性。在實(shí)際施工中，隧道最低點(diǎn)位于單一中風(fēng)化泥巖地層，其余約三分之二線路全部位于上部卵石下部泥巖的復(fù)合地層中，在該復(fù)合地層段隧道平均埋深在8.8～14.5 m，且大部分隧道位于湖區(qū)下方。

湖區(qū)內(nèi)從上往下依次是雜填土、素填土、黏土、粉質(zhì)黏土、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖。地質(zhì)組成較復(fù)雜，隧道斷面內(nèi)地下水豐富，透水性較強(qiáng)，見(jiàn)圖2。

圖2 成都地鐵6號(hào)線某標(biāo)段地質(zhì)斷面圖

3 施工中遇到的困難

3.1 覆土淺，保壓困難

地勘資料顯示該區(qū)段隧道埋深約8～13 m，隧道上部覆蓋有1～4.5 m雜填土，1～3.5 m素填土和5 m左右的卵石層，其中雜填土和素填土層是人為換填土，較松散，透水性強(qiáng)，氣密性差。掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面不能有效保壓，地面易出現(xiàn)冒泡沫冒泥漿的現(xiàn)象，并進(jìn)一步造成推進(jìn)時(shí)渣土改良效果不佳，出渣不暢，嚴(yán)重時(shí)造成地面塌陷。

3.2 上卵石下泥巖地層卵石自穩(wěn)性差，推進(jìn)困難

該區(qū)域隧道斷面內(nèi)上部為卵石層，下部為泥巖層。卵石層卵石含量大于70%，粒徑2～20 cm，局部含漂石，分選性差，層厚5.2～16.8 m，卵石強(qiáng)度42～102 MPa。該層長(zhǎng)期在湖水與地下水的滲透沖刷作用下，細(xì)顆粒流失，孔隙率大，十分松散，無(wú)整體強(qiáng)度，受擾動(dòng)后極易剝落。施工過(guò)程中多次出現(xiàn)推進(jìn)拼裝轉(zhuǎn)換過(guò)程中掌子面土體持續(xù)剝落，直至土倉(cāng)完全充實(shí)填滿的現(xiàn)象。泥巖層主要為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥巖，泥巖強(qiáng)度在8～20 MPa不等，泥巖層整體強(qiáng)度高，自穩(wěn)性強(qiáng)，地層中的黏土、泥巖均具弱膨脹性。

由于上部卵石層自穩(wěn)性差，而下部泥巖層自穩(wěn)性非常好，兩種地質(zhì)條件的自穩(wěn)性差別太大，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)速度不穩(wěn)定。

3.3 渣土改良困難

本區(qū)段推進(jìn)過(guò)程中，渣土改良主要通過(guò)注入泡沫劑、膨潤(rùn)土和水的方式進(jìn)行，但改良效果不佳。由于地層中渣土受擾動(dòng)后剝落速度較快，渣土在土倉(cāng)內(nèi)無(wú)法充分?jǐn)嚢?，泡沫劑和膨?rùn)土不能與切削下來(lái)的卵石和泥巖塊充分混合，渣土從螺旋機(jī)排出時(shí)則呈現(xiàn)卵石與渣土分離和間歇性噴涌的狀態(tài)。即渣土和卵石分段排出，有時(shí)集中出泥巖，有時(shí)集中出卵石，有時(shí)集中噴涌，噴涌時(shí)涌出的泥漿內(nèi)攜帶有細(xì)沙、卵石和泥巖塊。

4 原因分析

上卵石下泥巖地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，出現(xiàn)上述諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次開(kāi)倉(cāng)檢查以及后期分析總結(jié)，我們認(rèn)為該區(qū)段推進(jìn)困難的主要原因有以下幾個(gè)方面:

(1)該區(qū)段復(fù)合地層中上部卵石松散自穩(wěn)性差，地層中地下水徑流速度過(guò)快，渣土改良用膨潤(rùn)土漿液又不能起到良好的支撐作用是造成塌方和推進(jìn)困難的主要原因[1]。

①上部卵石具有直徑大、強(qiáng)度高、自穩(wěn)性差等特點(diǎn)，施工中面臨卵石大面積剝落、刀盤(pán)扭矩過(guò)大和掘進(jìn)效率低等問(wèn)題。

