复合式土压平衡盾构机通过软弱地层施工
2012-12-05 18:54
复合式土压平衡盾构机通过软弱地层施工
摘 要:南京地铁一号线南延线( 南—岔) 盾构区间工程，线路呈 S 形曲线，地层多为粉质黏土。本文介绍了盾构机通过软弱地层时地面建( 构) 筑物的沉降控制、距离小半径施工时盾构姿态控制、减少长距离小半径隧道中电瓶车车轮磨损控制、上软下硬地层盾构的推进控制、盾构刀具磨损的控制措施、以及盾构机通过全断面硬塑状粉质黏土时的盾构参数，解决了富水砂岩地层盾构机的推进、盾构机通过中间风井和大坡度贯通进站等技术问题。
关键词:盾构机 软弱地层 参数控制
1 工程概况
南京地铁一号线南延线( 南—岔) 盾构区间工程，线路呈 S 形曲线，曲线半径分别为 350 m 和 400 m，区间左线长度为2 027. 348 m，右线长度为2 077. 260 m，线间距在 13. 2 ～37. 4 m 之间。线路纵坡设计为 V 型坡，最大坡度为 25. 325‰，最小坡度为 2‰。区间最大埋深约 22. 8 m，最小埋深约 8. 4 m。工程包括 2 座联络通道和一个由事故机房和泵房合建的中间风井。
从 K6 +270—K7 + 626，隧道穿越 J3x-2中风化泥质粉砂岩，仅局部拱顶位于 J3x-1强风化泥质粉砂岩中; 从 K7 +626—K7 +825，隧道底板从中风化基岩向强风化基岩过度，其拱顶渐渐由强风化基岩向③－3 －1b1 －2粉质黏土过渡; 从 K7 + 825 至岔路口站，隧道底板大都位于③－ 3 － 1b1 － 2粉质黏土中，仅在靠近岔路口站一端局部为②－3b2 －3 粉质黏土，隧道拱顶由②－3b2 －3粉质黏土过渡到③－ 3 － 1b1 － 2粉质黏土，靠近岔路口站一段拱顶位于②－2b4淤泥质粉质黏土中，地下水主要为孔隙潜水。
拟建区间地面上为大片新砌建的厂房、仓库、驾校、工业园厂区、住宅民居及商铺。地形稍有起伏，总体中部稍高，场地吴淞高程 9. 3 ～ 16. 7 m。管线有地下主水管两条，埋深1 ～2 m 左右。区间穿越地层上部为粉质黏土，下部为泥质粉砂岩，属于典型上软下硬复合地层，埋深渐渐变大，但是涉及到的民房数量较多，故该两段建筑物属于重点保护段。
本区间隧道克服由于条件不具备盾构机始发推迟、始发改站、地质条件复杂、地面建筑物较多、南京南站站盾构吊出场地狭小等诸多不利因素，比业主节点工期提前 7 d 完成隧道移交任务，取得“安全文明施工第一、隧道管片拼装质量第一、地面沉降控制第一”的好评。本区间隧道没有产生超出规范的错台，隧道渗漏及破损极少，地面建筑物沉降均控制在规范范围内。创出了多项南京地铁施工生产记录，仅用 8 d 完成盾构机上接收架到拆除的全部工作和 20 d 内完成 2 060m 隧道管线拆除、隧道清理、管片嵌缝和洞门施工等附属工程。本区间盾构隧道工程作业时间见表 1。
本区间隧道采用盾构法施工，两台盾构机从岔路口站左、右线吊装井下井始发，经过中间风井，进入南京南站站贯通后吊出。
盾构掘进所使用的盾构机为德国海瑞克生产的复合式土压平衡盾构机( S432、S433) ，盾构掘进时通过千斤顶向刀盘施加推力，在推进过程中刀盘旋转，刀具切削和刮挖岩层和土层，渣土进入土仓内通过螺旋输送机和皮带输送机送入渣土车，运抵地面，从而完成隧道掘进。掘进方式采用敞开式、半敞开式、土压平衡式三种。掘进过程中通过注浆系统及时进行管片背后同步注浆和二次注浆。
2 工程实施难点及应对措施
2. 1 地面建(构)筑物的沉降控制
