復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵隧道盾構(gòu)機選型與適應(yīng)性分析

□ 張志恒

中煤第三建設(shè)(集團)有限責任公司 合肥 230031

1 項目簡介

合肥市地鐵5號線5B標段工程包含一站兩區(qū)間,其中區(qū)間段為三孝口站至阜南路站、阜南路站至北一環(huán)路站,采用盾構(gòu)法施工,襯砌采用強度等級為C50,抗?jié)B等級為P10的通用雙面楔形環(huán)混凝土管片,管片外徑為6 000 mm,內(nèi)徑為5 400 mm,環(huán)寬為1 500 mm。盾構(gòu)區(qū)間如圖1所示,盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計概況見表1。

表1 盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計概況

圖1 盾構(gòu)區(qū)間

2 工程條件

2.1 地質(zhì)條件

三孝口站至阜南路站、阜南路站至北一環(huán)路站區(qū)間屬河流一級階地和河漫灘。經(jīng)勘察,沿線場地在標高-37.25 m范圍內(nèi)的覆蓋層由第四紀人工填土、第四紀全新世河流相沉積層、第四紀全新世河流相沉積層黏性土組成,下伏基巖為下第三紀定遠組泥質(zhì)砂巖和侏羅紀周公山組地層泥質(zhì)砂巖。

區(qū)間盾構(gòu)穿越部分地層為上軟下硬地層,隧道斷面上部以全風化泥質(zhì)粉砂巖為主,中部以強風化泥質(zhì)粉砂巖為主,下部為中風化泥質(zhì)粉砂巖。中風化泥質(zhì)粉砂巖屬較軟巖至較硬巖區(qū)間,根據(jù)勘察報告及前期相鄰標段基坑開挖顯示,這一地層的天然單軸抗壓強度平均值為31.08 MPa,飽和單軸抗壓強度平均值為27.79 MPa,最大飽和單軸抗壓強度平均值為55.20 MPa,干燥單軸抗壓強度平均值為33.90 MPa。區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 區(qū)間地質(zhì)縱斷面

2.2 水文條件

區(qū)間范圍的地下水主要為上層滯水、承壓水、基巖孔隙水、基巖裂隙水。淺部地下水主要賦存于人工填土中,以上層滯水為主,水量微弱。承壓水主要賦存于第②5層粉砂夾粉質(zhì)黏土和第④4層黏質(zhì)粉土中?？碧浇沂镜冖?層層頂埋深為5.2～12.0 m,標高為2.15～8.33 m,第④4層層頂埋深為12.5～14.1 m?；鶐r孔隙水主要賦存于第⑨1層和第1層全風化泥質(zhì)粉砂巖中,基巖裂隙水主要賦存于巖石強、中風化帶中?；鶐r孔隙水和基巖裂隙水富水性、透水性受巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及裂隙發(fā)育程度等的影響,由于巖體的各向異性,加之局部巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,導(dǎo)致巖體富水性與滲透性不盡相同。在巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶,地下水相對富集,透水性也相對較好。

2.3 周邊環(huán)境

區(qū)間隧道由南向北沿蒙城路敷設(shè),下穿安徽省博物館、壽春路下立交橋,以直線接至阜南路站,過阜南路站后以半徑500 m曲線沿蒙城路下穿蒙城路橋,最終以直線接至北一環(huán)路站。根據(jù)設(shè)計文件資料,結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)研,對隧道沿線周邊建構(gòu)筑物及管線進行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示,現(xiàn)場作業(yè)場地狹小。蒙城路是合肥市區(qū)南北向的重要交通走廊,位于老城區(qū),地表建筑密集,地下環(huán)境復(fù)雜,沿線地塊基本已經(jīng)開發(fā)完成,周邊建設(shè)完善,用地性質(zhì)較為成熟,存在較多的建構(gòu)筑物,包括若干高中低壓燃氣管線、雨污水管道、給水和供熱線路、10 kV高壓電纜管線等,并且下穿安徽省博物館、壽春路下立交橋、蒙城路橋等。

