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富水圆砾地层土压盾构施工中的风险及对策

  在进行地铁盾构隧道施工中,由于施工技术的多样性,施工环境因素的复杂性,导致盾构施工具有一定的风险性。
  南宁市轨道交通1号线一期工程陈村站~广西大学站(一站三区间)土建施工项目,盾构区间采用2台直径6280mm的德国海瑞克土压平衡盾构施工,共3次始发、3次到达。盾构先在广西大学站始发掘进鲁班路站~广西大学站区间和动物园站~鲁班路站区间;掘进完这2个区间后盾构始发基地整体搬迁至动物园站,盾构在动物园站始发掘进清川~动物园站区间,最后在清川站到达吊出,完成隧道掘进。其中广西大学站盾构始发工法为盾构密闭始发工法,其它站点均采用常规的盾构始发、到达施工。在该工程盾构施工中,出现了地面沉降、盾构磨损、富水圆砾地层中掘进喷涌、开仓换刀、过江风险等问题,提出相应对策。
  1.地面沉降
  本标段盾构隧道通过地层主要为圆砾层⑤1-1,局部穿越砂层、粘土层,上方地层中存在大量地下管线,道路上有行人和车辆,一旦造成道路沉陷、坍塌,将可能造成重大人员伤亡或财产损失。动~鲁区间需近距离穿越心圩江桥桥桩,如果地面沉降过大,可能造成桥梁倾斜、倒塌。通过预定方案,在实际施工中出现的小幅度地面沉降,采取以下做法。
  1)查看是否超挖①计算理论出土量需要结合各地层松散系数和地下水等诸多因素,进行掘进时,做好实际出土量统计,并与理论值对比,当地面出土量超过5%理论值时,分析洞内外的监测数据,查看是否超挖;②一旦存在超挖导致地面沉降,马上调节螺旋输送机出土速度,增加土仓的土含量,对顶部的建筑物或管线进行保护,进行加气压非满仓掘进;③根据统计超挖位置和超挖量,通过盾尾注浆及时将超挖量回补。盾尾注浆孔口的注浆压力应大于隧道埋深处的水土压力。
  2)保证注浆量①采用同步注浆和二次补浆两套注浆系统,确保注浆量满足要求;②根据理论计算,管片和围岩间的施工空隙体积为4.05m3,为了达到良好的填充效果,含圆砾地层中至少应保证注浆量在150%以上,即每环注浆量6.3m3以上。注浆量以注浆压力控制为主,注浆压力一般控制在外界水土压力+60~80kPa之间,若压力明显增大,则暂时停止注浆,以免注浆压力击穿地层或破坏管片。
  3)加强施工监测 在盾构施工及相关辅助工程(比如地基加固、跟踪注浆等)的施工过程中,针对相应范围内建(构)筑物及地下管线,进行全面性的监控测量,信息化施工。根据反馈内容,调整优化各项施工参数,以确保盾构施工安全和建(构)筑物、地下管线的正常使用,必要时采取应急措施。同时依据监控测量项目的内容,应根据建(构)筑物、地下管线的具体情况以及相关部门的技术要求确定监控测量方案。
  2.盾构磨损
  本项目盾构隧道区间穿越地层58%~93%为⑤1-1圆砾层,盾构须长距离在圆砾地层中掘进,刀盘、刀具和螺旋输送机极易磨损。为此采取的措施有:
  1)主切削刀具配置中心刀具(1#~8#轨迹线):4把中心双齿刀,刀高175mm;正面滚刀(9#~39#轨迹线):31把单刃宽刃滚刀。
  2)其它刀具配置面板焊接21把先行刀,刀高160mm,21把刀分开焊接在离厂家设计位置最近的主切削刀具轨迹线上,焊接位置均匀分布在轨迹线上;正面刮刀28把,刀宽250mm,刀高140mm,双排螺栓;边缘刮刀8把,刀高140mm,双排螺栓;边缘保径刀6把;磨损检测装置2个。
  3)增强螺旋输送机的耐磨性螺旋输送机壳体内壁焊接合金条,叶片焊接耐磨块及中轴采用耐磨焊满焊;单独设计刀具,增强刀具母材及表面的耐磨性,刀圈镶嵌合金块(图1、图2)。
 
 
  3.富水圆砾地层中掘进喷涌
  该盾构隧道穿越的地层主要为富水圆砾地层,渗透系数80~105m/d,盾构中心水头4~14.8m,为了避免产生管涌、流土等渗透变形现象,采取以下做法。
  1)采用Φ800mm的轴式双闸门螺旋输送机设计(图3),能排出尺寸在290mm×520mm以内的石子,且能有效防止螺旋输送机喷涌。
 
