广州地铁二十二号线南西区间盾构隧道施工关键技术研究

董睿文

(广州轨道交通建设监理有限公司,广东 广州 510010)

0 引言

盾构法隧道施工技术在城市轨道交通和市政管线工程中得到广泛运用,但由于盾构法是一项风险大、质量要求高、不可预测因素多、施工组织协调难度大的综合性地下工程施工技术[1],虽然积累了不少隧道工程的施工经验,但在不同场地、不同功能的隧道施工中仍不断出现痛点问题并困扰着隧道技术人员。在大湾区城市修建轨道交通地铁,尤其是高速大直径地铁隧道,经常会遇到富水软弱淤泥、松散砂层以及粉质黏土等含黏粒的组合地层,隧道开挖扰动时极易发生开挖面失稳破坏、涌水涌砂等工程灾害[2]。同时,由于多种原因,往往出现盾构机被困或盾尾变形造成无法正常推进的状况[3]。为了解决富水软弱砂层和黏土层中盾构掘进的问题与盾构机被困或变形的问题,不少技术人员进行了相关研究。张红军[2]对上覆流砂层隧道开挖面失稳破坏机理及注浆加固控制对策进行了系统研究。王怀志[4]从土压平衡盾构的适应性,刀盘和螺旋出土器结构和改造,沉降控制方法,渣土改良措施等方面对土压平衡盾构穿越砂层的施工技术进行了系统研究和总结。雷丹[5]通过盾构始发段预设置掘进参数并根据监测数据动态调整掘进参数,形成富水砂层上软下硬地层土压平衡盾构施工技术。乔龙[6]分析总结了西安地铁一号线土压平衡盾构在富水砂层中的施工经验。张英智等[7]基于西安地铁十四号线盾构下穿灞河富水砂层条件的情况,通过渗透系数、地层颗粒级配、地下水压、施工效率等方面的综合对比,确定了土压平衡盾构方案,并在此基础上进行了刀盘改造及刀具配置优化。黄春来等[8]依托福州地铁四号线土压平衡盾构机在富水砂层中掘进情况,从设备管理、渣土改良、掘进及注浆等方面进行了研究。许成发等[9]对土压平衡式盾构机在富水砂层中的施工技术进行研究和探讨。张雷明等[10]对土压平衡盾构机在富水砂层中掘进出现的问题进行解决。陈鸿杰等[11]针对土压平衡盾构机在富水砂层不利地质中作业时的问题,提出盾构机掘进工艺流程及操作要点,并结合项目特点提供了关键材料的配合比。张旭东[12]结合土压平衡盾构机穿越长345 m富水砂层段工程实例,基于朗金土压力理论对配置了双螺旋出土输送器的盾构机在渗透系数较高的富水砂层中实现土压平衡模式掘进性能进行了分析计算。和振安[3]发现同步注浆浆液包裹盾体造成盾构机被困和盾尾变形导致盾构无法掘进,通过洞内开孔清除的手段完成脱困,并在洞内完成盾尾盾壳修复。何雷雷等[13]发明一种河底下盾构机盾尾变形修复的施工方法,该方法通过简单的钢套管和钢板桩的配合,能够有效地清除盾体外部浆块,防止二次变形,同时通过洞内回顶完成盾尾变形修复。刘昊等[14]基于隧道下穿湘桂铁路富水软弱复合地层段,提出一套在富水软弱复合地层条件下的非洞内开挖圆度修复工艺。孙海力等[15]为研究盾构机施工过程中盾尾的实时变形,提出一种有限元分析与应变检测相结合的方法,研发一种盾尾变形检测系统。李东升[16]利用工地现有设备、工具和可循环使用的材料进行现场盾尾整修。由此可见,施工中的关键技术对盾构法的推广起着至关重要的作用,以下针对广州地铁二十二号线南西区间盾构隧道施工关键技术进行研究。