3 工程難點

第一,盾構(gòu)機穿越建構(gòu)筑物及重要管線。

區(qū)間沿線周邊建構(gòu)筑物較密集,管線沿蒙城路敷設(shè),地表交通繁忙,盾構(gòu)施工可能對建構(gòu)筑物及管線等造成一定影響。尤其是近距離下穿蒙城路橋,該橋為拱形吊桿橋,橋梁全長96 m,橋梁樁基距隧道頂板僅2.1 m,拱形橋梁結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)變形極為敏感。加之該橋危情較多,狀態(tài)差,對盾構(gòu)機下穿施工技術(shù)要求極高。同時,盾構(gòu)機穿越橋梁段巖石破碎,并且基巖裂隙水極其豐富,下穿期間不僅需要關(guān)注對橋梁結(jié)構(gòu)變形的控制,而且需要克服螺旋機噴涌。

第二,盾構(gòu)機通過軟硬不均地層。

區(qū)間穿越地層有全風化泥質(zhì)粉砂巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖等,地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖性多變,巖面起伏變化較大,同時存在局部基巖凸起的特點。不同隧道段或隧道的同一開挖斷面存在上下左右軟硬不均的現(xiàn)象,這些軟硬不均地層給盾構(gòu)機施工帶來很大的困難。

第三,盾構(gòu)機在全、強風化巖及黏土層掘進對泥餅的控制。

隧道區(qū)間穿越殘積土、全風化巖等土層,切削后的黏粒易形成刀盤盤面泥餅、土倉中心泥餅。需要通過防止刀盤結(jié)泥餅設(shè)計、渣土改良等施工措施,減小泥餅風險,確保盾構(gòu)隧道順利施工完成。

4 盾構(gòu)機選型

盾構(gòu)施工首先需要選用盾構(gòu)機的類型。盾構(gòu)機按結(jié)構(gòu)模式分為泥水式盾構(gòu)、敞開式盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)四類。

敞開式盾構(gòu)一般用于整個地層穩(wěn)定、透水率低、涌水不需要其它輔助措施就可以被控制的區(qū)段。硬巖盾構(gòu)一般用于硬度較大、能夠自穩(wěn)、涌水較少的巖石地層開挖。

土壓平衡盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu)都通過控制推進速度和出料速度使推進所產(chǎn)生的壓力與掌子面的土體壓力保持平衡,從而達到維持掌子面穩(wěn)定,繼而維持地面沉降和隆起在允許范圍內(nèi)的作用。泥水式盾構(gòu)需配置昂貴的泥漿制備和分離設(shè)備,將泥漿通過管道注入盾構(gòu)機混合倉內(nèi),與開挖出的渣土進行混合,通過泥漿泵將混合后的渣土抽至地面后進行分離處理,泥漿再循環(huán)利用。土壓平衡盾構(gòu)不需要進行分離處理,尤其是當土體穩(wěn)定性較好時,甚至可以不需要帶壓出土,實現(xiàn)在土倉無壓力條件下工作。在涌水較大,透水率不超過一定數(shù)值,且掌子面不穩(wěn)的地段,才需要使用土壓平衡開挖模式。當然,土壓平衡盾構(gòu)也不需要專門的分離設(shè)備進行渣土分離。

簡而言之,泥水式盾構(gòu)及配套設(shè)施價格較為昂貴,需占用較大的施工場地,而土壓平衡盾構(gòu)適用土質(zhì)范圍比較廣泛,占地面積較小,價格適中。

在地鐵隧道施工過程中,不同地區(qū)及城市,地質(zhì)條件千差萬別,既有像華北、西北地區(qū)含水量小的單一軟土地質(zhì),也有像上海地區(qū)含水量高的單一軟土地質(zhì),還有像華南地區(qū)復(fù)合地層等,因此,在選擇盾構(gòu)機這一隧道掘進的關(guān)鍵施工設(shè)備時,首先應(yīng)充分考慮盾構(gòu)機是否有利于開挖面的穩(wěn)定,其次還需要重點考慮周邊環(huán)境與場地、施工工期、使用性價比等限制因素,并對宜用的輔助工法加以考慮。

