廣州地鐵二十二號線南西區(qū)間盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

董睿文

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司,廣東 廣州 510010)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)在城市軌道交通和市政管線工程中得到廣泛運用,但由于盾構(gòu)法是一項風(fēng)險大、質(zhì)量要求高、不可預(yù)測因素多、施工組織協(xié)調(diào)難度大的綜合性地下工程施工技術(shù)[1],雖然積累了不少隧道工程的施工經(jīng)驗,但在不同場地、不同功能的隧道施工中仍不斷出現(xiàn)痛點問題并困擾著隧道技術(shù)人員。在大灣區(qū)城市修建軌道交通地鐵,尤其是高速大直徑地鐵隧道,經(jīng)常會遇到富水軟弱淤泥、松散砂層以及粉質(zhì)黏土等含黏粒的組合地層,隧道開挖擾動時極易發(fā)生開挖面失穩(wěn)破壞、涌水涌砂等工程災(zāi)害[2]。同時,由于多種原因,往往出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)被困或盾尾變形造成無法正常推進(jìn)的狀況[3]。為了解決富水軟弱砂層和黏土層中盾構(gòu)掘進(jìn)的問題與盾構(gòu)機(jī)被困或變形的問題,不少技術(shù)人員進(jìn)行了相關(guān)研究。張紅軍[2]對上覆流砂層隧道開挖面失穩(wěn)破壞機(jī)理及注漿加固控制對策進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王懷志[4]從土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)性,刀盤和螺旋出土器結(jié)構(gòu)和改造,沉降控制方法,渣土改良措施等方面對土壓平衡盾構(gòu)穿越砂層的施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和總結(jié)。雷丹[5]通過盾構(gòu)始發(fā)段預(yù)設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),形成富水砂層上軟下硬地層土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)。喬龍[6]分析總結(jié)了西安地鐵一號線土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中的施工經(jīng)驗。張英智等[7]基于西安地鐵十四號線盾構(gòu)下穿灞河富水砂層條件的情況,通過滲透系數(shù)、地層顆粒級配、地下水壓、施工效率等方面的綜合對比,確定了土壓平衡盾構(gòu)方案,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了刀盤改造及刀具配置優(yōu)化。黃春來等[8]依托福州地鐵四號線土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)情況,從設(shè)備管理、渣土改良、掘進(jìn)及注漿等方面進(jìn)行了研究。許成發(fā)等[9]對土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中的施工技術(shù)進(jìn)行研究和探討。張雷明等[10]對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決。陳鴻杰等[11]針對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層不利地質(zhì)中作業(yè)時的問題,提出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工藝流程及操作要點,并結(jié)合項目特點提供了關(guān)鍵材料的配合比。張旭東[12]結(jié)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越長345 m富水砂層段工程實例,基于朗金土壓力理論對配置了雙螺旋出土輸送器的盾構(gòu)機(jī)在滲透系數(shù)較高的富水砂層中實現(xiàn)土壓平衡模式掘進(jìn)性能進(jìn)行了分析計算。和振安[3]發(fā)現(xiàn)同步注漿漿液包裹盾體造成盾構(gòu)機(jī)被困和盾尾變形導(dǎo)致盾構(gòu)無法掘進(jìn),通過洞內(nèi)開孔清除的手段完成脫困,并在洞內(nèi)完成盾尾盾殼修復(fù)。何雷雷等[13]發(fā)明一種河底下盾構(gòu)機(jī)盾尾變形修復(fù)的施工方法,該方法通過簡單的鋼套管和鋼板樁的配合,能夠有效地清除盾體外部漿塊,防止二次變形,同時通過洞內(nèi)回頂完成盾尾變形修復(fù)。劉昊等[14]基于隧道下穿湘桂鐵路富水軟弱復(fù)合地層段,提出一套在富水軟弱復(fù)合地層條件下的非洞內(nèi)開挖圓度修復(fù)工藝。孫海力等[15]為研究盾構(gòu)機(jī)施工過程中盾尾的實時變形,提出一種有限元分析與應(yīng)變檢測相結(jié)合的方法,研發(fā)一種盾尾變形檢測系統(tǒng)。李東升[16]利用工地現(xiàn)有設(shè)備、工具和可循環(huán)使用的材料進(jìn)行現(xiàn)場盾尾整修。由此可見,施工中的關(guān)鍵技術(shù)對盾構(gòu)法的推廣起著至關(guān)重要的作用,以下針對廣州地鐵二十二號線南西區(qū)間盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 項目概況