该段隧道埋深约 7. 4 m，地下水位稳定埋深 1. 6 ～2. 0 m，盾构施工时易导致原地层强度降低，引起穿越面变形失稳。在盾构掘进中，选择正确掘进模式及掘进参数是控制沉降的关键。为了控制地表沉降，在施工中主要采用了以下措施: ①根据不同的地层及建筑物状况设定相应的掘进参数。②避免盾构纠偏、控制盾构机姿态，盾构在曲线推进、纠偏、抬头或磕头推进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，从而会引起附加变形。③盾构推进过建筑物期间，适当调整砂浆配合比，以加快其凝固时间; 掘进过程确保砂浆注入量不小于 3. 5 m3环，开挖面与管片之间的间隙能及时得到填充; 严格控制砂浆的注入速度，砂浆注入过程要均匀、连续，与掘进同步进行。④掘进过程中，注意发泡剂及水的合理使用，加强对刀具的润滑，保证掘进顺利，同时泡沫中的水有冷却刀盘作用，能有效阻止泥饼的形成。⑤根据同步注浆情况及地面监测数据，适时进行二次补浆。
2. 2 地面监测及建筑物监测
1) 盾构机掘进过程中，地面应安排人员对房屋进行观察，建立地面与隧道内联络渠道，一旦发现异常情况( 如地面漏泡沫漏浆、房屋产生开裂等) 立即通知隧道内盾构机司机停止掘进，并向项目值班领导报告情况，以便采取下一步处理措施。
2) 结合地面测量的反馈信息，由项目总工分析判断后对掘进参数、压浆量、补浆部位、浆液的凝固时间和注浆压力进行适时的调整，控制地表沉降。
2. 3 长距离小半径区间转弯参数控制
该盾构区间线路呈 S 形曲线，具有转弯半径小距离长等特点，具体线路参数见表 2。
2. 3. 1 盾构姿态的控制
盾构推进时仔细考虑盾构开挖参数，合理使用各组千斤顶的推力，尽可能保证盾构机推进轴线符合隧道设计轴线。盾构纠偏时应提前计划好纠偏路线，使盾构机沿平滑、缓和的曲线前进，避免过猛纠正盾构姿态和盾构机的蛇行; 在盾构推进中，根据统计以拼装管片的位移经验值，将盾构机推进轴线尽可能偏向隧道圆心附近 15 ～30 mm，使成型的隧道尽可能地接近设计轴线; 控制导向系统偏差; 及时人工复测修改全站仪后视棱镜的坐标。
2. 3. 2 管片选型
由于线路转弯，盾构机左右两侧的推进油缸分别沿着不同半径的弧线前进，由于弧长( 其实是弧的割线，近似认为是弧长) 的差异，推进油缸的行程会各不相同。为了保证盾构机正常推进，必须通过管片来调整这个行程差。
①盾尾间隙均衡原则: 管片选型最理想的是使管片安装后，盾尾间隙达到均衡，使盾构机在掘进下一环后盾尾间隙仍然在合理范围内。②推进油缸伸缩均衡原则: 管片选型时在考虑盾尾间隙均衡同时，还应考虑掘进千斤顶伸缩差值，并明确当前行程差和推进结束后行程差变化，根据推进油缸伸缩差值对后安装管片的影响，应尽量减小推进油缸伸缩差值。③管片转向与盾构机趋势一致原则: 管片选型时应注意考虑盾构机的趋势，管片选型应与盾构机趋向一致，才能减少推进时引起管片错台。
2. 3. 3 电瓶车车轮磨损的控制
由于该区间隧道曲线半径小、距离长，使得电瓶车在运行时车轮由于受离心力的作用会造成一侧加速磨损。为了保证电瓶车的正常运行，采取了以下措施: ①提高轨道铺设质量，加强轨道的维护管理，按照不同曲线段轨道铺设的要求，合理设置轨道高差、轨距，在轨道接合处必须放置轨枕，轨道安装完成后用Ф16 的直钢筋连接轨枕、提高轨道的整体性，定期检查轨道高差、轨距、及螺栓情况，发现问题及时进行修复; ②加强列车运行的管理，在列车通过小半径曲线段时，尽可能慢速、匀速通过该区域，降低车轮和轨道间的磨损。加强维护检修，并及时更换。
2. 3. 4 联络通道盾构姿态及管片拼装
按照设计要求，联络通道两环钢管片为标准管片、前后两环加强环也为标准环管片，在 350 m 小曲线半径隧道中要连续用 6 环标准环。经推算在 360 m 的小半径盾构施工中，每推一环( 1. 2 m) 千斤顶左右行程差和盾尾间隙变化约20. 9 mm 和4. 3 mm，这给盾构姿态和隧道质量控制带来极大困难。应采取措施调整:①在盾构机头到达第一环加强环前，调整盾尾间隙和千斤顶左右行程差，使其在可控范围内产生一定反方向的差值，以抵消未来产生的盾尾间隙变化和千斤顶行程差; ②盾构机姿态在到达第一环加强环前，使其沿隧道中心线向转弯方向偏差 40 ～ 60 mm，在盾构机通过联络通道这六环直线环时逐步向隧道中心线调整，在此区间保证中线偏差在规范范围内的前提下，人为设置一段近似直线段，以降低盾尾间隙变化和千斤顶行程差; ③生产转弯的加强环，在盾构机通过第二个联络通道前，设计生产 4 环转弯加强环，使盾构机通过联络通道时可以根据需要选择管片，及时调节盾尾间隙变化和千斤顶行程差，保证盾构推进和成型隧道质量。