1 项目概况

广州地铁二十二号线南漖站～西塱站区间(以下简称“南西区间”)南起南漖站,后下穿广州卷烟厂、广州绕城高速南环高架桥、坭涌、部分厂房、高压电塔、西塱涌、西塱村2～6层房屋群、花地大道南高架桥后到达西塱站。南西区间左线盾构起点里程ZDK57+529.200,终点里程ZDK59+782.300,全长2 273.031 m,隧道上方平行线路方向主要敷设有通信管线、给水管线、雨污水等市政管线。南西区间盾构左线始发后下穿环翠南路,侧穿南漖文化广场,北侧河涌(东沙涌)平行线路方向,距离隧道约12 m。周边建筑物主要为南漖村民宅,环翠南路旧农村信用社房屋位于70～80环隧道上方,如图1所示(下方为左线隧道)。隧道采用德国进口直径8.84 m的海瑞克S571土压平衡盾构机进行施工,盾构外径为8.5 m,线间距为13～20 m。区间隧道底板埋深24～43 m,覆土厚度15.5～34.5 m。隧道主要穿越的地层为:<7-3>强风化泥质粉砂岩、<8-3>中风化泥质粉砂岩、<9-3>微风化泥质粉砂岩层。始发靠近车站段埋深较浅,拱顶范围存在淤泥层、较厚砂层(6～8 m)的区段,盾构掘进断面内较长一段距离含有<7-2>泥质粉砂岩强风化层,<9-2>泥质粉砂岩微风化层和<7-3>泥岩、含砾粗砂岩强风化层的明显上软下硬的复合地层,如图2所示。综上,南西区间左线0～120环隧道存在微风化泥质粉砂岩层为主的复合地层、上部砂层较厚、隧道附近管线较多、距河涌较近以及下穿建筑等复杂的施工环境条件,对其进行施工关键技术研究具有一定意义与价值。

图1 南西区间左线0～120环卫星图

图2 南西区间左线0～120环地质纵断面图

2 重难点及相应措施

针对本区段的地层结构特征、盾构掘进穿越的地层性质及围岩性质、地面环境,结合广州地铁已经施工的工程经验,预估在本区段可能遇到的难点主要有:地铁盾构穿越砂层时的涌砂预防和处理,刀盘结泥饼的预防和处理以及成形隧道管片质量控制等,下面就以上重难点进行介绍。

2.1 盾构始发掘进通过砂层

本区段的砂层不仅为颗粒细小的粉细砂,而且具有结构松散、孔隙比大、渗透系数大、富水流动性好等特点,因此盾构机通过该地层时,大盾构掘进的扰动和地层损失易造成高灵敏性土体的稳定性散失和螺旋机喷涌的风险,需要从盾构施工技术进行考虑。盾构破除洞门进入加固体时地层相对稳定,但出加固体后若土仓内未能及时建立有效土仓压力,极易造成掌子面失稳导致地面塌陷。为此制定了盾构始发掘进通过砂层的相应技术措施如下:

1)始发掘进过程中及时对出渣渣样进行有效分析,实时把控渣样特点,控制渣样质量。若发现渣样的含水量明显增多,须采取预案措施进行处理,防止恶化,避免发生涌水涌砂,导致掌子面坍塌。

2)盾构始发掘进过程中,应控制盾构机相关参数,在0～20环按环号进行盾构参数的设置,保证掘进扭矩与推力在可控范围内,刀盘转速与掘进速度均匀,不宜过快,减小盾构机对地层尤其是砂层的扰动,减小掌子面失稳的风险。

3)采用超前注浆加固法改变砂层地层地质属性,降低砂层的渗透系数与遇水液化的概率,减少盾构掘进始发过砂层时不良施工情况的出现。

南西区间左线0～120环在盾构始发掘进通过砂层时按照上述措施进行控制,取得了较好的施工效果。

2.2 刀盘结泥饼

粉质黏土、泥质粉砂岩中的黏粒含量高,遇水易软化,有泥饼形成的条件。工程经验表明盾构在这类地层中掘进时,可能会在刀盘中心部位和土仓隔板与刀盘支撑之间产生泥饼。泥饼形成后,刀盘主轴旋转处被土饼黏牢,土仓及刀盘正反面泥土板结,造成刀盘扭矩与推力变大,导致掘进速度急剧下降甚至掘进困难。同时,刀盘也会因齿轮油的油温过高而停止运行,严重影响掘进效率。为此结合本区段的地层特点针对可能的刀盘结泥饼采取预案措施如下:

1)在盾构机的设计和制造过程中,充分考虑地质地层的特性,合理进行刀具布置,确保刀盘的结构强度能在支护功能合理的条件下增大开口率;另一方面增加搅拌棒,在易结泥饼处增加高压冲洗系统,通过可视化功能观察土仓内情况。