廣州地鐵二十二號線南漖站～西塱站區(qū)間(以下簡稱“南西區(qū)間”)南起南漖站,后下穿廣州卷煙廠、廣州繞城高速南環(huán)高架橋、坭涌、部分廠房、高壓電塔、西塱涌、西塱村2～6層房屋群、花地大道南高架橋后到達(dá)西塱站。南西區(qū)間左線盾構(gòu)起點里程ZDK57+529.200,終點里程ZDK59+782.300,全長2 273.031 m,隧道上方平行線路方向主要敷設(shè)有通信管線、給水管線、雨污水等市政管線。南西區(qū)間盾構(gòu)左線始發(fā)后下穿環(huán)翠南路,側(cè)穿南漖文化廣場,北側(cè)河涌(東沙涌)平行線路方向,距離隧道約12 m。周邊建筑物主要為南漖村民宅,環(huán)翠南路舊農(nóng)村信用社房屋位于70～80環(huán)隧道上方,如圖1所示(下方為左線隧道)。隧道采用德國進(jìn)口直徑8.84 m的海瑞克S571土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工,盾構(gòu)外徑為8.5 m,線間距為13～20 m。區(qū)間隧道底板埋深24～43 m,覆土厚度15.5～34.5 m。隧道主要穿越的地層為:<7-3>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<8-3>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<9-3>微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。始發(fā)靠近車站段埋深較淺,拱頂范圍存在淤泥層、較厚砂層(6～8 m)的區(qū)段,盾構(gòu)掘進(jìn)斷面內(nèi)較長一段距離含有<7-2>泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化層,<9-2>泥質(zhì)粉砂巖微風(fēng)化層和<7-3>泥巖、含礫粗砂巖強(qiáng)風(fēng)化層的明顯上軟下硬的復(fù)合地層,如圖2所示。綜上,南西區(qū)間左線0～120環(huán)隧道存在微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層為主的復(fù)合地層、上部砂層較厚、隧道附近管線較多、距河涌較近以及下穿建筑等復(fù)雜的施工環(huán)境條件,對其進(jìn)行施工關(guān)鍵技術(shù)研究具有一定意義與價值。

圖1 南西區(qū)間左線0～120環(huán)衛(wèi)星圖

圖2 南西區(qū)間左線0～120環(huán)地質(zhì)縱斷面圖

2 重難點及相應(yīng)措施

針對本區(qū)段的地層結(jié)構(gòu)特征、盾構(gòu)掘進(jìn)穿越的地層性質(zhì)及圍巖性質(zhì)、地面環(huán)境,結(jié)合廣州地鐵已經(jīng)施工的工程經(jīng)驗,預(yù)估在本區(qū)段可能遇到的難點主要有:地鐵盾構(gòu)穿越砂層時的涌砂預(yù)防和處理,刀盤結(jié)泥餅的預(yù)防和處理以及成形隧道管片質(zhì)量控制等,下面就以上重難點進(jìn)行介紹。

2.1 盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)通過砂層

本區(qū)段的砂層不僅為顆粒細(xì)小的粉細(xì)砂,而且具有結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、滲透系數(shù)大、富水流動性好等特點,因此盾構(gòu)機(jī)通過該地層時,大盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動和地層損失易造成高靈敏性土體的穩(wěn)定性散失和螺旋機(jī)噴涌的風(fēng)險,需要從盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行考慮。盾構(gòu)破除洞門進(jìn)入加固體時地層相對穩(wěn)定,但出加固體后若土倉內(nèi)未能及時建立有效土倉壓力,極易造成掌子面失穩(wěn)導(dǎo)致地面塌陷。為此制定了盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)通過砂層的相應(yīng)技術(shù)措施如下:

1)始發(fā)掘進(jìn)過程中及時對出渣渣樣進(jìn)行有效分析,實時把控渣樣特點,控制渣樣質(zhì)量。若發(fā)現(xiàn)渣樣的含水量明顯增多,須采取預(yù)案措施進(jìn)行處理,防止惡化,避免發(fā)生涌水涌砂,導(dǎo)致掌子面坍塌。

2)盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)過程中,應(yīng)控制盾構(gòu)機(jī)相關(guān)參數(shù),在0～20環(huán)按環(huán)號進(jìn)行盾構(gòu)參數(shù)的設(shè)置,保證掘進(jìn)扭矩與推力在可控范圍內(nèi),刀盤轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速度均勻,不宜過快,減小盾構(gòu)機(jī)對地層尤其是砂層的擾動,減小掌子面失穩(wěn)的風(fēng)險。

3)采用超前注漿加固法改變砂層地層地質(zhì)屬性,降低砂層的滲透系數(shù)與遇水液化的概率,減少盾構(gòu)掘進(jìn)始發(fā)過砂層時不良施工情況的出現(xiàn)。

南西區(qū)間左線0～120環(huán)在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)通過砂層時按照上述措施進(jìn)行控制,取得了較好的施工效果。

2.2 刀盤結(jié)泥餅

粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖中的黏粒含量高,遇水易軟化,有泥餅形成的條件。工程經(jīng)驗表明盾構(gòu)在這類地層中掘進(jìn)時,可能會在刀盤中心部位和土倉隔板與刀盤支撐之間產(chǎn)生泥餅。泥餅形成后,刀盤主軸旋轉(zhuǎn)處被土餅黏牢,土倉及刀盤正反面泥土板結(jié),造成刀盤扭矩與推力變大,導(dǎo)致掘進(jìn)速度急劇下降甚至掘進(jìn)困難。同時,刀盤也會因齒輪油的油溫過高而停止運行,嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率。為此結(jié)合本區(qū)段的地層特點針對可能的刀盤結(jié)泥餅采取預(yù)案措施如下:

1)在盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計和制造過程中,充分考慮地質(zhì)地層的特性,合理進(jìn)行刀具布置,確保刀盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能在支護(hù)功能合理的條件下增大開口率;另一方面增加攪拌棒,在易結(jié)泥餅處增加高壓沖洗系統(tǒng),通過可視化功能觀察土倉內(nèi)情況。

2)施工過程中,基于地層性質(zhì)制定合理的掘進(jìn)參數(shù),合理使用各類輔助系統(tǒng),通過泡沫注入系統(tǒng)、膨潤土注入系統(tǒng)添加地層適應(yīng)性藥劑以改良土體。

3)一旦產(chǎn)生泥餅影響到盾構(gòu)掘進(jìn),則及時采取有效措施甚至人工處理開倉方式清除泥餅。

南西區(qū)間左線盾構(gòu)開口率較低為26%,未能滿足措施1的內(nèi)容,南西區(qū)間左線0～120環(huán)在微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層為主的復(fù)合地層掘進(jìn)前期,措施2中的外加劑系統(tǒng)未能良好運用,后續(xù)能滿足措施2中外加劑添加條件,施工情況有所改善,但由于掘進(jìn)前期泥餅形成較多,需要進(jìn)行被動帶壓開倉換刀并清理泥餅。

2.3 盾構(gòu)隧道管片成形質(zhì)量控制

盾構(gòu)隧道管片成形質(zhì)量是既保隧道安全又對運行有重要影響的一步,所以必須高度重視確保不出現(xiàn)諸如管片破損、滲漏、錯臺及其他缺陷。影響管片成形質(zhì)量的因素可分為人為因素與外部環(huán)境因素兩方面。其中人為因素是主要因素,管片生產(chǎn)過程中的質(zhì)量缺陷,吊運過程中的破損情況,止水條、軟木橡膠襯墊以及定位棒的粘連情況,拼裝管片人員的熟悉程度、操作司機(jī)對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制水平、同步注漿與二次注漿能否及時有效等,都在一定程度上造成了管片質(zhì)量問題。外部環(huán)境因素為設(shè)計軸線與路線、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特點以及周邊建筑物與管線影響等。富水砂層極易造成管片上浮同時伴隨著滲漏增加的情況出現(xiàn)。盾構(gòu)隧道管片成形質(zhì)量相應(yīng)控制措施如下:

1)根據(jù)現(xiàn)場實際情況,通過反復(fù)并有針對性的安全技術(shù)交底,減少人為因素對盾構(gòu)隧道管片成形質(zhì)量造成的影響。

2)分析外部環(huán)境因素情況,根據(jù)詳勘報告對正在或即將穿過的地層地質(zhì)、水文地質(zhì)特征分析設(shè)計軸線與掘進(jìn)路線合一的條件,以及周邊建筑物與管線對盾構(gòu)的限制和影響等,提出有針對性的解決方案,減少外部環(huán)境因素影響。

3)在施工過程中,對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、同步注漿、二次注漿進(jìn)行有效控制,對管片可能產(chǎn)生的上浮影響直接把控。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)應(yīng)做到及時合理糾偏;盾構(gòu)機(jī)同步注漿應(yīng)做到工序合理,根據(jù)地層地質(zhì)與開挖半徑設(shè)定范圍合理的同步注漿配合比、注漿量與注漿壓力;盾構(gòu)機(jī)二次注漿主要是為了彌補(bǔ)同步注漿未良好填充的管片與周圍土體襯砌的空隙起到止水作用,必要時還應(yīng)對盾尾后管片施作止水環(huán)。

南西區(qū)間左線0～120環(huán)出現(xiàn)了管片錯臺與滲漏的情況,通過上述措施有效改善了管片滲漏的情況,但1號油缸處管片錯臺情況仍然存在,后續(xù)通過分析盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)后發(fā)現(xiàn)刀盤推力及鉸接油缸壓力較大反映出存在盾構(gòu)被困的情況,測量盾尾橢圓度后發(fā)現(xiàn)存在盾尾變形的情況。

3 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超前注漿加固

超前注漿加固法是根據(jù)被注地層水文地質(zhì)特征,選用具有充填、膠結(jié)特性的合適漿液,采用注漿設(shè)備將漿液壓注到巖石或土體的裂縫或孔洞中,漿液經(jīng)擴(kuò)散、凝結(jié)、硬化加固被注地層,形成一定厚度并具有自穩(wěn)能力的注漿加固圈;同時漿液封堵地下水徑流通道,提高被注地層的抗?jié)B透性,達(dá)到止水加固的目的。采用超前預(yù)注漿方法能夠有效提高圍巖的力學(xué)性能,提高隧道穩(wěn)定性,控制隧道開挖引起的地表變形,且具有較好的防水性能。

3.1.1洞內(nèi)超前注漿加固

由于始發(fā)風(fēng)險較大,應(yīng)按照間隔不大于20 m設(shè)置一個補(bǔ)勘孔進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘,根據(jù)補(bǔ)勘的地層分布重新繪制地質(zhì)剖面圖,結(jié)合設(shè)計提供的勘察報告綜合分析,如圖3所示,發(fā)現(xiàn)在1～45環(huán)頂部砂層部分侵入隧道,46～120環(huán)頂部有1～2 m的<7>號層。0～10環(huán)管線較多,不具備地面注漿施工條件,應(yīng)采取超前注漿加固處理。海瑞克S571土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾體四周預(yù)留了15個繞周邊呈輻射狀的超前注漿孔。洞內(nèi)超前注漿加固運用盾構(gòu)機(jī)頂部預(yù)留的4個超前注漿孔通過鉆注一體機(jī)對前方隧道頂部10 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固,不僅減小土體滲透性,而且提高土體整體穩(wěn)定性。鉆注一體機(jī)鉆桿長度為2 m,即現(xiàn)場施工共接9根可達(dá)鉆入18 m的要求(見圖4),經(jīng)核算盾構(gòu)機(jī)內(nèi)可滿足其使用空間。鉆孔過程中為了保證注漿周圍地層穩(wěn)定,減少對土倉壓力影響以及防止漏水漏砂情況出現(xiàn),鉆桿出盾構(gòu)機(jī)筒體后先采用前進(jìn)式注化學(xué)漿措施,注漿范圍至刀盤水平距離前3 m處,期間進(jìn)行保壓檢查,而后刀盤前3～10 m采用倒退式注雙液漿。漿液采用化學(xué)漿可降低刀盤被凝固的風(fēng)險,并且注漿過程中要注意隨時轉(zhuǎn)動刀盤,防止刀盤被漿液凝固。