②地下水含量豐富且水壓較大，螺旋機(jī)容易發(fā)生噴涌，同時(shí)在壓力作用下對(duì)卵石層上部的回填土層形成動(dòng)態(tài)沖刷，地面黏土層被破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致地面擊穿，掌子面失壓。

③在上卵石下泥巖地層進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，推力和扭矩變化較大，盾構(gòu)機(jī)較難控制，同時(shí)上部卵石自穩(wěn)性差，下部泥巖層自穩(wěn)性好，在掘進(jìn)時(shí)形成較大的理論空隙，地層中的卵石在地下水和刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下向這些空隙內(nèi)填塞，加大了上部松散卵石層的土體損失，加劇了地面沉降，見(jiàn)圖3。

圖3 盾構(gòu)刀盤(pán)間隙填滿卵石

(2)掌子面剝落的卵石與切碎的泥巖塊混合黏結(jié)在一起，形成膠結(jié)狀板塊，堆積在開(kāi)挖倉(cāng)扭腿中間和螺旋機(jī)出口兩側(cè)，見(jiàn)圖4，阻礙了渣土流動(dòng)，堵塞了出渣通道，造成開(kāi)挖艙內(nèi)兩側(cè)渣土出渣不暢，正面渣土不能進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)，也導(dǎo)致了速度不能迅速提升。

圖4 盾構(gòu)刀盤(pán)間隙填滿膠結(jié)狀板塊

地層中剝落的卵石夾在泥巖面與刀盤(pán)面板之間形成阻隔，見(jiàn)圖5，推力通過(guò)刀盤(pán)面板傳遞給卵石，再通過(guò)卵石傳遞到泥巖面上。這種隔斷作用使得刀盤(pán)面板上的刀具不能有效切削泥巖面，刀盤(pán)只能在原地旋轉(zhuǎn)，直至卵石被擠壓碎或擠壓進(jìn)泥巖層里面，刀具切削到泥巖面，推進(jìn)速度方有起色[2]。

圖5 泥巖面與刀盤(pán)面板之間形成的阻隔

5 采取的措施及其成效

5.1 改良并動(dòng)態(tài)調(diào)整膨潤(rùn)土漿液，保證泥膜效果

在停機(jī)期間向土倉(cāng)內(nèi)注入膨化好的膨潤(rùn)土漿液，且注入氣體加壓，建立泥膜并盡量使泥膜擴(kuò)散滲透至更深遠(yuǎn)處，通過(guò)該方式減少隧道上方卵石的剝落量，提高推進(jìn)速度[3]。

經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)表明，調(diào)整膨潤(rùn)土的發(fā)酵時(shí)間及黏稠度，在每環(huán)掘進(jìn)完成后及時(shí)向土倉(cāng)內(nèi)注入5～7 m3發(fā)酵至少24 h以上的黏稠度為60 s的膨潤(rùn)土，以使土體達(dá)到良好的流塑狀態(tài)。使用膨潤(rùn)土漿液可有效滲入到砂卵石地層中，形成較厚的泥膜，減少超排量，螺旋輸送機(jī)出土?xí)r，膨潤(rùn)土漿液會(huì)包裹著卵石出來(lái)[4]。

5.2 半土壓半泥水壓模式保壓掘進(jìn)

由于本區(qū)間覆土較淺，隧道上部能起保壓作用的回填土和黏土層厚度較薄，因此保壓推進(jìn)時(shí)壓力不能太高，否則地面易擊穿[5]。綜合評(píng)判之后選用“半土壓半泥水”模式保壓掘進(jìn)，即開(kāi)挖倉(cāng)上部1/3為膨潤(rùn)土漿液形成的“泥水壓”，下半部2/3為實(shí)土壓。泥水壓和實(shí)土壓均通過(guò)壓力計(jì)讀取并判斷，每一環(huán)都需要根據(jù)出渣中的卵石含量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[6]。

5.3 增加高壓水沖洗措施

在原有泡沫管路和膨潤(rùn)土管路不變的前提下，在盾構(gòu)機(jī)中隔板靠近螺旋機(jī)兩側(cè)的位置，額外增加兩路供水管，向土倉(cāng)內(nèi)供水。為保證達(dá)到?jīng)_洗效果，在管路上安裝增壓水泵，以提高沖洗水壓，減輕螺旋機(jī)兩側(cè)的板結(jié)情況。