按照合肥地鐵5號線5B標段工程的地質(zhì)水文情況,這一標段構(gòu)造裂隙和節(jié)理相對發(fā)育,大部分區(qū)間隧道埋置于泥質(zhì)砂巖中,巖體裂隙和節(jié)理發(fā)育,地下水相對富集,透水性也相對較好,可以選取土壓平衡盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu),排除敞開式盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)。施工時若存在不穩(wěn)定的強透水層,發(fā)生突水現(xiàn)象,則選取泥水式盾構(gòu)比較符合地層開挖安全的要求。該工程始發(fā)接收段均處于交通要道蒙城路中央,場內(nèi)可用地極其狹窄,難以滿足泥水式盾構(gòu)的配套場地需求。同時按照國際知名盾構(gòu)機生產(chǎn)商和國內(nèi)制造商的經(jīng)驗、試驗,復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)可以通過添加輔助材料,如膨潤土、泡沫、水、阻水材料等,來改善渣土的性狀,擴展土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍,從而在高透水地層可以使用土壓平衡盾構(gòu)進行開挖,不至于使泥漿從出料口噴涌而出,大量損失地層水。以上思路可以解決復(fù)雜地層、狹小場地的盾構(gòu)施工設(shè)備選型問題,既能滿足大部分巖體開挖,又能安全通過富水且透水率高的砂層。

綜合分析,在這一標段中選用T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)是我國大多數(shù)城市地鐵隧道施工的主要盾構(gòu)類型,通過加強刀盤耐磨設(shè)計、優(yōu)化刀具配置與布局、配置先進的渣土改良,以及可靠的關(guān)鍵部件密封與潤滑等手段,大幅度拓展了傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用范圍。

5 盾構(gòu)機適應(yīng)性分析

該工程具有周邊建構(gòu)筑物較密集、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且軟硬不均、易形成刀盤盤面泥餅及土倉中心泥餅等特點,為適應(yīng)復(fù)雜地層,選用T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu),以下進行盾構(gòu)機適應(yīng)性分析。

5.1 推進系統(tǒng)

T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)推進油缸一共有20個,均為單缸。所有油缸可以單獨工作,可以根據(jù)實際情況任意分組控制,使盾構(gòu)機的操控性能得到進一步提升,便于盾構(gòu)姿態(tài)控制。為便于監(jiān)測推進速度,將內(nèi)置式行程傳感器和速度傳感器按區(qū)分布在推進油缸中。盾構(gòu)機最大總推力為40 000 kN,滿足設(shè)計方案中對盾構(gòu)機總推力應(yīng)在21 000 kN以上的要求。盾構(gòu)機主驅(qū)動扭矩如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機主驅(qū)動扭矩

5.2 鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機配備主動鉸接系統(tǒng),共配置16個液壓油缸,分四個區(qū),每區(qū)安裝一個行程傳感器。鉸接系統(tǒng)最大推力為29 680 kN,行程為200 mm,滿足區(qū)間隧道的小曲線半徑施工要求。

5.3 主驅(qū)動系統(tǒng)

盾構(gòu)機選擇直徑為3.13 m的耐高壓、耐負荷、大壽命三排三列滾柱軸承主軸承,配備九臺液壓馬達驅(qū)動,額定扭矩為6 650 kN·m,對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1.76 r/min時,脫困扭矩可以達到8 320 kN·m,均滿足工程掘進施工要求。

推進系統(tǒng)和鉸接系統(tǒng)的液壓油缸分布分別如圖4、圖5所示。

圖4 推進系統(tǒng)液壓油缸分布

圖5 鉸接系統(tǒng)液壓油缸分布

5.4 防刀盤結(jié)泥餅設(shè)計

為適應(yīng)地層施工,有效降低刀盤結(jié)泥餅風險,改造加大刀盤的開口率,達到綜合開口率為34%,中心區(qū)開口率為40%。優(yōu)化刀盤格柵布置,刀盤中心區(qū)域次輻條每兩道格柵去除一道,刀盤外圈區(qū)域次輻條每三道格柵去除一道,重新設(shè)計布置位置。刀盤設(shè)計七路單管單泵的渣土改良注入孔,正面為六路,周邊徑向為一路。噴口采用新式防堵塞設(shè)計,具有較好的防堵功能,可以在洞內(nèi)對噴口進行維修和更換。刀盤上焊接有噴口保護刀,對噴口進行保護。刀盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 刀盤結(jié)構(gòu)