  2)多元化渣土改良:①土仓注入足够的稠泥浆,根据国外施工实例,圆粒层段掘进时需向土仓内注入粘土改良成流塑状态,实现满仓掘进并有效防止喷涌,稠泥浆输送采用混凝土泵(接力)连续将稠泥浆送入台车储罐内,再由柱塞泵送入土仓;②通过泡沫系统注入膨润土浆到刀盘面板;③必要时注入聚合物改良渣土,特别是可能喷涌时在螺旋机前端注入;④发生喷涌后立即关闸停机,首先在螺旋机前端注入聚氨酯封堵,再对土仓渣土补充改良,然后利用双闸门分次排土掘进,尽早恢复正常状态。
  4.开仓换刀
  盾构隧道穿越的地层主要为自稳性较差的富水圆砾地层,渗透系数80~105m/d,盾构中心水头4~14.8m,自稳性较差,除联络通道加固范围外常压下开仓存在坍塌的风险。为了确保进仓作业人员的安全,必须采用带压开仓。
  配备带压进仓系统:①配置充足的压缩空气供应系统:每台盾构分别配置2台10m3/min空气压缩机,为在透气性大的砂砾石地层中带压进仓换刀创造条件;②配置压缩空气自动调节系统(Samson系统):Samson系统能设定土仓内气体压力,当土仓内气体压力波动时能自动调节,保持土仓内压力的恒定,为人员进仓作业提供了可靠的保证;③配备超前钻机系统:通过在中盾、承压隔板上开设超前注浆孔实现对刀盘前上方掌子面的超前加固,从而实现稳固土体开仓换刀的目标。
  5.盾尾密封
  本项目线路单线最长为1440m,掘进地层主要为圆砾层,对尾刷的磨损影响较大,地下水位高于隧道埋深最大为14.8m,该地层渗透系数大,为了确保本工程施工的安全,需保证盾尾止水效果,施工过中做好尾刷的保护及更换措施,确保盾尾密封的完好性。
  1)保证盾构始发前第一次油脂的涂抹质量。
  2)保证油脂质量及施工中盾尾油脂量和压力。
  3)控制壁后注浆压力,避免浆液击穿盾尾刷。
  4)保证管片拼装质量,防止管片拼装变形和管片错台后使得盾尾密封无法紧密包裹整环管片,形成渗漏通道。
  5)对管片拼接边的管片缝隙粘贴可压缩防水密封填充物,保证盾尾刷紧贴管片,保证油脂仓饱满,有效保护盾尾刷。
  6)掘进过程中出现尾刷磨损转为严重,但距离接收井较远,因此选择在联络通道加固体进行尾刷的更换,掘进过程中的盾尾刷更换只能更换盾尾前两排尾刷,更换后满足了盾构正常掘进。
  6.盾构过江风险
  动~鲁区间盾构需下穿心圩江,且需近距离从心圩江桥桩和高压电线塔通过,隧道边界距离桥桩最近为7.4m。心圩江底隧道拱顶从下往上依次为约5.5m的强透水层圆砾地层、0.5m的淤泥质粘性土层厚和2m的填土层,地层稳定性较差,且心圩江下游已拦坝蓄水,致本区间水位上升,盾构在通过时容易出现河床沉降或塌方情况,甚至影响心圩江桥桩的稳定。盾构通过前进行优化掘进参数、编制应急措施、防止河床沉降及喷涌,使盾构快速顺利地穿越心圩江。
  1)盾构在过心圩江过程中,其覆土厚度从17m变化到8m,施工过程中对土仓压力进行控制,防止江底的隆起,减小对地层的扰动。
  2)盾构在过心圩江前先通过动物园站~鲁班路站2#联络通道加固体,在加固体内提前对刀具进行检查及更换,并采用全新刀具配置通过心圩江底,确保盾构在通过江底时不会出现由于刀具磨损导致扭矩过大而无法掘进的情况,确保盾构顺利迅速通过。
  3)在盾构通过前对盾构设备进行全面检查,特别是盾构施工易磨损的部位进行更换,确保盾构以最佳的状态通过心圩江。
  4)采用满仓模式进行掘进,可有效防止上层覆土的坍塌,且控制好开挖量,严禁超挖,加强监测,做好防喷涌措施。
  7.结语
  本工程通过地层主要为圆砾层⑤1-1,局部穿越砂层、粘土层,在盾构掘进扰动中其稳定性较差,易产生沉降。盾构长距离在圆砾地层中掘进,刀盘、刀具和螺旋输送机极易磨损,因此通过提前制定应对方案,并在实际施工中得以有效的应用,减少后续施工困难,确保施工的安全性,优质高效的完成该项目施工,为后续同类地层施工积累了丰富的经验。