為便于操控，由技術(shù)人員在控制室內(nèi)安裝遠(yuǎn)程控制旋鈕，以便司機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)出渣口的渣土改良情況，實(shí)時(shí)控制開(kāi)關(guān)水及加水量。實(shí)踐表明，通過(guò)改進(jìn)后，一方面渣土改良效果有明顯的改善；另一方面主動(dòng)補(bǔ)水后，也在一定程度上減少了出渣時(shí)帶走的地下水量，降低了超排量。

上述改進(jìn)雖解決了膨潤(rùn)土漿液帶來(lái)的噴涌帶渣問(wèn)題，渣土改良情況也較增加水泵前流塑性更好，但是推進(jìn)過(guò)程中速度仍然不穩(wěn)定，超排情況雖有所降低但仍不能良好控制。同時(shí)操控起來(lái)對(duì)司機(jī)的精準(zhǔn)判斷要求也極高，水加多則噴涌，水加少則板結(jié)。

5.4 嚴(yán)格控制土壓波動(dòng)

由于上部砂卵石較松散，雖然制作了泥膜，但是在推進(jìn)中土壓力波動(dòng)過(guò)大，會(huì)破壞泥膜，造成掌子面上的砂卵石脫落。為降低壓力波動(dòng)對(duì)地層的影響，在推進(jìn)控制過(guò)程中，頂部土壓力波動(dòng)必須保持平衡穩(wěn)定，其波動(dòng)值不能超過(guò)0.2 bar，超過(guò)0.2 bar的波動(dòng)，會(huì)對(duì)卵石層內(nèi)的地下水形成較大沖擊，同時(shí)會(huì)對(duì)上部黏土層形成沖刷，造成細(xì)顆粒流失增加，進(jìn)而造成塌方。

5.5 上卵石下泥巖地層中盾構(gòu)機(jī)快速連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)

上卵石下泥巖地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，泥膜是有時(shí)效性的，必須連續(xù)快速掘進(jìn)。首先，要保證設(shè)備的完好率，減少故障發(fā)生；其次，減少工序銜接的時(shí)間，形成連續(xù)掘進(jìn)；最后，在推進(jìn)過(guò)程中，思想要高度集中，嚴(yán)格控制各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，連續(xù)掘進(jìn)[7]。一般情況下，這種地層的掘進(jìn)主要參數(shù)如下:刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在1.0～1.5 r/min，推力在 1 100～1 500 t，扭矩在3 500～5 000 kN˙m，推進(jìn)速度在30～50 mm/min，上土壓在0.6～0.8 bar。

5.6 嚴(yán)格控制出渣量保壓推進(jìn)

為防止地面沉降或塌陷，試驗(yàn)在控制出渣量的前提下保壓掘進(jìn)的操作模式。操作過(guò)程中按如下要點(diǎn)進(jìn)行控制:

(1)嚴(yán)格控制出渣量

出渣量控制以掘進(jìn)進(jìn)尺為準(zhǔn)，按每進(jìn)尺5 cm為一個(gè)控制段，嚴(yán)格核算出渣量與進(jìn)尺的差值。當(dāng)出渣量超出進(jìn)尺5 cm的理論量時(shí)，調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速降低出渣速度，使得進(jìn)尺與出渣量匹配[8]。在出渣量超出掘進(jìn)進(jìn)尺10 cm的理論量時(shí)，則停止掘進(jìn)，視情況向艙內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液或惰性砂漿進(jìn)行補(bǔ)充，其后再恢復(fù)掘進(jìn)。

(2)嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力

掘進(jìn)時(shí)控制頂部壓力波動(dòng)不大于0.2 bar。掘進(jìn)完成后，以向土倉(cāng)內(nèi)注入60 s黏稠的膨潤(rùn)土漿液且加氣的方式，保證掌子面壓力在停機(jī)轉(zhuǎn)換工序期間保持穩(wěn)定[9]。

該方法下可控制不超排，推進(jìn)速度基本能控制在30～50 mm/min。推進(jìn)過(guò)程中司機(jī)需同時(shí)觀察土壓、推力、扭矩、出渣量及渣土改良情況的實(shí)時(shí)變化，并綜合上述變化決定參數(shù)調(diào)整項(xiàng)和調(diào)整幅度，以保證掘進(jìn)順利進(jìn)行。按該方法操作時(shí)，要保證渣土改良的效果，確保螺旋機(jī)排出來(lái)的渣土保持液態(tài)的流塑狀，否則刀盤(pán)中心區(qū)和面板上會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)結(jié)滿泥餅，且必須開(kāi)倉(cāng)作業(yè)才能處理。