圖3 超前鉆孔位置示意圖

圖4 超前注漿施工示意圖

3.1.2地面注漿加固

南西區(qū)間31～73環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)段砂層較厚且有部分侵入隧道,為保證土倉壓力與掌子面穩(wěn)定性,隨即進(jìn)行地面注漿加固,如圖5所示。盾構(gòu)機(jī)前方6 m和后方4 m采用化學(xué)漿液+雙液漿,盾構(gòu)機(jī)前方6 m往前地面加固采用雙液漿。第1排與第5排孔為斜孔,注漿孔間距為2 m,遇到管線可適當(dāng)微調(diào)鉆孔注漿位置,微調(diào)后須滿足注漿范圍全覆蓋原則。嚴(yán)格控制鉆桿提升幅度,每步不大于30 cm,勻速上升,終孔壓力為1.5 MPa。地面注漿加固分為三段進(jìn)行施工,盾構(gòu)機(jī)和后方4 m范圍(第1～7列),盾構(gòu)機(jī)前方6 m范圍內(nèi)(第8～11列),盾構(gòu)機(jī)前方6 m至73環(huán)范圍(第12～34列),分別如圖6～圖8所示。

圖5 地面加固注漿平面布置圖

圖6 第1～7列注漿剖面圖

圖7 第8～11列注漿剖面圖

圖8 第12～34列注漿剖面圖

3.2 刀盤結(jié)泥餅處理

南西區(qū)間在12～37環(huán)推力較大(見圖9),12～70環(huán)扭矩較大(見圖10),分析得出在12～37環(huán)期間刀盤可能存在“結(jié)泥餅”情況,期間通過土體改良與氣壓輔助推進(jìn),刀盤推力和扭矩在22環(huán)左右有所下降,但由于富水砂層原因造成24～27環(huán)難以通過氣壓輔助掘進(jìn)的方式保證土倉壓力,須通過較高倉位進(jìn)行掘進(jìn),同時由于泡沫與膨潤土注入系統(tǒng)未合理使用與維保造成土體改良效果較差,最終導(dǎo)致刀盤推力扭矩較大。在前文中,南西區(qū)間31～73環(huán)進(jìn)行地面注漿加固處理,使地層地質(zhì)情況有所改善,可采取氣壓輔助模式進(jìn)行掘進(jìn),后續(xù)泡沫與膨潤土注入系統(tǒng)通過合理使用與維保改善了土體,刀盤推力從33環(huán)開始有所下降。由于注漿加固造成土體強(qiáng)度增大導(dǎo)致刀盤扭矩有所增加,出地面注漿加固區(qū)后,刀盤扭矩從73環(huán)開始有所下降。

圖9 0～100環(huán)推力統(tǒng)計圖

圖10 0～100環(huán)扭矩統(tǒng)計圖

3.3 盾構(gòu)帶壓開倉

管片拼裝完成脫出盾尾后在1號油缸位置處連續(xù)多環(huán)持續(xù)出現(xiàn)錯臺較大的情況,通過分析并對1號油缸盾尾處及其附近地層鉆孔取樣,發(fā)現(xiàn)盾尾外存在10 cm厚的水泥砂漿塊,并且該點位處盾尾向內(nèi)側(cè)變形較為嚴(yán)重。針對此情況,須開倉檢查刀具,同時更換邊滾刀略微提高開挖半徑以避免盾體與盾尾被土體擠壓變形。被動開倉處圍巖等級較低且上方有河涌存在,為了保證開倉安全可控,采取帶壓開倉的方式進(jìn)行開倉施工作業(yè)。

