盾构施工技术在隧道、地铁等基础设施的建设中,已得到广泛应用。但是,当盾构在复杂地层掘进时,掘进姿态的调整和地面沉降的控制仍旧是一个难题[1,2]。邓斌[3]对盾构穿越上软下硬地层的渣土改良、掘进参数进行了研究,提出盾构机参数设置应动态调整;杨宝[4]提出盾构在上软下硬土层中的土仓压力平衡需要采用气压平衡模式来实现。在以上的研究中,有的在掘进参数的选取上比较模糊,有的未考虑上下地层不同时,不同部分油缸推力应如何实施,还有待进一步地完善。
本研究从掘进参数、渣土改良和盾构注浆等多个方面对软硬地层中盾构掘进存在的差异进行了对比,并给出了具体的数值和施工方法,掘进效果良好。
福州地铁6号线3标段滨海新城站~壶井站采用盾构法施工。该隧道区间盾构隧道覆土约6.51m-15.21m,双线主要穿越地层为中粗砂、淤泥质土、粉质粘土、残积砂质粘性土及全风化花岗岩。但是,根据设计提供的详勘资料显示,滨~壶区间部分路段揭露有大面积中风化花岗岩及微风化花岗岩的存在,且上部或周边存在河流,地下水较发育。其中微风化花岗岩抗压强度约为120MPa,中风化花岗岩抗压强度可达80MPa,盾构在软硬交替地层中掘进,需严格控制盾构姿态和地面沉降,施工难度大。
(1)在软硬交替地层和上软下硬地层掘进时,盾构姿态较难控制,易朝向软弱层方向偏移,造成盾构“抬头”、偏离轴线;
(2)刀盘在不均匀地层转动可能导致土体扰动,另外该区间地下水较发育,上软下硬土层渣土改良困难,可能发生喷涌,从而发生超挖,造成地面沉陷;
(3)刀盘掘进时,上下部分强度差别较大,进尺缓慢,极易造成刀具磨损、偏磨等情况,导致盾构掘进受阻。
为保证盾构施工工期及盾构机安全通过软硬交替地层,需对双线“基岩段”进行预处理。杨强[5]曾提出对球状风化体可采用挖孔破碎法及直接切削法等手段,但由于本文隧道区间基岩段主要为上软下硬地层且岩石强度较大,以上方法在实际施工中难以实施。本区间借鉴朱宏海[6]的研究成果,采取钻孔爆破和密打孔相结合的方式对“基岩段”进行了预处理,将基岩破碎成粒径小于30cm的石块。考虑到上部软岩对地层变形较为敏感,区间对软硬复合地层进行注浆加固,减小盾构掘进对周围地层的扰动,提高掘进的均匀性和掘进安全。
根据地层条件,区间选用中铁279复合型土压平衡盾构机,与普通盾构机的区别主要有:配备同时适应软硬岩掘进的刀盘、改良泡沫剂注入装置、加装刀盘及土仓搅拌装置、加装螺旋输送机防喷涌装置。盾构机刀盘开口率为30%,配置45把滚刀,当刀具磨损大于10mm时,便需要进行更换。
在不同地层中盾构掘进的推力也不相同,推力需要根据实际地层进行动态调整。随着推力的不断增加,扭矩也会相应增长,而扭矩是岩石破碎工作中的主要部分。当盾构在较软地层中掘进时,推力相对较小,而到达硬岩石部分时,则需要增加推力,但在上软下硬地层如果推力过大,可能会导致刀具和刀盘变形,甚至出现刀盘卡死现象。本区间在软硬地层交界处设置了20环的“试验段”,以保证盾构的正常掘进。本区间当盾构在较软地层掘进时:砂土和素填土地层推力控制在9000kN-10000kN,扭矩控制在900kN.m-1300kN.m;当在粉质粘土和砂质粘性土推进时,推力控制在9000kN-10000kN,扭矩控制在1000kN.m-1300kN.m。基岩段掘进时的推力和扭矩具体见表2,且在“由软入硬”、上软下硬地层中掘进时,适当增大下部油缸推力减小上部油缸推力,保证掘进的均匀性,避免发生偏移。当地层含水量增大,变得更加密实时,推力与扭矩会有所提高。