在刀盤牛腿及土倉中心區(qū)域各布置四路高壓水沖洗管道,當中心開始形成泥餅時,采用高壓水沖刷迅速解除泥餅。高壓水系統(tǒng)配置流量為90 L/min,額定壓力為12 MPa。在刀盤背部安裝八個主動攪拌棒,與土倉內(nèi)部四根被動攪拌臂配合,主要用于攪拌土倉底部的沉渣。這一設(shè)計可以顯著優(yōu)化地層中土壓的控制,增大渣土的流動性,進一步降低結(jié)泥餅風險。

5.5 防噴涌設(shè)計

采用內(nèi)徑為850 mm的軸式葉片螺旋輸送機,螺旋軸共設(shè)計有三道閘門,分別為螺旋輸送機前端的一道剪刀式閘門和螺旋輸送機后端的兩道出土閘門。剪刀式閘門如圖7所示,螺旋輸送機如圖8所示。在入口前部承壓隔板上安裝有剪刀式閘門,采用液壓油缸驅(qū)動,剪刀式閘門的運動由控制室進行控制。出土閘門安裝在螺旋輸送機后端,裝有主、副兩道出土閘門,其中一道閘門配置氣動緊急封閉系統(tǒng)。當盾構(gòu)機通過富水地層時,可以通過調(diào)節(jié)不同閘門開度來降低不利影響。螺旋輸送機上配備兩個土壓傳感器,根據(jù)觀察取排土量的關(guān)系及不同位置土壓傳感器的壓力變化,判斷螺旋輸送機內(nèi)渣土的流動性。配置有四個渣土改良口,用于改善渣土流動性,降低磨損。

圖7 剪刀式閘門

圖8 螺旋輸送機

鉸接密封采用凹字形密封,并預(yù)留緊急注入孔,以提高鉸接密封系統(tǒng)的安全性。

盾尾密封采用三道盾尾刷加一道止?jié){板,每兩道盾尾刷之間設(shè)有十路注脂管道。

5.6 密封和承壓適應(yīng)性

主軸承密封系統(tǒng)密封形式為唇形密封,采用耐熱性和耐磨損性能卓越的丁腈橡膠材料制成。采用可編程序控制器自動控制分級加壓模式,達到逐級減壓,最終確保土倉雜質(zhì)不進入主軸承的目的。主軸承內(nèi)外徑密封均為這一工作模式,有效保證外界渣土等雜質(zhì)無法進入內(nèi)部傳動系統(tǒng),延長主軸承的壽命,最大工作壓力為0.65 MPa。主軸承的選型及應(yīng)用成熟可靠,能夠滿足工程安全施工要求。

鉸接密封系統(tǒng)中,中盾與尾盾的連接采用被動鉸接設(shè)計,為凹字形密封,通過設(shè)置的12個油脂注入口持續(xù)注入2號極壓抗磨潤滑脂,起潤滑鉸接及密封的作用,這一形式的鉸接密封狀態(tài)優(yōu)越,鉸接密封耐壓為0.6 MPa。在涌水或橡膠密封損壞時,也可以使用緊急氣囊密封,完全可以滿足任意方向最小平面曲線半徑為250 m及最大豎曲線為1 000 m的施工需要。

盾尾密封系統(tǒng)中,盾尾殼體與管片之間的密封依靠焊接在尾盾上的三排金屬鋼絲刷、一道止?jié){板實現(xiàn)。三排密封之間形成兩圈環(huán)形空間,每個環(huán)形空間設(shè)有十路注脂管道,持續(xù)不斷進行密封油脂填充。盾尾密封系統(tǒng)滿足工程施工要求。