2. 4 通过全断面硬塑状粉质黏土层参数控制
盾构机在该类地层施工时，由于黏性土本身具有内摩擦角小、黏性大、流动性困难等特点。从开挖面上切削下来的黏土通过刀槽、刀盘开口进入土仓后，在土仓内压力作用下容易被压实固结，由于刀盘中心区开口率小、线速度低且主轴承及其支撑( 牛腿) 的存在使该处的土体搅拌困难，土体首先粘附在刀盘上将刀盘、主轴承及其支撑附近充满填实，并堵死刀盘主轴承及其支撑附近的刀盘开口，使刀盘中心正面开挖下来的土体不能通过刀盘开口进入土仓，最终在刀盘和土仓内形成强度较高的泥饼。对盾构机通过该类地层时采取的措施有:
1) 改良渣土。有针对性地向土仓和刀盘适量加注高质量的泡沫或膨润土或两种混合液，以改善土体的粘附性和流动性。
2) 盾构推进参数的设定。在上述地层施工时，土压力合理设定，并根据地面情况、施工监测情况等尽量降低。适当降低推进速度、刀盘转速尽量提高，充分搅拌土仓内渣土，提高出土效率、降低泥饼形成的机率。
3) 控制循环水温度。严格控制土仓温度，土仓温度与刀盘的冷却程度有很大关系。循环水是刀盘冷却的介质，当推进时间较长、土仓内的温度上升较快时极易造成黏土固结堵塞出土口甚至形成泥饼，必要时在循环池内加入冰块降低循环水温度。
4) 快速匀速施工。避免土仓饱满时长期停机。
5) 土压力和取排土量双重控制土仓内渣土压力。
6) 及时开仓、清仓。如果条件允许，开仓无疑是最为直接有效的预防泥饼形成的措施。
7) 更换合适的软土刀具。在盾构机始发前，根据该段地层情况，把刀盘上的部分滚刀换成羊角齿刀，增大刀盘的开口率。
2. 5 通过上软下硬地层盾构刀具磨损
在上软下硬地层掘进过程中，硬地层造成掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，软土则容易造成超挖，导致地面严重沉降。另外当盾构刀具在软硬地层交界面转动时，由于地层强度变化较大，刀刃或轴承受到巨大冲击，造成刀具刀刃或轴承非正常损坏。主要采取了以下应对措施:
1) 掘进过程中严格控制土压，土仓压力不得小于主动土压，严格控制出土量，根据开挖距离( 推进千斤顶行程) 控制出土量，或反过来根据出土量控制开挖距离，保持开挖土量和排土量的平衡，密切关注渣土的物理性能，并根据地面监测情况进行调整。
2) 维护好泡沫系统，根据开挖情况合理掺加添加剂。掘进时及时向土仓内添加足量发泡剂、膨润土等。
3) 根据实际需要调节千斤顶推力、降低刀盘转速，减小刀具在地层交界面碰撞强度，防止软硬界面处刀具的崩裂及刀具轴承的损坏。
2. 6 富水砂岩地层成型隧道飘移
由于开挖面地下水压较高，开挖下来的渣土本身不具有止水性，高压水穿越土仓、螺旋机，形成集中渗流带动土体颗粒一起运动，在到达螺旋机出口的瞬间，由于出土口外部是无压状态，水带动土颗粒极易发生喷涌。
2. 6. 1 喷涌的控制措施
1) 改良渣土。盾构开挖时往土仓内注入发泡剂、膨润土等添加剂改良土体的渗透性能，降低开挖土体的渗透系数。
2) 采用合理的开挖模式及参数。在此地层推进时不宜采用欠土压模式开挖，尤其是停机时保证一定土压，降低地下水往土仓内的渗流速度。
3) 合理操作螺旋机出土。合理控制螺旋机门的开度及螺旋机转速。通过调节螺旋机转速及出土口开度，保证喷出的泥渣正好被皮带带走而不流到隧道内。
4) 保证实际注浆量。注浆尽可能封闭管片背后开挖面渗水及管片背后的水路。必要时及时进行补双液浆封闭管片背后的水路。
2. 6. 2 管片飘移的控制措施