2)施工过程中,基于地层性质制定合理的掘进参数,合理使用各类辅助系统,通过泡沫注入系统、膨润土注入系统添加地层适应性药剂以改良土体。

3)一旦产生泥饼影响到盾构掘进,则及时采取有效措施甚至人工处理开仓方式清除泥饼。

南西区间左线盾构开口率较低为26%,未能满足措施1的内容,南西区间左线0～120环在微风化泥质粉砂岩层为主的复合地层掘进前期,措施2中的外加剂系统未能良好运用,后续能满足措施2中外加剂添加条件,施工情况有所改善,但由于掘进前期泥饼形成较多,需要进行被动带压开仓换刀并清理泥饼。

2.3 盾构隧道管片成形质量控制

盾构隧道管片成形质量是既保隧道安全又对运行有重要影响的一步,所以必须高度重视确保不出现诸如管片破损、渗漏、错台及其他缺陷。影响管片成形质量的因素可分为人为因素与外部环境因素两方面。其中人为因素是主要因素,管片生产过程中的质量缺陷,吊运过程中的破损情况,止水条、软木橡胶衬垫以及定位棒的粘连情况,拼装管片人员的熟悉程度、操作司机对盾构机姿态的控制水平、同步注浆与二次注浆能否及时有效等,都在一定程度上造成了管片质量问题。外部环境因素为设计轴线与路线、工程地质与水文地质特点以及周边建筑物与管线影响等。富水砂层极易造成管片上浮同时伴随着渗漏增加的情况出现。盾构隧道管片成形质量相应控制措施如下:

1)根据现场实际情况,通过反复并有针对性的安全技术交底,减少人为因素对盾构隧道管片成形质量造成的影响。

2)分析外部环境因素情况,根据详勘报告对正在或即将穿过的地层地质、水文地质特征分析设计轴线与掘进路线合一的条件,以及周边建筑物与管线对盾构的限制和影响等,提出有针对性的解决方案,减少外部环境因素影响。

3)在施工过程中,对盾构机姿态、同步注浆、二次注浆进行有效控制,对管片可能产生的上浮影响直接把控。盾构机姿态应做到及时合理纠偏;盾构机同步注浆应做到工序合理,根据地层地质与开挖半径设定范围合理的同步注浆配合比、注浆量与注浆压力;盾构机二次注浆主要是为了弥补同步注浆未良好填充的管片与周围土体衬砌的空隙起到止水作用,必要时还应对盾尾后管片施作止水环。

南西区间左线0～120环出现了管片错台与渗漏的情况,通过上述措施有效改善了管片渗漏的情况,但1号油缸处管片错台情况仍然存在,后续通过分析盾构机掘进参数后发现刀盘推力及铰接油缸压力较大反映出存在盾构被困的情况,测量盾尾椭圆度后发现存在盾尾变形的情况。

3 盾构施工关键技术

3.1 超前注浆加固

超前注浆加固法是根据被注地层水文地质特征,选用具有充填、胶结特性的合适浆液,采用注浆设备将浆液压注到岩石或土体的裂缝或孔洞中,浆液经扩散、凝结、硬化加固被注地层,形成一定厚度并具有自稳能力的注浆加固圈;同时浆液封堵地下水径流通道,提高被注地层的抗渗透性,达到止水加固的目的。采用超前预注浆方法能够有效提高围岩的力学性能,提高隧道稳定性,控制隧道开挖引起的地表变形,且具有较好的防水性能。

3.1.1洞内超前注浆加固

由于始发风险较大,应按照间隔不大于20 m设置一个补勘孔进行地质补勘,根据补勘的地层分布重新绘制地质剖面图,结合设计提供的勘察报告综合分析,如图3所示,发现在1～45环顶部砂层部分侵入隧道,46～120环顶部有1～2 m的<7>号层。0～10环管线较多,不具备地面注浆施工条件,应采取超前注浆加固处理。海瑞克S571土压平衡盾构机盾体四周预留了15个绕周边呈辐射状的超前注浆孔。洞内超前注浆加固运用盾构机顶部预留的4个超前注浆孔通过钻注一体机对前方隧道顶部10 m范围内土体进行加固,不仅减小土体渗透性,而且提高土体整体稳定性。钻注一体机钻杆长度为2 m,即现场施工共接9根可达钻入18 m的要求(见图4),经核算盾构机内可满足其使用空间。钻孔过程中为了保证注浆周围地层稳定,减少对土仓压力影响以及防止漏水漏砂情况出现,钻杆出盾构机筒体后先采用前进式注化学浆措施,注浆范围至刀盘水平距离前3 m处,期间进行保压检查,而后刀盘前3～10 m采用倒退式注双液浆。浆液采用化学浆可降低刀盘被凝固的风险,并且注浆过程中要注意随时转动刀盘,防止刀盘被浆液凝固。