刀盘在上软下硬地层掘进时,硬岩部分会增大刀具所受的冲击,刀盘转速越快,其所受冲击也越大,掘进速度会影响到盾构刀盘对地层的干扰程度。因此,掘进时刀盘转速和掘进速度也需要根据地层变化做出相应调整。在较软地层掘进时,转速约为1.2rpm,掘进速度控制在40mm/min-60mm/min;在全断面基岩掘进时,转速控制在1.5rpm左右,掘进速度控制在2mm/min-10mm/min;在上软下硬地层掘进时,转速设为1.1rpm,掘进速度控制在2mm/min-10mm/min。掘进时可通过密切关注出渣情况和刀盘声响及时对掘进速度进行调整,在由软弱地层向基岩段推进时,速度要逐渐降低。当渣土中石块较少,且刀盘无异常响动时,可利用增大刀具贯入度的方式提高掘进速度。盾构掘进时,盾构姿态调整应控制在3mm/环以内,避免急纠和猛纠,减小因姿态调整而产生的超挖,达到控制沉降的目的。当盾构由于地层条件变化较快而未能及时调整盾构姿态,导致滚动角超出控制范围时,可通过在油泵撑靴与管片间夹垫钢板,利用固定于钢板上的千斤顶推动盾壳旋转,可有效的解决千斤顶受力不均,管片易破碎的情况[7]。
(1)土仓压力
为控制地表沉降,防止超限,土仓压力同样需要随地层的变化而变化。土仓压力可将静止土压力作为计算依据,结合0.1-0.3bar的预备压力进行设置。在基岩段掘进时,掘进速度较慢、扭矩较大,在平衡土仓压力上存在一定难度,可通过气压平衡进行改善。在实际掘进过程中,要确保出土速率与推进速度相匹配,将土压变化控制在±0.2bar,防止土压波动过大引起的沉降。
(2)渣土改良与出土量控制
盾构在软弱交替地层中掘进时,刀具容易受损,泡沫剂可起到润滑、降温作用,能够避免泥饼现象发生,对刀具起到一定的保护效果。另外,渣土改良还可提高渣土的流塑性能,防止渣土喷涌,提高出土效率。泡沫剂需根据地层情况进行调整,区间内所用的泡沫溶液信息如下:砂土和素填土地层,CF=1.5%、FER=10-15;粘性土地层,CF=2.2%-2.5%、FER=10-15;基岩段,CF=2%、FER=10-15,出渣显示石块多被磨碎。
区间隧道开挖直径为6.47m,理论出土量可根据公式(1)计算得出:
式中D为开挖直径,L为管片宽度,取1.2m,求得每环理论出土量为39.45m3。根据工程经验和试验段测试结果,实际出渣量设置为:软弱土层45m3,基岩段50m3。
(3)注浆管理
当盾构掘进管片拼装完成后,需快速采用浆液材料填充管片与土层间的环形间隙,其目的在于:防止和减少地层沉降,保证环境安全;保证地层压力较为均匀地径向作用于管片,限制管片位移和变形,提高结构的稳定性;作为第一道防水层,加强隧道防水。因此,同步注浆的效果好坏直接影响着盾构掘进的安全与否。本区间管片外径为6200mm,则每环理论注浆量由公式(2)计算得到:
式中D1是管片外径,可得到每环管片理论注浆量为3.22m3,根据施工经验和地层条件,区间在软弱地层中每环注浆量设为4.5-5m3,在基岩段设为5.4-6m3。在软硬地层中,浆液的配比情况相同,如下表所示。
在盾构穿越基岩段后,及时进行补压浆及必要的跟踪注浆,继续对掘进过后地表沉降进行监控量测,一旦发现异常现象,立刻在隧道内进行后期补压浆,注浆按“少量多次”的原则,必要时从地面钻孔或预埋花管进行跟踪注浆,以确保隧道的安全稳固。下表给出了软硬交替地层中盾构掘进参数的对比情况。
盾构在软硬交替地层中推进时,要特别注重动态监测,并根据监测数据分析盾构掘进状态,及时调整盾构掘进参数及采取其他相应的保证隧道安全稳固的措施。区间隧道上方主要为耕地、荒地及拆迁房屋,每10环设置一个地面沉降监测点,根据何祥凡[8]数值模拟得到的盾构掘进横断面上沉降最大位置一般在中心线处的结果,监测点被布置在隧道中心线上方地表,具体如下图所示。
下图给出了盾构右线掘进时,460、480、510、530环对应监测点的地表沉降数据,盾构左右线的沉降曲线类似。盾构右线于2018年7月24日始发,其中,460环为软弱地层,480环位于软弱地层和全断面基岩交界位置附近,510环在全断面基岩和上软下硬地层交界位置附近,530环为上软下硬地层。