對帶壓開倉前各條件核查后,用黏度為80～100 s膨潤土(用1006型500 mL泥漿黏度計測定膨潤土黏度標(biāo)準(zhǔn)為80～100 s)泥漿進(jìn)行泥膜制作(見圖11),期間進(jìn)行漿渣置換、分級加壓、氣漿置換3個步驟,待泥膜形成后開啟SANSOMS系統(tǒng),同時利用螺旋輸送機(jī)出土進(jìn)行氣漿置換,期間穩(wěn)壓6 h[17]。泥膜制作完成后進(jìn)行帶壓開倉施工作業(yè),開倉時必須對上方路面進(jìn)行圍蔽,限制路面車輛與行人。在帶壓開倉過程中主要存在下列安全風(fēng)險:①涌水涌砂情況發(fā)生造成掌子面失穩(wěn)導(dǎo)致地面塌陷;②泥膜失效導(dǎo)致土倉壓力不可控下降;③加減壓時進(jìn)倉施工人員身體不適;④突發(fā)斷電或設(shè)備故障導(dǎo)致空壓機(jī)停止運行,無法正常保壓;⑤有毒氣體傷害進(jìn)倉施工人員;⑥進(jìn)倉施工人員操作不當(dāng)造成傷害;⑦其他傷害,包括物體打擊、觸電、火災(zāi)、密封失效、儀表失靈等不可控因素。應(yīng)從以上方面對進(jìn)倉施工作業(yè)人員進(jìn)行安全教育交底,對進(jìn)出工具進(jìn)行清點,防止工具遺落于土倉中導(dǎo)致后續(xù)施工時損壞刀盤,每30 min進(jìn)行氣體檢測并對空壓機(jī)使用情況進(jìn)行記錄,實時確認(rèn)土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定與掌子面安全,保證進(jìn)倉施工作業(yè)人員安全。此次帶壓檢查換刀發(fā)現(xiàn)刀具磨損情況較好,將邊滾刀52A#與52B#U型板向外側(cè)偏移了10 mm,可更有效地保護(hù)盾體與盾尾。

圖11 膨潤土泥漿

3.4 盾體脫困及變形處理

由于1號油缸盾尾處變形較為嚴(yán)重,且存在10 cm厚的水泥砂漿塊,需要對水泥砂漿塊處理后修復(fù)盾體。施工前應(yīng)先探明管線,而后采用泥漿護(hù)壁的方式鉆入引孔,鉆入過程中應(yīng)保證其垂直度,鉆入完成后通過盾構(gòu)機(jī)上方地面施工安裝Ⅳ型拉森鋼板樁,如圖12所示,至位于盾構(gòu)鉸接油缸后50 cm處盾構(gòu)頂部,施工過程中盾構(gòu)每推進(jìn)40 cm,采用打樁機(jī)夾住鋼板樁下壓振動盾構(gòu)盾尾處水泥砂漿塊及土體,鋼板樁下壓深度不宜超過10 cm,下壓振動完成后提升,同時盾構(gòu)機(jī)應(yīng)及時往徑向孔注入膨潤土,盾尾注入油脂。隧道內(nèi)對盾尾后5環(huán)管片(第109、108、107、106、105環(huán))與過程中拼裝的2環(huán)管片(第110、111環(huán))進(jìn)行加固處理,環(huán)向布設(shè)6道不小于I14b的槽鋼進(jìn)行縱向連接拉緊,如圖13所示,管片安裝完畢需要擰緊所有縱向和橫向螺栓,且在下一環(huán)掘進(jìn)完畢后再次緊固螺栓,確保管片的整體性和盾構(gòu)的安全性。由于現(xiàn)場施工空間限制導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)盾尾處難以設(shè)置對撐避免盾尾變形,故對已拼裝的3環(huán)(第107、108環(huán))設(shè)置對撐加固盾尾管片,防止盾尾加劇橢變。通過上述施工方式以達(dá)到盾尾脫困目的,施工完畢后運用C30混凝土對施工區(qū)域進(jìn)行回填。