图3 超前钻孔位置示意图

图4 超前注浆施工示意图

3.1.2地面注浆加固

南西区间31～73环盾构掘进段砂层较厚且有部分侵入隧道,为保证土仓压力与掌子面稳定性,随即进行地面注浆加固,如图5所示。盾构机前方6 m和后方4 m采用化学浆液+双液浆,盾构机前方6 m往前地面加固采用双液浆。第1排与第5排孔为斜孔,注浆孔间距为2 m,遇到管线可适当微调钻孔注浆位置,微调后须满足注浆范围全覆盖原则。严格控制钻杆提升幅度,每步不大于30 cm,匀速上升,终孔压力为1.5 MPa。地面注浆加固分为三段进行施工,盾构机和后方4 m范围(第1～7列),盾构机前方6 m范围内(第8～11列),盾构机前方6 m至73环范围(第12～34列),分别如图6～图8所示。

图5 地面加固注浆平面布置图

图6 第1～7列注浆剖面图

图7 第8～11列注浆剖面图

图8 第12～34列注浆剖面图

3.2 刀盘结泥饼处理

南西区间在12～37环推力较大(见图9),12～70环扭矩较大(见图10),分析得出在12～37环期间刀盘可能存在“结泥饼”情况,期间通过土体改良与气压辅助推进,刀盘推力和扭矩在22环左右有所下降,但由于富水砂层原因造成24～27环难以通过气压辅助掘进的方式保证土仓压力,须通过较高仓位进行掘进,同时由于泡沫与膨润土注入系统未合理使用与维保造成土体改良效果较差,最终导致刀盘推力扭矩较大。在前文中,南西区间31～73环进行地面注浆加固处理,使地层地质情况有所改善,可采取气压辅助模式进行掘进,后续泡沫与膨润土注入系统通过合理使用与维保改善了土体,刀盘推力从33环开始有所下降。由于注浆加固造成土体强度增大导致刀盘扭矩有所增加,出地面注浆加固区后,刀盘扭矩从73环开始有所下降。

图9 0～100环推力统计图

图10 0～100环扭矩统计图

3.3 盾构带压开仓

管片拼装完成脱出盾尾后在1号油缸位置处连续多环持续出现错台较大的情况,通过分析并对1号油缸盾尾处及其附近地层钻孔取样,发现盾尾外存在10 cm厚的水泥砂浆块,并且该点位处盾尾向内侧变形较为严重。针对此情况,须开仓检查刀具,同时更换边滚刀略微提高开挖半径以避免盾体与盾尾被土体挤压变形。被动开仓处围岩等级较低且上方有河涌存在,为了保证开仓安全可控,采取带压开仓的方式进行开仓施工作业。

对带压开仓前各条件核查后,用黏度为80～100 s膨润土(用1006型500 mL泥浆黏度计测定膨润土黏度标准为80～100 s)泥浆进行泥膜制作(见图11),期间进行浆渣置换、分级加压、气浆置换3个步骤,待泥膜形成后开启SANSOMS系统,同时利用螺旋输送机出土进行气浆置换,期间稳压6 h[17]。泥膜制作完成后进行带压开仓施工作业,开仓时必须对上方路面进行围蔽,限制路面车辆与行人。在带压开仓过程中主要存在下列安全风险:①涌水涌砂情况发生造成掌子面失稳导致地面塌陷;②泥膜失效导致土仓压力不可控下降;③加减压时进仓施工人员身体不适;④突发断电或设备故障导致空压机停止运行,无法正常保压;⑤有毒气体伤害进仓施工人员;⑥进仓施工人员操作不当造成伤害;⑦其他伤害,包括物体打击、触电、火灾、密封失效、仪表失灵等不可控因素。应从以上方面对进仓施工作业人员进行安全教育交底,对进出工具进行清点,防止工具遗落于土仓中导致后续施工时损坏刀盘,每30 min进行气体检测并对空压机使用情况进行记录,实时确认土仓内压力稳定与掌子面安全,保证进仓施工作业人员安全。此次带压检查换刀发现刀具磨损情况较好,将边滚刀52A#与52B#U型板向外侧偏移了10 mm,可更有效地保护盾体与盾尾。

