行业要闻

盾构进洞段施工中刀盘遇钢板桩瘫痪的掘进问题与对策

 

[摘要]结合上海地铁M8线黄兴绿地~延吉中路站上行线进洞段盾构推进过程中遭遇钢板桩刀盘瘫痪,不能运转的掘进实例,在确保下行线隧道及市政管线安全的前提下,采用地面钻孔取土与盾构闭胸推进、端头井加固区域采用SMW桩防护等一系列施工措施。结果证明,盾构姿态、盾构千斤顶油压、下行线隧道位移、市政管线沉降等参数均控制在允许范围内。

[关键词]隧道工程;盾构法;掘进问题;刀盘瘫痪;施工技术

 

1 工程概况

      上海地铁M8线黄兴绿地~延吉中路站区间设计为左右分离的两个单圆盾构隧道,上行线全长382m,采用法国FCB公司Φ6 340mm(编号6号)土压平衡盾构机掘进施工。当盾构掘进至346环时,遇到管线搬迁时留下的钢板桩,盾构机刀盘无法转动。拔除钢板桩后,刀盘仍无法转动,且螺旋输送机转动困难,推断断裂的钢板桩已卡在盾构机内。

      结合本区段的土质情况,盾构穿越的土层主要为第②3b饱和砂质粉土和④层淤泥质粘性土,盾构上半部分在②3b砂质粉土层中,下半部分在④层淤泥质粘性土中(见图1)。其中第②3b砂质粉土,局部夹粉砂团块,在一定的水动力条件下易产生流砂和涌砂现象,且覆土厚仅5m。而此时盾构机正上方分布有3根正在使用的污水管、雨水管和煤气管线,其中雨水管线和污水管线位置距离盾构机顶外缘不足1.0m,若采用冷冻加固开挖方案,则管线的保护、盾构机起吊难度较大。

      经多次会议研究和现场摸索,在绝对确保下行线隧道及市政管线安全的前提下,采用地面钻孔取土与盾构闭胸推进、端头井加固区域采用SMW桩防护等一系列的施工措施。结果证明,包括盾构姿态、盾构千斤顶油压、下行线隧道位移、市政管线沉降等一系列参数均在控制范围内;经过上百名地铁施工人员前后4个月的日夜奋战,盾构于2004年8月11日进洞,实现了该区间隧道的胜利贯通。

2 地面钻孔取土与盾构闭胸推进施工

      盾构前端钢板桩拔出后,将刀盘油压提高至30MPa,增加第8个油马达以加大扭矩,但刀盘仍不能转动。从盾构设备的安全性能角度考虑,刀盘油压和扭矩已升至极限,而刀盘仍不能转动,可能已被盾构机截断的钢板桩卡死,如果再强行提高油压推进,对盾构机械设备及安全性能破坏极大,同时强行挤压势必对已建下线隧道造成一定的破坏。

      结合现场情况,考虑到盾构机前方至接收井的30m范围内为平地(地面下分布有几条废弃管线),前10m在营口路的自行车道上,后20m在施工围墙内,周边无建筑物。采用盾构不出土试推进50cm,设备状况良好,环境影响不大,于是在做好管内加固、管外卸压、布设好孔隙水压力、土压力、土体位移监测点、盾构螺旋输送机进行全面检修,确保已建下行线隧道绝对安全的前提下,先作5m作为一个试推进段,为后25m的推进提供施工参考。

2.1 试推进段施工

      在对347环50cm的不出土推进,初步得出以下参数:①根据盾构机正常推进参数,设定土仓压力为0.15MPa,实际土压力0.06~0.105MPa;②螺旋输送机油压在2.5~19MPa,少量出土;③大刀盘设定油压上限为16MPa,结果瞬间达到15.5MPa,持续3~5s,无明显改善,即大刀盘仍不能转动;④千斤顶油压10.5~20MPa,推进5~10cm,千斤顶油压即上升到20MPa左右,停止推进,油压开始较快下降至12MPa左右,又可继续推进;⑤推进速度控制在1~1.5cm/min,地面最大隆起30mm;⑥盾构姿态　无明显偏移,较易控制,下行线隧道无水平位移。

