全断面强富水砂层土压平衡盾构施工技术
2012-09-25 22:35
全断面强富水砂层土压平衡盾构施工技术
摘 要: 以哈尔滨地铁为例，详细介绍了土压平衡盾构在强富水砂层的施工控制措施及实施过程中遇到的问题和解决方法。
关键词: 土压平衡; 盾构; 富水砂层
引言
伴随着施工技术的发展，盾构法施工以其安全性和高效性已成为城市地铁隧道施工的主流工法。其中土压平衡盾构又以其适用范围广、占地省、成本低的特点，占据了其中绝大部分的份额。但是，当地层稳定性较差、含水量较大，渗透性较强时，土压平衡盾构往往难以建立土压平衡，施工风险大，甚至无法掘进。因此，如在上述地层采用土压平衡盾构掘进，需采取特殊的处理措施和施工手段，以确保施工顺利进行。本文以哈尔滨地铁一区间为例，对全断面富水砂层土压平衡盾构施工技术进行了详细的介绍。
1 工程实例分析
哈尔滨地铁一号线 9 标段包含两站两区间，施工场区地处松花江古河滩，区间隧道底板主要在 A3中砂层上，局部在 A3T2粉砂层上。盾构施工断面穿越的地层主要为稍密的 A2层粉砂和中密的 A3层中砂，局部为中密的 A3T2层粉砂。根据地勘报告显示，该层属空隙微 承压含水层，该含水层水平渗透系数为64． 5 m / d，属强透水层，水量丰富，该含水层与松花江主河道水力联系密切。
哈尔滨地区冬季寒冷漫长，地质条件差，沿线老建筑物、管线较多，如何保证土压平衡盾构在该地层的安全顺利掘进成为项目成败的关键。
2 施工风险分析
根据国内类似地层土压平衡盾构施工经验结合本标段的具体情况进行分析，确定本标段盾构施工存在的风险: ( 1) 既有盾构适应性的风险; ( 2) 始发、到达涌水坍塌的风险; ( 3) 加固段掘进土舱壁水泥砂板结无法掘进的风险; ( 4) 掘进中喷涌的风险; ( 5) 穿越构筑物沉降的风险。
3 施工对策
3． 1 既有盾构的适应性分析及改造
本标段采用两台德国维尔特公司的复合式土压平衡盾构机进行施工，既有盾构刀盘设计主要侧重于广州地区的复合地层，刀盘为可安装滚刀的复合式刀盘，开口率为 28%。
为适应富水砂层，将中心滚刀改为中心鱼尾刀，其他滚刀刀座安装轻型撕裂刀，并在刀盘辐条空白区焊接了 26 把先行贝壳刀，在刀盘后部外围合适位置增加一个搅拌棒，以提高刀盘切削土体的能力和土仓内土体的搅拌效果; 为降低了刀盘扭矩，减少刀盘与砂土层的摩擦力，确保渣土顺利进入土仓，在刀盘的六个辅臂割洞增加开口率至 41%。另增加高分子注入系统，满足砂层施工需要。
3． 2 始发到达涌水坍塌风险措施
原设计端头加固措施仅采用双重管旋喷进行加固，加固长度为始发端纵向长度为 9 m，接收端纵向长度为 6 m。旋喷加固处理对地层的强度、稳定性都会有很大提高 ，存在的缺陷是施工过程中垂直度、注浆量、压力、均匀性不易控制往往造成咬合部位致密性差止水效果不佳。加上盾构从刀盘到盾尾全长9． 6 m，盾尾尚未进洞刀盘已出加固区，始发、接收过程洞门涌水几率极大。鉴于此将加固长度变为 12 m，另外在隧道两侧各加设 3 口应急降水井。而在靠近洞门一侧，受地墙施工塌孔、扩孔影响，旋喷经常发生偏钻或喷浆受阻现象，导致桩体无法形成交圈，存在渗水通道，国内多数洞门渗漏水事故均由此引起。为防止洞门凿除过程发生洞门涌水，在离围护结构外 40cm 打设三排间距 80 cm 冷冻管对洞门外地层进行冻结，形成 2．2 m 厚冷冻墙，彻底封闭渗水通道，以确保洞门破除的安全。
3． 3 加固段防刀盘、舱壁水泥土板结的措施
盾构在粘土层中掘进时易结泥饼，原因是细颗粒附着力强，附着在刀盘、舱壁上的粘土长期在 40℃环境下烧结而成。同样道理，在端头加固段水泥土中也会产生类似“泥饼”的水泥砂固结物，一旦出现“泥饼”，会出现扭矩推力大、速度慢，油温升高快、自动跳停等征兆。加上在富水砂层气密性差、气仓不易建立等因素，要进仓清理通常要采取刀盘前另行加固，时间长费用大，可谓劳民伤财。因此加固段掘进必须做到未雨绸缪，鉴于加固段地层较稳定，土仓压力尽量降低，甚至空仓推进，渣土改良剂宜采用泡沫( 可适量加点水泥溶解剂) ，利用泡沫剂润滑性能来改良减小水泥土层粘性以达到预防结“泥饼”的目的。掘进前和掘进结束后应正反空转几次刀盘，初始掘进宜采取小推力、低转速掘进，并可向土仓内注入一定量的水，并加大检测渣土温度的频率，尽最大力量控制土仓温度。在停机期间也要定时转动刀盘。需注意的是，在加固区进入非加固区时，需及时建立土压平衡，避免地层沉降。另外一方面，如有条件，端头加固应提前进行，使水泥充分水化，也能起到降低加固区内的土仓温度的作用。
3． 4 掘进过程防喷涌施工措施