图11 膨润土泥浆

3.4 盾体脱困及变形处理

由于1号油缸盾尾处变形较为严重,且存在10 cm厚的水泥砂浆块,需要对水泥砂浆块处理后修复盾体。施工前应先探明管线,而后采用泥浆护壁的方式钻入引孔,钻入过程中应保证其垂直度,钻入完成后通过盾构机上方地面施工安装Ⅳ型拉森钢板桩,如图12所示,至位于盾构铰接油缸后50 cm处盾构顶部,施工过程中盾构每推进40 cm,采用打桩机夹住钢板桩下压振动盾构盾尾处水泥砂浆块及土体,钢板桩下压深度不宜超过10 cm,下压振动完成后提升,同时盾构机应及时往径向孔注入膨润土,盾尾注入油脂。隧道内对盾尾后5环管片(第109、108、107、106、105环)与过程中拼装的2环管片(第110、111环)进行加固处理,环向布设6道不小于I14b的槽钢进行纵向连接拉紧,如图13所示,管片安装完毕需要拧紧所有纵向和横向螺栓,且在下一环掘进完毕后再次紧固螺栓,确保管片的整体性和盾构的安全性。由于现场施工空间限制导致盾构机盾尾处难以设置对撑避免盾尾变形,故对已拼装的3环(第107、108环)设置对撑加固盾尾管片,防止盾尾加剧椭变。通过上述施工方式以达到盾尾脱困目的,施工完毕后运用C30混凝土对施工区域进行回填。

图12 钢板桩安装

根据测量数据计算分析后发现盾尾加强环处最大变形量为75 mm,盾尾加强环厚度为35 mm,与管片外侧间隙为65 mm,由于变形量大于管片间隙10 mm,且加强环耐磨块多出的10 mm较厚钢板导致管片错台较为严重,错台量为20 mm。变形修复前将推进油缸升至最长行程2 500 mm露出加强环,为防止行程计限位自锁,采用200 mm钢墩用于填充推进油缸与管片的间隙。在顶部拼装平台上搭设钢结构支架,如图14所示,在变形位置1号油缸旁19号油缸与2号油缸处进行开槽施工,盾尾壳处开槽长250 mm,深25 mm,盾尾加强环处开槽长200 mm,深65 mm,总开槽长度为450 mm。开槽完毕后运用加热枪对变形位置附近进行加热,加热温度应控制在580 ℃～620 ℃,加热完毕后对变形位置运用行程为100 mm的500 t油缸进行顶升,顶升行程为25 mm,如图15所示。等待钢材自然冷却后重复工序3次,测量并记录顶升变形量与回弹量,修复完成后拆除油缸与工装设备,切除10 mm较厚钢板。根据盾尾椭圆度复测情况发现盾尾向内变形情况有所好转,盾尾加强环处最大变形量由75 mm变为25 mm,与管片外侧间隙为50 mm,基本满足掘进要求,掘进后观察管片拼装情况良好。

图14 钢结构支架示意图

图15 开槽与油缸顶升现场施工图

4 结论

本项目中盾构隧道施工中遭遇不利的富水砂层地层、刀盘结泥饼及盾构被困与盾尾变形情况,针对现场遇到的痛点和难题,通过合理的施工技术与控制,使问题得到了较好解决,主要结论如下:

1)针对穿越富水砂层地层时极易发生的掌子面失稳导致地面塌陷的情况,通过洞内超前注浆加固与地面注浆加固的方式可以较好地解决该施工难题,在超前注浆加固时须核查浆液配合比,记录施工过程并进行施工情况分析。

2)刀盘结泥饼造成刀盘推力增大、扭矩及刀具磨损增大从而导致掘进效率降低,应通过反馈参数分析土仓内的情况,采用分散剂、减磨剂及抗磨剂等针对性添加剂泡沫,保证土仓内土体改良效果。

3)盾构被困与盾尾变形会影响管片拼装质量,严重时会导致盾构被卡住无法正常掘进。盾尾变形

造成止浆板失效,使得渗透水前溢,导致螺旋出土器喷涌;也会使得衬砌浆液前溢导致盾构被困情况加重。通过钢板桩振动破碎与开槽加热顶升的方式可有效解决盾构被困与盾尾变形问题。