6 初步結(jié)論及建議

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，最后決定在本區(qū)間復(fù)合地層范圍內(nèi)綜合采取如下解決措施:

(1)對(duì)有條件能夠提前加固的區(qū)域以及重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)，使用WSS工法進(jìn)行地面注漿加固。

(2)推進(jìn)完成后，由盾構(gòu)機(jī)司機(jī)根據(jù)上一環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的卵石量判斷向艙內(nèi)注入60 s黏稠膨潤(rùn)土漿液的具體方量[10]。其判斷標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)目測(cè)可見(jiàn)卵石集中出現(xiàn)抱團(tuán)或成堆時(shí)，就必須在停機(jī)時(shí)注入膨潤(rùn)土漿液，一般為5～7 m3。

(3)工序轉(zhuǎn)換過(guò)程中或停機(jī)過(guò)程中交替使用注入60 s黏稠膨潤(rùn)土漿液且加氣的方式，持續(xù)保壓。

(4)推進(jìn)過(guò)程中采取保壓并控制壓力波動(dòng)和出土量的推進(jìn)手法控制推進(jìn)[11]。

(5)在不超排的情況下，推進(jìn)速度控制在30～50 mm/min之間，速度不宜太快。

(6)由于地層中含有部分砂卵石，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速不宜太快，防止擾動(dòng)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一般控制在1.0～1.5 r/min。

(7)推進(jìn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整中心和螺旋機(jī)兩側(cè)加水沖洗，確保渣土改良的效果，防止結(jié)泥餅。如出現(xiàn)渣土改良效果不佳的情況，則停止推進(jìn)并通過(guò)注入膨潤(rùn)土的方式對(duì)艙內(nèi)土體進(jìn)行改良，直至改良情況達(dá)到要求再恢復(fù)掘進(jìn)[12]。

經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)有效地在上卵石下泥巖地層中進(jìn)行推進(jìn)，基本能夠達(dá)到連續(xù)快速掘進(jìn)，在具體操作時(shí)，對(duì)整個(gè)操作過(guò)程要求較高，建議如下:

本區(qū)間最后采取的綜合控制方式，可達(dá)到控制超排和保證連續(xù)推進(jìn)作業(yè)的目標(biāo)，但對(duì)壓力波動(dòng)控制和渣土改良的要求極高，控制不好就有結(jié)泥餅和卡刀盤(pán)的施工風(fēng)險(xiǎn)，在控制過(guò)程中需由司機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)情況和盾構(gòu)機(jī)上各個(gè)掘進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)判斷。

使用膨潤(rùn)土漿液建立泥膜保壓時(shí)，膨潤(rùn)土配比和注入量需根據(jù)地層中水量變化和卵石量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

地面注漿加固可有效解決上卵石下泥巖復(fù)合地層中，卵石剝落與結(jié)泥餅之間的平衡問(wèn)題，但受到地面環(huán)境及施工成本的限制，不能在全區(qū)間實(shí)施。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在本區(qū)間對(duì)盾構(gòu)機(jī)在上卵石下泥巖的復(fù)合地層中不同推進(jìn)控制方式下的推進(jìn)試驗(yàn)總結(jié)，一方面給出了在該地層條件下一種可行的盾構(gòu)掘進(jìn)控制方法，另一方面也初步得出了如下結(jié)論:

在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)控制參數(shù)的設(shè)定應(yīng)首先考慮不良地層，如本區(qū)間的卵石層，其后再考慮其他地層。且該綜合參數(shù)的設(shè)定應(yīng)按照復(fù)合地層中各個(gè)地層的比例不同，以近似差比法的方式設(shè)定和調(diào)整，并應(yīng)較大幅度地偏向于不良地質(zhì)層。

本區(qū)間的掘進(jìn)實(shí)踐也再次證明了，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定必須以盾構(gòu)機(jī)的基本壓力平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行展開(kāi)，凡是脫離了這個(gè)基本原理進(jìn)行的參數(shù)設(shè)定，都不可避免地會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，盾構(gòu)機(jī)司機(jī)必須完全掌握這個(gè)原理。

因此，在上卵石下泥巖地層中采用這種方式掘進(jìn)，可有效防止地面塌陷，能夠快速連續(xù)地進(jìn)行掘進(jìn)。