圖12 鋼板樁安裝

根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算分析后發(fā)現(xiàn)盾尾加強(qiáng)環(huán)處最大變形量為75 mm,盾尾加強(qiáng)環(huán)厚度為35 mm,與管片外側(cè)間隙為65 mm,由于變形量大于管片間隙10 mm,且加強(qiáng)環(huán)耐磨塊多出的10 mm較厚鋼板導(dǎo)致管片錯臺較為嚴(yán)重,錯臺量為20 mm。變形修復(fù)前將推進(jìn)油缸升至最長行程2 500 mm露出加強(qiáng)環(huán),為防止行程計限位自鎖,采用200 mm鋼墩用于填充推進(jìn)油缸與管片的間隙。在頂部拼裝平臺上搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)支架,如圖14所示,在變形位置1號油缸旁19號油缸與2號油缸處進(jìn)行開槽施工,盾尾殼處開槽長250 mm,深25 mm,盾尾加強(qiáng)環(huán)處開槽長200 mm,深65 mm,總開槽長度為450 mm。開槽完畢后運用加熱槍對變形位置附近進(jìn)行加熱,加熱溫度應(yīng)控制在580 ℃～620 ℃,加熱完畢后對變形位置運用行程為100 mm的500 t油缸進(jìn)行頂升,頂升行程為25 mm,如圖15所示。等待鋼材自然冷卻后重復(fù)工序3次,測量并記錄頂升變形量與回彈量,修復(fù)完成后拆除油缸與工裝設(shè)備,切除10 mm較厚鋼板。根據(jù)盾尾橢圓度復(fù)測情況發(fā)現(xiàn)盾尾向內(nèi)變形情況有所好轉(zhuǎn),盾尾加強(qiáng)環(huán)處最大變形量由75 mm變?yōu)?5 mm,與管片外側(cè)間隙為50 mm,基本滿足掘進(jìn)要求,掘進(jìn)后觀察管片拼裝情況良好。

圖14 鋼結(jié)構(gòu)支架示意圖

圖15 開槽與油缸頂升現(xiàn)場施工圖

4 結(jié)論

本項目中盾構(gòu)隧道施工中遭遇不利的富水砂層地層、刀盤結(jié)泥餅及盾構(gòu)被困與盾尾變形情況,針對現(xiàn)場遇到的痛點和難題,通過合理的施工技術(shù)與控制,使問題得到了較好解決,主要結(jié)論如下:

1)針對穿越富水砂層地層時極易發(fā)生的掌子面失穩(wěn)導(dǎo)致地面塌陷的情況,通過洞內(nèi)超前注漿加固與地面注漿加固的方式可以較好地解決該施工難題,在超前注漿加固時須核查漿液配合比,記錄施工過程并進(jìn)行施工情況分析。

2)刀盤結(jié)泥餅造成刀盤推力增大、扭矩及刀具磨損增大從而導(dǎo)致掘進(jìn)效率降低,應(yīng)通過反饋參數(shù)分析土倉內(nèi)的情況,采用分散劑、減磨劑及抗磨劑等針對性添加劑泡沫,保證土倉內(nèi)土體改良效果。

3)盾構(gòu)被困與盾尾變形會影響管片拼裝質(zhì)量,嚴(yán)重時會導(dǎo)致盾構(gòu)被卡住無法正常掘進(jìn)。盾尾變形

造成止?jié){板失效,使得滲透水前溢,導(dǎo)致螺旋出土器噴涌;也會使得襯砌漿液前溢導(dǎo)致盾構(gòu)被困情況加重。通過鋼板樁振動破碎與開槽加熱頂升的方式可有效解決盾構(gòu)被困與盾尾變形問題。