软硬不均地层复合盾构的研究及掘进(二)
2008-03-01 00:14
软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术
4.2 不同地质的渣土改良技术
(1) 在砂质黏性土和全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中，主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘扭矩。一般采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。
(2) 在硬岩地段的掘进主要是要降低对刀具磨损、螺旋输送机的磨损，防止涌水，一般采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入含水量较大的泡沫为主。
(3) 在富水地段和其他含水地层采用土压平衡模式掘进时，主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩，一般向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应。
(4) 在砂土地层中掘进时，主要是保持土舱内的压力平衡，以稳定开挖面，控制地层沉降，拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫来改良渣土。泡沫注入量根据具体情况确定。
4.3 泡沫剂的渣土改良技术
(1) 泡沫剂的使用
泡沫剂通常按 1%～6%进行配制，溶于水中。也可根据开挖土体的颗粒级配、不均匀系数、掘进速度、掘进的推力和扭矩的具体情况进行调整。
(2) 泡沫剂的注入
注入方式：泡沫剂的注入可选择采用半自动操作方式和自动操作方式。
注入率：在一般情况下泡沫的注入率的最小值为 20%，当渣土较黏时，为防止产生泥饼或堵仓，泡沫的注入率最小不小于 30%。在实际施工过程中，泡沫的注入率要根据掘进期间对渣土的观察来做相应的调整，而影响注入率的最关键因素为土体的液限、塑限以及土体的含水量。根据经验，土体的黏稠指数 Ic= 0.5 时，土体比较容易改良。其中黏稠指数计算公式为
Ic = (wL－ws)/Ip (4)
式中：wL为土体的液限，ws为土体含水量，Ip为塑性指数。
4.4 渣土改良效果分析
越三区间盾构在残积土层或全风化岩层的掘进时，通过加入泡沫进行渣土改良。掘进过程的典型特征：渣土流动性好，呈塑性状态，渣土上有明显的水的光泽，用手抓渣土时，能比较轻松的抓取；螺旋输送机出渣连续且在皮带机上铺展良好，没有产生泥饼及球状渣土；在渣土中，能明显的闻到渣土中有泡沫剂味；渣土的稠度一般为 25～40 mm。
分析：由于渣土改良效果相对较好，盾构机在掘进时表现了典型软土掘进参数状态，即扭矩不大，掘进速度高而稳定，掘进效率高。
5 地层变形控制技术
5.1 盾构下穿广州火车站时地层沉降控制技术
该区间隧道穿越广州火车站 14 股轨道，隧道与站台关系示意图如图 4 所示。
为保证列车运行安全，要求盾构通过时，轨面沉降值不得超过 10 mm，两股钢轨水平高差不得超过 4 mm，且在任何情况下，最大隆起量不大于+10mm。
盾构穿越站场地段的地层主要是中风化、强风化地层和硬塑残积土地层，区段长约 160 m，埋深约 15 m。由于开挖面自稳能力较差，因此确立施工原则为：模式正确、土压合理、快速掘进、同步注浆、及时补强、严密监测、快速反馈。
(1) 地表沉降主要的控制技术[8]
① 盾构掘进模式：通过计算，为满足轨道和地表沉降的严格要求，采用土压平衡模式掘进。
② 同步注浆：必须采用同步注浆，注浆量为6.5m3/环；注浆压力：(2.5～3.0)×105 Pa。确定注浆压力时，为避免对地层产生大的扰动，以地表不产生隆起为原则，根据地表沉降监测结果，及时进行调整。
③ 土压力：为了确保开挖面稳定，理论上土压力应为静止土压力和水压力之和，并考虑预留量。
土舱内土压维持在 1.5×105 Pa 以上，在掘进的过程中，如果沉降值偏大，适当增大土压力。
④ 掘进速度：掘进速度控制在 5 cm/min。为避免对地层产生较大扰动，并适当控制盾构推力，控制盾构前地表隆起小于 2mm。
⑤ 盾构姿态控制：盾构水平蛇行小于 10 mm/环；上下控制 5 mm/环。减小不必要的地层损失。
⑥ 控制地下水流失：地下水的流失，易引起地层产生固结沉降，使地表产生较大沉降，且影响范围很大。为此要求密切关注作业面的出水量，一旦发现渣土太稀、水量偏大或工作面有地下水涌出，立即关闭螺旋输送机舱门，建立气压平衡或土压平衡模式。
⑦ 监控量测与信息反馈：采用 CZ–8Y 型形变监测仪(自记连通管沉降监测仪)，对轨道实行连续自动监测。根据监测信息，及时调整掘进参数，以减小盾构掘进对地层的扰动，和盾尾通过时地层损失，有效控制地表沉降。
(2) 地表沉降结果分析
① 右线地表沉降控制在很小的范围内，而且变形很快稳定。但地表受左线施工二次扰动，沉降量也有所增大。后由于土渣舱压力较大，地表略有隆起。
② 左线隧道刚进入站场施工时，由于地层稳定性稍差，相应的地层损失增大，最大沉降量 5 mm左右；接着由于土舱内土压力设定较高，局部地表略发生隆起；后经过压力调整，地表沉降 2 mm 左右。
③ 该段达到最大隆起 0.6 mm，最大沉降 5.4mm 的效果，确保了列车运行安全与构筑物的安全。