富水砂层掘进最易出现喷涌现象，一旦出现，出土量土压力都不易控制导致沉降大，拼装前清理时间长、掘进效率大大降低，隧道内泥水横流、作业环境会变得极为恶劣。要解决喷涌问题，首先要搞清楚喷涌产生的原因，水大是一个方面，渣土保水性差，也就是常说的水土和易性差、水土易分离是问题的关键，和易性差的原因是级配不良，也就是细颗粒( 0． 075 mm以下) 含量小于 30%。地质报告中都会有地基土物理指标，里面都有砂颗粒组成百分含量，通过看颗粒分析报告就可以看出 0． 075 mm 以下细颗粒含量，低于30% 就要添加含细颗粒的外加剂。外加剂一般为膨润土浆液，必要时也可再添加些高分子材料，加多少先通过初步理论计算后通过现场原状土进行试配实验，最后确定比例，在解决喷涌的基础上尽可能的降低成本。本区间富水砂层采用膨润土浆液比重在1． 03左右，粘度 20 s 上下，按照 6∶1 较合适( 渣土: 膨润土浆液) 注入土仓，取得了较好的效果。高分子聚合物选用两性聚丙烯胺，具有较强的吸水膨胀并增稠性。注入高分子聚合物材料是为提高碴土粘稠度，将碴土改良成塑性流动体，防止或减轻螺旋输送机排土时产生喷涌现象，并防止碴土粘结刀盘而产生泥饼。膨润土浆及高分子材料配比见表 1。
3． 5 下穿构筑物施工措施
在富水砂层中盾构掘进，地表沉降大、地层敏感性高已是业内共识。规范要求沉降 ＜30 mm，对不能拆除的构筑物设计有时会要求 20 mm 以内甚至更高，如何在不采取地面另行加固措施的情况下达到设计要求并确保构筑物安全是不得不面对的难题。盾构施工沉降按业内习惯一般分为前期、中期、后期，前期沉降是指刀盘尚未到达监测点以前的沉降。中期沉降是指刀盘通过至盾尾到达监测点，脱出管片期间的沉降。后期沉降是指同步注浆结束至地层固结稳定期间的沉降。据业内统计前期沉降较小，一般占到总沉降的 5% ～25%，中期沉降一般占到总沉降的 10%～ 30% ，后期沉降一般持续时间较长，沉降区域一般在盾尾后 30 ～ 50 m 范围，沉降比重较大。前期沉降发生的原因理论上讲应该是土压力设定偏低或土压力波动较大超过 0． 2 bar。中期沉降原因业内一般认为盾构倒锥型设计造成前大后小，刀盘直径比盾尾大30 ～ 50 mm，但细想若土压真正平衡，从刀盘到盾尾整个开挖空间都应该平衡，前后设计产生的空隙会被土仓内渣土填充，不存在这平衡那不平衡的问题，因此土压偏低、掘进中刀盘、盾体对地层的扰动产生的影响应更大些。后期沉降主要是注浆不充盈、浆液质量差、固结收缩造成。根据沉降的大致分析，本工程采取了以下应对措施: ( 1) 根据埋深及地面动静荷载做好每一环的土压力计算。经验参数要通过 50 环左右的试验段修正。( 2) 确保渣土改良效果增强掌子面的止水性，严禁出现喷涌。( 3) 通过严格控制盾尾间隙、千斤顶行程差、管片合理选型确保盾构姿态，采取低转速( 1．3 转∕分左右) 减少对地层的扰动。( 4) 采用优质盾尾优质，加大盾尾注脂量确保盾尾刷完好不渗漏。( 5) 掘进中的出土量、同步注浆量真正做到与掘进速度同步，控制细化到每100 mm 进尺的量。( 6)高度重视同步注浆浆液配比的选定，严控初凝时间、稠度、和易性几项指标，浆液要具有一定的流动性、稳定性、可注性，收缩变形小。严禁使用离析的稀浆，目测以达到软塑状态较佳。( 7) 在保证管片安全、盾尾安全的情况下，加大注浆量，注浆压力控制在土压的1． 1 ～ 1． 2 倍，充填系数控制 1． 5 ～ 2． 0 左右以确保充填密实。( 8) 对管片螺栓要进行及时紧固并多次复紧。( 9) 及时进行二次注浆，浆液压力控制在 0． 6MPa以下，使浆液具备一定的扩散性能，又不至于破坏周围土体和同步注浆体。( 10) 穿越构筑物前要做好盾构检修维保工作，确保一次匀速通过。( 11) 编制可行的应急预案，做好应急准备。
4 实施效果
本标段盾构始发、到达安全可靠，未出现任何事故，施工风险得到有效控制。掘进施工喷涌问题只在地层发生较大变化时偶有发生，总体可控。掘进速度保持在 20 mm/min，顺利穿越了沿线老式建筑，沉降符合规范要求。
5 结语
本标段的施工情况表明，土压平衡盾构依靠合理的处理措施和施工手段，可安全高效的完成富水砂层施工，从而扩大了土压平衡盾构的适用范围，增强了施工的安全性，提高了施工效率，降低了施工成本，节约了施工场地。
参考文献:
［1］GB － 50299 － 1999，地下铁道工程施工及验收规范［S］．
［2］GB50446 －2008，盾构法隧道施工与验收规范［S］．
［3］德国维尔特公司． 维尔特盾构机技术描述及参数表［Z］． 2008．
［4］张凤祥，傅德明． 盾构隧道施工手册［M］． 北京: 人民交通出版社，2005．