      由于采用盾构机不出土推进,盾构机前方的土体易产生固结,在长距离内对周边环境的影响必定很大。因此考虑在盾构前方进行钻孔取土,释放土应力,钻孔深度拟合盾构下半圆,但不能超过盾构外周,否则易造成盾构低头。为尽量减小对周边环境的影响,钻孔取土体积考虑为盾构正常出土的80%,具体根据实际情况调整,钻孔布置初始状态考虑土体的扩散,假设为45°。在盾构前方梅花形均匀钻3排孔,孔的间距为1m。取土顺序为盾构每推进25cm,钻1排孔,共3排。推进最后25cm,重新钻第1排孔。钻孔的同时,考虑到②3b层为灰色砂质粉土夹淤泥质粉质粘土,取土孔壁极易发生坍塌,要求钻孔采用泥浆护壁以避免塌孔。由于钻孔取土与盾构推进的不协调性,为尽量减少地面塌陷,钻孔完毕后及时回填以防止同步注浆浆液从地面钻孔渗出,同时采取每天对盾尾后地面进行压密注浆、盾构前方间隔钻孔取土的办法来控制地面沉降。

2.2 对下行线隧道及管线的保护

      由于盾构推进方向与已建隧道距离逐渐缩小,端头井处最小距离为3.3m。为保证下行线的安全,防止第②3b层砂性土经挤压后失水导致推顶阻力增大,造成对周边土体、隧道进洞口土体及下行线隧道的挤压破坏,采取如下监控措施:

      1)在两条隧道之间靠上行线1.5m打1排卸压孔,孔距为1m。卸压孔被填充后需及时恢复。起始孔位要求位于盾构刀盘45°线上。同时在两条隧道之间靠下行线2m打1排砂井,孔距为3m,以隔离水压。

      2)在下行线隧道1~30环每隔5环布置一组4个收敛点,每隔2环布置一个沉降监测点。收敛监测点位于标准块B1(B2)和邻接块L1(L2)上,沉降监测点选取管片螺栓的螺帽角点,下行线隧道变形和位移每推进25cm观测1次。同时在下行线隧道相应位置每5环用石膏条嵌缝,观察裂缝变化。

      3)地面要求加密布置沉降监测点,特别是市政管线的沉降监测,观测4次/d,施工前后各1次,每推进50cm观测1次,地面监测数据须及时上报,以优化取土量和钻孔布置形式。

      根据现场的施工实况和已建下行线、地面沉降监测结果分析,采用地面钻孔取土与盾构闭胸施工是比较有效的,下行线已建隧道的变形和位移以及地面管线下沉和位移均被有效控制在设定范围值之内,为后25m的推进提供可靠的施工技术参数。

3 进洞段加固区域的施工

      因两条隧道在端头井相距仅为3.3m,且洞门地下连续墙已经凿开,仅留1排钢筋,且端头井加固土体的平均无侧限抗压强度均为0.8MPa以上,采用钻孔取土的办法可能出现的问题是:盾构刀盘面未贴紧端头井的加固体时,加固体可能已经开裂,周围的泥水大量涌入端头井内,造成邻近下行线隧道的变形、破坏,盾尾间隙涌水涌砂、盾构姿态较难控制等问题。针对上述问题作出相应的对策,并采取了一定的措施。

3.1 盾构在搅拌桩加固区域内的掘进对策

      为保护下行线隧道的安全,考虑在两条隧道之间打设一排围护桩,由于养护时间、施工作业面等原因,围护桩选用SMW工法桩。同时为防止地面坍塌过大,在上行线隧道的西侧也做一排SMW工法桩。SMW工法桩围护的范围考虑为从地下连续墙沿盾构机向外11.35m,即加固到盾构机刀头紧贴加固体时,盾尾已进入SMW工法桩围护区。即使产生涌水、涌砂的现象,也能在盾尾及时进行注浆止水。考虑桩的倾斜以及盾构机姿态误差,设定桩的内壁距离6.7m的洞圈为0.15m。加固深度为16m(因刀盘面盾构中心标高为覆土8m左右,SMW工法桩16m即为1倍锚固)。当盾构面紧贴加固区后,首先采用类似前25m推进的方法,钻孔推进。因加固区的土质较硬,须先用地质钻机引孔,再用85P-Ⅱ扩孔取土后推进(经事先打3个试验孔均成功取土)。