5.2 盾构下穿近接建筑物的地层沉降控制技术
在隧道施工影响的建筑物中，其中下穿的 167#建筑有 29 根桩基距隧道顶部只有 0.6～2.0 m，隧道与167#楼桩基关系见图 5。如何准确预测并控制隧道施工对桩基的影响，并在施工中采取措施保护建筑物的安全有相当大的难度。通过采用正确的掘进模式、合理的掘进参数、同步注浆等技术，并加强施工监测，根据变形速度和变形量反馈信息，及时变更掘进参数，并对建筑物基础进行加固，得到建筑物测点沉降历时曲线如图 6 所示，最终沉降量控制在 5 mm 内、沉降速度控制在 1 mm/d 内，而且后期沉降很小。说明研究采用的施工参数比较合理，盾构施工对周围建筑物影响较小，保证了盾构顺利穿过 167#建筑和其他建筑物的安全[9]。
6 环形间隙同步注浆技术
盾构环形间隙同步注浆的方式：同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行。浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时起到填充作用，从而使周围岩体获得及时的支撑，可有效防止岩体的坍塌，控制地表的沉降。在地层稳定性差，采用 EPB 模式掘进时，同步注浆的重要性更为明显。
6.1 注浆材料试验
经过 5 次现场试验，不断的调整砂浆的配合比，并对试验结果进行分析。从试验数据可以看出，前面所测试的几组砂浆的稠度、倾析率、1 d 强度基本符合要求，但浆液流动性未达到要求，而且浆液单价偏高，不利于降低生产成本[10]。
根据施工现场情况，为满足不同阶段施工要求，经反复试验调整，获得以下 3 组浆液配比，见表 1。
6.2 盾构环形间隙注浆技术
6.2.1 主要技术参数
(1) 注浆材料选择
根据注浆材料现场试验，同步注浆和即时注浆材料均为水泥砂浆，配比如表 1 所示[10，11]。
(2) 注浆参数选择
注浆压力：根据施工实际，越三区间背衬同步注浆和即时注浆压力控制在 0.1～0.3 MPa，二次补强注浆压力控制在 0.3～0.5 MPa。
注浆量：根据盾构施工环形间隙同步注浆的注浆量经验计算公式：
Q = Vλ(5)
式中：V 为充填体积，λ 为指注浆率。
计算得环形间隙同步注浆所需注浆量为 5.65～7.82 m3/环。二次补强注浆量具体由现场情况确定，以压力控制为原则，单孔注浆量为 2.42 m3，每环注浆量为 7.3 m3。
注浆速度：由注浆泵的性能、单环注浆量确定，应与掘进速度相适应。假设掘进速度为 1.5 m/h，则单泵注浆速度应控制在 70～100 L/min。二次补强注浆可控制在 10～25 L/min。
6.2.2 注浆系统与施工工艺
(1) 注浆系统
同步(即时)注浆系统为自动注浆系统，使用的两个注浆泵，为全液压双缸双出口活塞注浆泵。浆液在搅拌站配置好以后，由砂浆运输车运至注浆站，通过软管抽送至砂浆存储罐内(即搅拌罐)，连接好注浆管路，并设定压力、流量进行注浆。注浆管路采用内径 50 mm 的高压胶管和外径 50 mm 的普通钢管，在注浆孔接头处有抱箍式管接头和抱箍式闸阀以及压力传感器。注浆结束标准亦采用系统的自动控制程序。
(2) 施工工艺
为了使环形间隙能较均匀地充填，并防止衬砌承受不均匀偏压，同步注浆同时对盾尾预置的 4 个注浆孔进行压注，在每个注浆孔出口设置分压器，以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而获得对管片背后的对称均匀压注。
(3) 漏浆现象的处理
盾尾漏浆：一般采取堵漏的方法，用棉纱进行封堵。掌子面漏浆：由于围岩稳定性等原因，造成盾壳与岩面间空隙过大，注浆时浆液会顺着盾壳外壁漏进掌子面，遇这种情况，需利用泡沫注入系统，向盾壳与岩壁间注入一膨润土隔环，防止注浆流入掌子面。
6.3 环形间隙注浆对地表沉降的影响
(1) 右线隧道纵向地表沉降分析
在 YDK17+694.5～YDK17+346 段地层主要是中风化(8)地层，采用敞开模式开挖，注浆方式为即时注浆，其中 YDK17+694.5～YDK17+651 段地表沉降较大，累计沉降达 9.4 mm。分析其主要原因是注浆量不足，注浆填充率小于 1。
(2) 左线隧道纵向地表沉降分析
在 ZDK17+289 和 ZDK17+98 出现较大的涌水，地表沉降明显增大，最大地表沉降超过 50 mm。分析其原因主要是注浆量不足，没能有效填充建筑间隙，在地层压力作用下引起地层向隧道方向收缩。
7 结 论
本文的研究成果拓展了盾构法的技术领域，大大拓宽了盾构法应用的地质范围，成果丰富了隧道盾构法修建技术；为今后复杂地质隧道运用盾构法提供了理论支撑及很好的经验案例，有利于推进我国的盾构法技术的进一步发展。
越三区间隧道施工，达到平均机时利用率67%～75%的国内外最好水平，两度创国内盾构施工进度的最高纪录—单台盾构平均月掘进 236 和331.4 m，最高月掘进 405 和 562.5 m。下穿京广铁路时，地表沉降控制在 5.4 mm、轨道沉降控制在 2.3mm 内，确保了京广线正常运营；临近隧道 0.56～2.0 m 的建筑物桩基最大变形量仅 3.2 mm，确保了既有建构筑物的安全。在软硬不均地层中及复杂线形条件下控制隧道轴线偏差小于 39 mm，在设计要求范围内。
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