淺談盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)應(yīng)用措施
摘要：本文筆者結(jié)合工程實例,介紹其設(shè)計和施工要點、土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)、盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力計算、盾構(gòu)刀具與欠壓推進處理技術(shù)等。
關(guān)鍵詞：地鐵工程，隧道施工，砂卵石地層，盾構(gòu)法
1引言
砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層,在無水狀態(tài)下,顆粒之間點對點傳力,地層反應(yīng)靈敏,刀盤旋轉(zhuǎn)切削時,刀盤與卵石層接觸壓力不等,導(dǎo)致刀頭震動,在頂進力作用下易產(chǎn)生坍塌,引起圍巖擾動和地層變形。當(dāng)圍巖中的礫卵石越多、粒徑越大時,擾動就越大;當(dāng)隧道頂部大塊卵石剝落時,極易引起上覆地層的突然沉陷。
2工程概況
廣州市軌道交通三號線北延段施工區(qū)間2標(biāo)盾構(gòu)工程位于廣州市白云山東側(cè)，線路從春蘭花園（南方醫(yī)院站南端）向南沿廣州大道北路行進，區(qū)間中部穿越梅賓街私人住宅樓群，到達怡新花園大門（梅花園站北端）；區(qū)間起止里程為Y（Z）DK-3-725.600～Y（Z）DK-2-544.300，右線隧道全長1181.3m，隧道埋深約20～26m，最大縱坡6‰。
3砂卵石地層盾構(gòu)施工難點
3.1隧道開挖面穩(wěn)定性控制問題
在砂卵石地層未受擾動情況下,土層顆粒倚靠直角的摩擦咬合作用維持區(qū)域土體穩(wěn)定,盾構(gòu)在砂卵石地層掘進過程中若開挖面壓力不足,或大塊卵石并排排出時,或螺旋輸送機的排土量大于刀盤切削土量,在刀盤前上方會產(chǎn)生較大的空洞區(qū)域,卵石或礫石將相繼松動,快速在開挖面上方引起較大的塌落區(qū),繼而使得上覆砂性土和粘性土層產(chǎn)生的松動范圍加大,在隧道上方土層較薄處將引起較大的地表沉降。如果上覆土體的抗剪強度較低,還會引起空區(qū)上方土體突然冒落,產(chǎn)生砂卵石地層盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象。
3.2盾構(gòu)機密封艙土壓平衡問題
盾構(gòu)機密封艙內(nèi)建立土壓平衡比較困難,甚至實現(xiàn)不了土壓平衡的功能,因為,砂卵石地層易坍塌,不易保持開挖面的穩(wěn)定;大粒徑砂卵石不但切削或破碎難,而且切削下來的碴土經(jīng)螺旋輸送機向外排出也十分困難。砂卵石處于密封艙內(nèi),螺旋輸送機內(nèi)以及盾構(gòu)周圍,對盾構(gòu)機的擾動,振動很大,不利于掘進參數(shù)的調(diào)整,包括推進千斤頂?shù)膲毫?螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速及排土門的開度,盾構(gòu)機位置及姿態(tài)控制等。因此,砂卵石地層中盾構(gòu)掘進時,須采用理想的添加材料,有效地解決切削土體的塑流化問題。
4砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)
4.1土壓平衡技術(shù)
(1)土壓平衡工作原理
用于本區(qū)間的兩臺盾構(gòu)機均由德國海瑞克公司生產(chǎn)，并由西門子的S7-PLC自動控制系統(tǒng)控制,配備了機電一體化的液壓驅(qū)動系統(tǒng),同步注漿設(shè)備,泡沫設(shè)備,膨潤土設(shè)備及SLS-T璐直激光導(dǎo)向設(shè)備,可在地面監(jiān)控室對盾構(gòu)機的掘進進行實時監(jiān)控。配套設(shè)備有龍門吊、電瓶機車、攪拌站、注漿泵、冷卻塔、隧道風(fēng)機、電焊機、空壓機等。開挖土倉由刀盤、切口環(huán)、隔板及螺旋輸送機組成。土壓平衡盾構(gòu)就是將刀盤開挖下來的土砂填滿土倉室,在切削刀盤后面及隔板之間裝有能使土倉室內(nèi)土砂強制混合的攪拌臂。