      由于盾构机头进入围护结构后,相当于在封闭容器内推进,取土应适当超量,并在连续墙与加固体内钻一排孔(见图2),以减小盾构推力对地下连续墙和SMW工法桩的挤压作用。要求卸压孔施工要超前于钻孔取土施工,尽量减少闭胸推进对下行线隧道的影响,确保下行线隧道的安全。并在地下连续墙上布设位移监测点,密切观察。在盾构进入围护结构前,可利用地质钻机在加固体上沿盾构外周方向钻一排相连的孔,以隔离洞门中心的加固体与周围的连系,尽量减少盾构推力对地下连续墙的影响。

      若在加固区域内采用钻孔后推进仍相当困难,可卸除盾构顶部5m的覆土后再推进,盾构顶部土体按1∶1进行放坡,在3.5m加固区内须加设2道斜支撑,从地面用长臂挖机开挖至盾构中心标高,再从端头井内用小挖机开挖盾构范围内下半圈的土体(不能超过盾构外周)再推进。由于盾构底部有3m的搅拌桩加固区,因此挖到盾构底部时,从底部涌水的可能性较小实践证明,在端头井加固区域内采用钻孔扩孔取土的办法非常有效。

3.2 盾构在加固区域内姿态控制和出现涌水涌砂的对策

      盾构在进入加固区前调整好姿态,在加固区内不应再调整,盾构姿态监测频率要加强。为防止盾构机在加固区内出现涌水、涌砂现象,在施工好的SMW工法桩和地下连续墙之间进行连续注浆加固止水。加强盾尾的密封效果,勤测成环隧道与盾构本体之间的折角,避免折角过大导致盾尾周围间隙不均。拼装管片时,在盾尾间隙圈垫15cm×250cm海绵条;同时提高管片拼装质量,尽量减少因拼装引起的混凝土块剥落,发现碎落及时清除,避免残留的尖利碎块挤压穿越盾尾密封时会损伤密封装置。

      当盾尾进入围护结构后,增加盾尾油脂压注量来加强盾尾密封效果,在盾尾建筑空隙区段压注水硬性浆液或注双液浆封闭(水泥∶水玻璃=1∶1),防止当盾构进洞时,泥水不至于沿盾构和围护结构的间隙进入端头井。盾构进洞后,洞门须尽快施工,防止时间较长后可能的涌水现象。

      由于盾构前方取土、闭胸推进后,施工完成的隧道处于被强烈扰动的土体中,后期沉降可能较大,二次注浆须在盾构进洞后及时施工,以固化隧道周围土体。

4 结语

      上海地铁M8黄兴绿地站~延吉中路站区间上行线进洞段施工经历了极大的挫折,总结全过程的经验,得出如下结论和建议:

      1)选择适合地层条件的盾构类型至关重要,盾构设备性能是隧道施工安全顺利与否的关键,同时上海地铁专家的现场指导和拥有丰富施工经验的技术人员、操作人员也是成功的保证。

      2)盾构下井前对区间沿线地质情况复勘、地下构(建)筑物原始资料的收集汇总是否全面,是区间隧道能否顺利贯通的前提条件。

      3)SMW工法桩施工宜采取一喷一搅、半侧挤压、重复套钻的连续方式进行成桩,尽量减少对已建下行线隧道造成的挤压;同时要精确控制H型钢插入的垂直度,也保证盾构进入围护结构后的姿态安全。

      4)在饱和砂质粉土层中,盾构掘进要重视盾尾密封效果,压浆压力控制要适宜,避免压浆压力大于盾尾密封压力,使浆体残留固结在密封区;拼装管片尽量减少混凝土块碎裂剥落,以免损伤盾尾,盾尾建筑空隙的及时充填可避免建筑空隙区汇聚大量水。

      5)当开挖面遇到障碍物,而掘削设备无法破碎处理时,一定要果断采用有效措施排除障碍物,然后结合现场实际选用合理的、可行的、经济的施工措施,否则会给施工带来较大的影响。

      6)由于钻孔取土与盾构闭胸推进的不协调性,对前方端头井地下连续墙和右侧下行线隧道有一定的影响,因此监测数据的精确与否对优化掘进参数和注浆量至关重要。

 

参考文献:

[1]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991.

[2]日本土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].朱伟译.北京:中国建筑工业出版社,2001.