适当控制盾构开挖速度，降低总推力; 在盾构推进中，根据统计的隧道管片位移经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下几十毫米，可以抵消管片衬砌后期的上浮量，使成型的隧道中心轴线尽可能地接近设计轴线; 管片背后放水、堵水控制管片上浮。由于管片上浮是周边水包裹所致，对于稳定的地层，可以减少管片周围的水来减缓、抑制管片上浮。在脱出盾尾浆液初凝后的管片底部打开吊装孔释放管片周围的水，在隧道后方管片周围注双液浆每隔 10 环做一道止水环隔离带，抑制后方地下水的补给。
2. 7 盾构机通过中间风井时的姿态控制
盾构机从机头进入中间风井到通过再次始发仅有6 m 距离，在此区间隧道设计线路从 13‰ 下坡变为13‰上坡。而在进入中间风井后盾构机只能沿着铺设好的导轨前进无法进行姿态调整，为了保证盾构机再次始发时的姿态，盾构机进入风井前采取了以下措施:
1) 在盾构机到达前 50 m 对中间风井附近所有测量控制点进行一次系统的控制测量复测和联测，对所有控制点的坐标进行精密、准确地平差计算，并对激光经纬仪复检和盾构机机头位置人工测量。盾构贯通前30 m 和 10 m 对 TCA 托架三维坐标进行人工复测，保证盾构导向系统显示姿态的准确性。
2) 盾构机到达中间风井前调正盾构姿态，使其逐渐抬到 0 以上、盾构机中心轴线比设计轴线高 60 ～70mm，这样既保证了设计轴线在规范允许范围内，又保证了盾构机通过风井，再次始发时的盾构姿态。
2. 8 盾构机大坡度贯通进站
接收段隧道设计坡度为 23‰，而车站预留地板的设计坡度为 0，盾构机盾体总长约 8 m，如果沿着设计线路推进，这就造成从刀盘进入车站到中盾进入车站，盾构机机头要抬升 100 多毫米，为了保证管片拼装质量及盾构机顺利吊出，采取了以下措施: ①车站接收底板接收盾构机区域铺设沿盾构推进方向为 13‰的上坡，减小地板与盾构机坡度差; ②盾构机进入接收站前约 30 m，使盾构机轴线高于隧道设计轴线约 80 mm，此时再慢慢降低盾构机趋向，使盾构机保证竖直轴线偏差为 0 的情况下，进入接收站时其轴线坡度降到13‰左右。
3 盾构施工质量控制经验与不足
3. 1 施工经验总结
1) 项目人员的配置
本项目部共配置管理人员 30 名，对比相同条件且同是使用两台海瑞克盾构机的项目部减少管理人员21 名。从施工过程看，项目部采用技术咨询、劳务、附属工程分包，减少了诸如值班经理、地面工程师、质检员、附属工程管理人员等人员的配置，而项目在进度、质量、安全文明施工方面仍取得了可喜成绩并受到各界好评。实践证明这种方式是合理可行的，在精简岗位设置、提高项目管理水平方面积累了宝贵的经验。
2) 盾构刀具的使用
在盾构始发时，根据地层实际情况，把部分滚刀更换为羊角刮刀，通过推进实践证明这种配置是正确的，该配置在软土及上软下硬地层推进了近 700 m，为盾构机通过全断面硬塑状粉质黏土时减少泥饼形成、预防滚刀偏磨、提高盾构推进效率方面取得了宝贵的施工经验。
3) 盾构掘进方面
针对不同地层、线路状况、地面建筑物状况等在盾构推进前制定了详细的技术方案，对盾构推进的参数以指令的形式详细交底。通过采取这一系列措施，盾构机顺利穿越密集建筑物区间，地面沉降控制完全在允许范围之内，保证了地面建筑物的安全，盾构机顺利通过不良地层; 小半径曲线推进时避免了管片破损、错台等小半径曲线盾构施工的质量通病。
3. 2 施工中尚需改进的工作
1) 测量方面
本工程测量控制方面总的控制还是好的，隧道轴线偏差在允许范围之内、盾构贯通误差较小。在曲线处为了保证导向系统正常工作不得不频繁移站，且全站仪离盾尾较近。测量误差偏大的原因未能查明。
2) 后配套设备问题
盾构施工不但依靠较高的管理水平、较先进的盾构机设备，后配套系统对盾构施工的影响不容忽视，后配套机械设备的状况直接决定掘进的速度。
4 结语
本工程从工程初期、始发掘进到最后贯通，隧道施工质量和地面建筑物沉降控制良好，施工采取的措施得当。但盾构施工中在小半径、较软粉砂岩地层掘进中导向系统移站、盾构机姿态、人工复测频率设定等问题在今后的研究中应该重点予以关注。
参 考 文 献
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