借助盾構(gòu)推進液壓缸的推力通過隔板進行加壓,產(chǎn)生泥土壓,這一壓力作用于整個作業(yè)面使其穩(wěn)定。刀盤切削下來的土渣量與螺旋輸送機向外輸送量相平衡,維持土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定在預(yù)定的范圍內(nèi)。土倉內(nèi)的土壓力通過土壓傳感器測量,為保證一定的土壓力,可通過控制推進力、推進速度、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速來控制。當(dāng)土倉內(nèi)的土壓力大于地層土和水壓力時,地表將會隆起;當(dāng)土倉內(nèi)的土壓力小于地層土和水的壓力時,地表將會沉陷;因此土倉內(nèi)的土壓力應(yīng)與地層的土壓力和水壓力相平衡。
(2)土壓平衡盾構(gòu)模擬
為了深入分析盾構(gòu)隧道施工引起的地層位移場、應(yīng)力場及地表變形情況,建立了三維數(shù)值模型進行分析(見圖1)。
通過模擬分析發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)開挖推進時,周圍土體位移具有明顯的三維特征。在縱向方向上,盾構(gòu)開挖面前方隆起,盾構(gòu)開挖面后方沉降,在盾尾沉降速率加大,在盾尾后方約20m后沉降值趨于穩(wěn)定。橫向方向,土體沉降形成沉降槽,沉降槽寬度從開挖面向后逐漸增大,在盾尾處趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)開挖面后,隧道拱頂至地表及其擴散影響區(qū)域豎向位移方向均向下,其橫截面沉降曲線近似反向正態(tài)曲線,中心處地表沉降值最大,兩邊隨距離增大逐漸減小;隨著盾構(gòu)開挖推進,開挖面后方地表豎向位移變化趨勢不會受到影響,盾尾后方斷面橫向擴展變緩;在底拱及其向外擴散影響區(qū)區(qū)域豎向位移方向向上,即底土體隆起,底拱中心處隆起量與中心地表處沉降量相當(dāng)(圖2~圖5)。
4.2盾構(gòu)刀具改進
(1)刀具選材及結(jié)構(gòu)形式
在砂卵石地層中,刀具的磨損形勢主要包括石英砂對刀具產(chǎn)生的磨耗磨損和卵石對刀具的撞擊損傷。因此,在這種地質(zhì)條件下進行盾構(gòu)施工,就對刀具的硬度、耐磨性有了更高的要求。
在那個區(qū)間將兩臺盾構(gòu)機的刀具全部進行了更換,采用碳化鎢合金替代硬質(zhì)鈦合金鋼做為刀頭,即在刀口部分及切削土砂(卵石)沿刀具向后流動所經(jīng)過的刀具表面,嵌入硬度高達3000HV的碳化鎢合金。S294盾構(gòu)機的8組鏟刀(邊緣刀),每一組上都有7~8塊整體合金塊。整體合金塊在砂卵石地層鏟切土體時,極易大塊碎裂、整體脫落。因此,要求海瑞克公司對這種鏟刀進行了改進。新刀具上改進后的合金塊,則是用大量直徑2、3mm的合金顆粒堆積而成。由于合金顆粒塊在受到卵石撞擊時,只是在撞擊部位可能造成合金顆粒小部分脫落,不易斷裂,延長了刀具的使用壽，所以與整體合金塊相比,更適合用于廣州地鐵北延段盾構(gòu)施工,命。
(2)刀具在刀盤上的分布改進刀具的同時,設(shè)計出了一種超前刀(先行刀)切削土體的方式。從學(xué)~花區(qū)間用過的廢舊切削刀(齒刀)中,挑選部分焊接刀盤上,(S206,21把;S294,12把)突出標(biāo)準(zhǔn)切削刀20mm,起到了超前刀(先行刀)的作用。刀具切削土體時,超前刀與切削刀組合協(xié)同工作(見圖7)。超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體,將土體切割分塊,為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。
采用超前刀后,刀具切削土體的流動性顯著增加,大大降低切削刀的扭矩,提高了刀具切削效率。同時,由于超前刀比切削刀高出20cm,只有當(dāng)超前刀的高度磨損大于20mm后,切削刀才直接切削土體,從而有效的保護了這些標(biāo)準(zhǔn)刀具,延長了刀具的磨損長度,大大提高了刀具整體抗磨損(耗)能力。