由前盾、中盾、尾盾組成的盾體結(jié)構(gòu)按照承受0.5 MPa的靜水壓力進行設(shè)計,對已挖掘但還未襯砌的隧道段起臨時支護的作用,承受周圍土層的土壓和地下水的水壓,并將地下水擋在盾殼外。

5.7 渣土改良系統(tǒng)

適合于土壓平衡盾構(gòu)開挖的渣土必須具有良好的塑性、低的透水率、良好的流動性等特點。目前常用的添加材料有膨潤土、泡沫、水、阻水材料等,添加材料的作用如下:① 減小刀盤切削的扭矩值,降低盾構(gòu)施工能耗;② 降低渣土對盾構(gòu)機刀盤和其它金屬材料的黏著性;③ 降低渣土的透水率。其中,泡沫具有其它材料不具備的很多優(yōu)點,包括:① 密度低,不占渣土體積,便于制備和運輸;② 相比其它材料更易于與渣土混合;③ 化學制劑的含量低,暴露在空氣中很快會發(fā)散。出于環(huán)保安全需要,選用泡沫作為添加材料對渣土進行改良,可限制掌子面壓力的波動,更好控制掌子面的穩(wěn)定。同時,泡沫填補了被開挖土體的縫隙,使其可滲透性降低。

5.8 超前鉆探系統(tǒng)

盾構(gòu)機配備有安裝在管片拼裝機旋轉(zhuǎn)部位的超前鉆探系統(tǒng),適用于軟、硬巖地層。超前鉆探系統(tǒng)最大可鉆孔徑為75 mm,最大鉆孔深度達60 m。超前鉆探系統(tǒng)滿足工程施工需求。同時,在盾構(gòu)機中盾周向上共設(shè)置14個外插的直徑為100 mm的超前注漿孔,在前盾的土倉隔板上設(shè)置兩個直徑為100 mm的超前鉆孔,也可以對開挖面前方進行超前注漿或超前鉆探。超前鉆探系統(tǒng)布置如圖9所示。

圖9 超前鉆探系統(tǒng)布置

5.9 人艙

人艙用于進入開挖室和隧道掌子面,以便在加壓下進行維修操作,針對工程施工過程中可能需要進行更換刀具及檢查、維修刀盤而設(shè)計。人艙配置有壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、通信設(shè)備、緊急照明設(shè)備、觀察窗口、控制面板、自動消防噴淋裝置、有害氣體實時監(jiān)測裝置等,同時還配置氧氣呼吸系統(tǒng),用于在緊急事件及卸壓時使用?？梢栽谌伺摽刂频侗P點動和刀盤旋轉(zhuǎn)。盾構(gòu)機人艙設(shè)計有兩個,分別有土倉入口,通過兩個入口可以在互不干擾的情況下分別進入土倉。兩個人艙也可互為主副艙,每個人艙配置獨立的壓縮空氣系統(tǒng),均可實現(xiàn)獨立的加減壓操作。人艙滿足工程施工需求。

6 施工應(yīng)用

T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用于合肥地鐵5號線工程隧道巖石破碎且基巖裂隙水豐富、上下軟硬不均的地層,在下穿南淝河及蒙城路橋時,橋臺沉降量僅為-0.72 mm,滿足設(shè)計及規(guī)范所要求的5 mm。隧道掘進進度統(tǒng)計見表2。

表2 隧道掘進進度統(tǒng)計

根據(jù)實際施工情況,驗證了研究結(jié)論。

(1) 盾構(gòu)機作為隧道掘進的關(guān)鍵施工設(shè)備,選型時應(yīng)充分考慮有利于開挖面的穩(wěn)定,還需要重點考慮周邊環(huán)境與場地、施工工期、使用性價比等限制因素。

(2) 通過優(yōu)化刀具配置與布局、配置先進的渣土改良,以及可靠的關(guān)鍵部件密封與潤滑等手段,可以克服富水地層隧道掘進的噴涌現(xiàn)象,拓展了傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用范圍。

(3) 加大刀盤的開口率,優(yōu)化刀盤格柵布置,針對性設(shè)計刀盤防堵噴嘴,添加泡沫對渣土改良等措施,解決了類似地層的掘進施工易結(jié)泥餅問題。