由图中可以看出:(1)当盾构掘进位置距离监测点较远时,地表沉降的变化速率缓慢,这表明盾构对较远地层的扰动较小;(2)当盾构逐渐趋向于监测点时,地表沉降的变化速率开始增长,8月28日-8月29日,460环的沉降变化速率较之前有着较大变化,此时盾构掘进位置据监测点约为100m,同样,480环的沉降变化速率也有着十分类似的趋势;(3)监测点的沉降变化速率最大值通常发生在盾构掘进至沉降点位置附近及通过沉降点时,此时盾构对所处地层的扰动较大,要做好监测工作,及时反馈沉降信息,避免安全事故的发生;(4)当盾构在上软下硬地层中掘进时,初始阶段地表沉降变化速率较大,且由于上部地层较软,当各部分油缸推力较接近时,容易发生刀盘向软弱地层偏移,此时需要增大下部油缸推力,保证盾构的稳定掘进。由图7中所示,通过调整不同位置的油缸推力,可以看出沉降变化速率降低,根据实际掘进中的推力数据和掘进效果,将掌子面上中下三部分顶推力的比例范围设成1:1.1:1.5-1:1.5:2.0作为参考。
(1)盾构掘进参数应随地层的变化而改变,推力和扭矩根据地层密实度和硬度及时调整,土仓压力可将静止土压力作为基础,结合掘进速度和地层情况适当增加;不同地层下泡沫剂的配比也存在差异,每环出土量和注浆量基岩段稍大于软弱地层。
(2)盾构在软硬交替地层中掘进时,应避免对盾构姿态的急纠猛纠,盾构姿态调整应控制在3mm/环以内,当地层条件变化较快而未能及时调整盾构姿态,导致滚动角超出控制范围时,可通过在油泵撑靴与管片间夹垫钢板,利用固定于钢板上的千斤顶推动盾壳旋转。
(3)盾构在上软下硬地层中掘进时,进行预先加固和适当调整上中下三个部分的油缸推力可减小地面沉降的变化速率,掌子面上中下三部分顶推力的比例范围设成1:1.1:1.5-1:1.5:2.0作为参考。
(4)盾构在软硬交替土层中掘进时,沉降监测是十分重要的一个部分,盾构影响地表沉降的距离约为100m,且盾构在沉降点附近及下方掘进时,会导致该处较大的地表沉降,在盾构隧道掘进穿越基岩段地层的过程中,其软硬交界面处地表沉降会随隧道的掘进显著增大,盾构掘进需要在到达某地层前,提前进行调整,并根据沉降监测数据及时地采取保证盾构安全的措施。
摘要：福州地铁6号线滨海新城站～壶井站区间隧道盾构机掘进时,需穿越软硬交互地层,给盾构掘进带来较大的难题。本文从盾构选型、掘进参数、渣土改良和盾构注浆等多个方面对比了软硬地层中应采取的合理数值和措施,分析了土压平衡盾构机在此类复杂地层下的注意事项和掘进方法。结果表明:1)掘进参数在软硬地层中存在差异,应根据地层条件及时调整;2)上软下硬地层中调整不同位置的的油缸推力可较好地保证掘进姿态和地面沉降;3)软硬交替地层中,需做好渣土改良和出土量控制,严格把控地面沉降监测。本研究的成果保证了盾构的安全掘进,可为之后盾构在类似地层掘进提供参考依据。
关键词：软硬交替地层,掘进参数,沉降监测,盾构隧道
[1] 任福松,金建俊.地铁施工中的盾构机姿态控制研究[J].公路工程与运输. 2009(204):134-137.
[2] 朱江涛.盾构掘进姿态的影响因素及纠偏[J].施工技术,2017(16):88-90.
[3] 邓斌.浅谈城市轨道交通盾构施工上软下硬地层施工技术[J].施工技术, 2017:125-126.
[4] 杨宝.盾构穿越上软下硬及硬岩段施工技术分析[J].城市道桥与防洪, 2018, 45(4):157-158.
[5] 杨强,王璐.土压平衡盾构穿越不良地质施工技术[J].科技创新与应用, 2013(26):190.
[6] 朱宏海.上软下硬复合地层地铁盾构隧道设计及施工探析[J].隧道建设, 2015, 35(2):144-148.
[7] 朱俊阳.淤泥质土地层盾构机滚动角纠正施工技术研究[J].工程技术,(2018)10-0097-03.
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