4.3泡沫技術(shù)應(yīng)用
(1)泡沫技術(shù)原理
盾構(gòu)機在砂卵石地層中掘進時,僅僅通過加水或膨潤土液往往不能有效改善土體的流塑性,
致刀盤扭矩增大,螺旋機出土不暢,掌子面失穩(wěn)。泡沫注入一方面能夠改善土體的流動性及透
性,達到穩(wěn)定掌子面的效果;另一方面細密的泡沫布刀盤周圍和土體之間,大大降低了扭矩,有效保了刀具。通過泡沫技術(shù)的應(yīng)用(見圖8),盾構(gòu)在個區(qū)間砂卵石地層中掘進時,推進速度、刀盤扭矩地面沉降均得到良好改善�！�
(2)泡沫加注參數(shù)
①S206的膨脹率(FER)值在1∶10~1∶15之間,注入比(FIR)值在15%~20%。
②S294由于較S206油脂注入系統(tǒng)缺少2個點位,漏漿現(xiàn)象相對出現(xiàn)較多。通過增大FER值,減少盾尾周圍氣體壓力,緩解漏漿,故FER值一般取在1∶6~1∶8之間;FIR值也因刀盤主驅(qū)動較小比S206要大,一般取在20%~30%。實際應(yīng)用中,根據(jù)刀盤扭矩的變化和出土情況,不斷優(yōu)化FER、FIR等泡沫注入系統(tǒng)的參數(shù),合理調(diào)整泡沫劑用量。
4.4密封油脂配方
盾構(gòu)機在穿越砂層的過程時,因受承壓水的作用,出現(xiàn)盾尾漏漿、漏水的情況,使用目前國際上公認密封效果最好的國外某品牌油脂,也不能解決問題,嚴(yán)重地制約了施工進度。通過對漏漿及油脂使用情況的調(diào)查,結(jié)合以往廣州地鐵盾構(gòu)施工的經(jīng)驗,經(jīng)過研究分析,得出結(jié)論,此種地質(zhì)條件要采用泵送性好、粘度高、坍落度大以及流動性好的盾尾密封油脂。鑒于此種情況,要求國內(nèi)生產(chǎn)廠家針對這種地質(zhì)條件更改配方,提高油脂的粘度和坍落度。新型油脂經(jīng)使用表明,其泵送性及流動性均良好,盾尾漏漿的情況得到明顯的好轉(zhuǎn),施工立即轉(zhuǎn)入正常。
4.5欠壓推進技術(shù)
當(dāng)盾構(gòu)機在通過隧道上方?jīng)]有重要建筑物結(jié)構(gòu),即在對控制地表沉降要求不是很高的地段,采用欠壓推進技術(shù),既有效地保護了刀盤、刀具,又加快了施工進度。欠壓推進工作原理:由于土倉外正面土體的穩(wěn)定通過推力、推進速度和出土速度3個參數(shù)控制,而刀盤、刀具的損耗由推進過程中土體摩擦造成,即推力越大,刀盤、刀具受到的摩擦力越大,磨損就越大。所以在欠壓推進過程中,加快出土速度,保持土倉壓力比通過計算得到壓低0.2~0.3bar,既保證了推進速度不受影響,又小了總推力,刀盤切削土體時的摩擦力也因此隨之小,降低了刀具的磨耗,延長了刀具的使用壽命。通過反復(fù)試驗,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)反饋,優(yōu)化了欠壓推進時的技術(shù)參數(shù),盾構(gòu)機通過的地表沉降值均控制在0~12mm以內(nèi),小于規(guī)范要求的30mm允許沉降值。
4.6采用“3+2+1”模式
(1)設(shè)計要點
目前國內(nèi)普遍使用直線、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)3套管片來實現(xiàn)隧道直線和曲線掘進,該工程采用“3+2+1”模式單層通用裝配式管片襯砌,只需套管片就可以實現(xiàn)隧道直線掘進和曲線掘進。所謂“3+2+1”模式單層通用裝配式管片襯即每環(huán)六片編號為L1、L2、B1、B2、B3、F,其中三塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)、兩塊鄰接塊(L1、L2)和一塊封頂塊(F),每片平均寬度為1.2m,厚0.3m,每塊管片都有不同的楔形量,其中F管片的楔形量最小,最大楔形量值為51mm,施工中通過這個楔形量實現(xiàn)隧道的轉(zhuǎn)向及盾構(gòu)機的輔助控制;通過管片的不同拼裝組合實現(xiàn)隧道在一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向,隧道最小平面曲線半徑300m,曲線間水平夾直線最小長度為20m,最小豎曲線半徑3000m,最大坡度為3%。每片管片之間和每環(huán)管片之間通過彎曲螺栓緊固連接。針對盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力計算,國內(nèi)多以經(jīng)驗簡化計算法為主。為保證計算準(zhǔn)確靠,采用精確計算法計算出截面內(nèi)力(考慮各類頭位置與剛度、錯縫時的環(huán)間相互咬合效應(yīng),及隧道與周圍土體的實際相互作用關(guān)系)。
(2)考慮接頭位置與剛度的精確計算法在一襯砌圓環(huán)中,具體考慮環(huán)向接頭的位置和接頭的剛度,用曲梁單元模擬管片的實際狀況,用頭抗彎剛度Kθ來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實際抗彎剛度為錯縫式拼接時,因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用,此時根據(jù)錯縫拼裝方式,除考慮計算對象的襯砌圓環(huán)外,將對其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為對象,采用空間結(jié)構(gòu)進行計算,并用圓環(huán)徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。本計算中,根據(jù)采用的彎螺栓接頭的受力情況,參照國內(nèi)外相關(guān)試驗研究結(jié)果;認為各環(huán)管片在縱向接頭處不產(chǎn)生錯動條件下,縱向接頭的徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt均取無窮大。
(3)襯砌圓環(huán)與周圍土體的相互作用襯砌圓環(huán)與周圍土體的相互作用通過設(shè)置在襯砌全環(huán)只能受壓的徑向彈簧單元和切向彈簧單元來體現(xiàn),這些單元受拉時將自動脫離,彈簧單元的剛度
由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)決定。
(4)荷載模式
在確定作用在隧道上方的土層壓力方面,國內(nèi)外視地層情況,主要采用卸拱理論(太沙基公式為主體)和按全部地層壓力計算土層壓力的方法,但均帶有較大近似性。故國外也有取最小土壓力不小于2D(當(dāng)計算土壓力小于此值時)的經(jīng)驗法�？紤]到本次標(biāo)段的最大和最小埋深分別在14m左右和9m左右,地層以粘性土層為主體,無單獨從隧道底部貫通至地表的砂性土地層,故偏于安全地將上覆土體自重完全作用在隧道上進行計算分析,即計算中豎向地層壓力按全部地層壓力計算。而側(cè)壓力當(dāng)隧道處于粘性土中時按水土和算考慮,在砂性土地層時按水土分算考慮。除土水壓力外,實際的計算荷載按施工和使用階段可能出現(xiàn)的其它最不利荷載組合進行結(jié)構(gòu)強度、變形計算,同時對混凝土裂縫寬度進行驗算。
5結(jié)語
當(dāng)今世界已把地下空間開發(fā)利用作為解決城市人口、環(huán)境、資源三大危機、實施可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。廣州市軌道交通三號線北延段施工區(qū)間2標(biāo)段砂卵石地層地鐵隧道施工中,通過分析地質(zhì)特征、調(diào)研掘進參數(shù)、優(yōu)化施工方案,成功地采用盾構(gòu)法施工,保證了盾構(gòu)機安全、連續(xù)、快速的推進,順利通過了各個風(fēng)險點,解決了工程項目中的難題,提高了工程質(zhì)量,有效的降低了工程造價,并為砂卵石地層地質(zhì)條件下盾構(gòu)法地鐵隧道施工提供一定的參考價值。
參考文獻
1張鳳祥.盾構(gòu)隧道施工手冊[M].北京:人民交通出版社,2005
2DGJ08-11-1999地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]
3GB50157-2003地鐵設(shè)計規(guī)范[S]
