盾构穿越软硬不均地层技术研究

2010-01-15赵先鹏陈寿根楚兴华

四川建筑 2010年6期

关键词：土仓刀盘盾构

赵先鹏,张恒,陈寿根,楚兴华

(1.西南交通大学,四川成都 610031;2.中铁一局城市轨道交通公司,陕西西安 710000)

盾构穿越软硬不均地层技术研究

赵先鹏1,张恒1,陈寿根1,楚兴华2

(1.西南交通大学,四川成都 610031;2.中铁一局城市轨道交通公司,陕西西安 710000)

随着盾构法施工技术在我国城市地铁的发展,盾构法越来越多的应用到各种复合地层中,文章以深圳地铁 5号线 5301标段前海湾～临海站盾构区间为工程实例,介绍了城市地铁中软硬不均地层的盾构法施工技术,对施工过程中刀具磨损、盾构轴线偏移、地面沉降等施工难点作了分析,提出了解决方法,同时对类似工程有一定的借鉴作用。

软硬不均地层; 盾构施工; 隧道

通常在软岩和硬岩分界处,较为坚硬岩层仅在隧道开挖面下半部分出露。由于岩石组成物质不均匀、裂隙发育的差别以及地下水的作用等,使各岩层风化带中存在不同程度的不均匀风化。由于地层岩性变化较大,软硬不均地层多,软硬不均现象明显,局部存在不均匀风化夹层,致使盾构掘进姿态控制困难,易发生盾构机向上偏移事故且易造成刀口折断,同时工况转换频繁也对地层产生扰动,易造成较大地表变形。因此,开展穿越软硬不均地层的盾构法施工关键技术研究是非常必要的。

国内外就软硬不均地层盾构施工技术进行了较多的研究,但成功的案例很少。新加坡地铁CCL 1线隧道曾遇到软硬不均的不稳定地层,发生了地层坍塌事故,一再拖延工期[1]。日本青木公司采用土压和泥水盾构施工的广州地铁一号线,遇到部分软硬不均地层,曾发生地层坍塌、地面四层楼房倒塌的事故。葡萄牙Oporto地铁采用盾构法施工的C线2.3 km隧道和S线2.7 km区间隧道,也曾遇到部分软硬不均地层,终导致盾构刀盘刀具损坏。在我国,广州地铁在越三区间隧道施工中成功地实现了软硬不均地层盾构掘进。

图1 五号线5301标地理位置

1 工程概况

前海湾站～临海路站盾构区间位于深圳市南山区前海湾东侧,连接南山区和宝安区(图 1),隧道右线长 1 089.241 m,左线长1 066.825m,区间线路总长2 156.066m(包含长短链)。隧道埋深 12m,左右线中心间距12.5m。所在地区为海积平原,原地貌为濒海渔塘,现已经人工堆填,地形略有起伏,地面高程 0.60～11.63m。沿线附近主要建筑为在建深圳地铁 1号线续建工程鲤鱼门站、武警边防七支队、安乐码头等,市政管线稀少。

根据详勘报告,前临区间隧道开挖范围内主要以砾质黏性土和砂层为主,左线在里程DK1+113.3～DK1+158.5范围内存在上浮基岩,基岩段长 45.2m,侵入隧道开挖范围最高达5m,岩石抗压强度最高103MPa,平均在56.6MPa。隧道上覆地层以杂填土、淤泥、粉质黏性土为主(图 2)。

图2 前临区间左线地质剖面图

2 盾构施工主要难点及原因分析

2.1 地面沉降

在软硬不均地层中开挖时,软岩强度小,稳定性差,易于切削;硬岩部分强度较高不易切削。当上部软岩自稳能力很差时,由于掘进对地层的扰动,使软土地层容易液化,导致掌子面坍塌,引起地面不均匀沉降。施工时可适当降低盾构机推力及刀盘扭矩,减小对地层的扰动,可采用半敞开模式或土压平衡模式掘进,然后向土仓注入压缩空气或泡沫等人工材料辅助进行开挖,既可以防止上部掌子面坍塌又利于检查清理刀盘和更换刀具。同时,加强沉降监测和出碴量管理,保证掘进顺利进行。

2.2 刀具磨损

在软硬不均地层中采用盾构法施工时,刀具在软硬不均岩面作周期性碰撞,刀盘受到的冲击力很大,容易造成局部刀具受力超载,刀盘和轴承受偏心荷载作用致使主轴承受损或主轴承密封被破坏[2]。同时,由于切削所释放的热量高,导致刀盘刀具温度升高,加速了刀盘刀具的磨损速度,对盾构机工作状态非常不利。为此,在确保掌子面稳定的前提下,需要进入碴仓内了解工作面软硬不均程度,以确定掘进推力的大小,避免刀具超载工作而受破坏。盾构机掘进时,应注入足量的泡沫或膨润土改良渣土,增加渣土的流塑性,减轻对刀具的磨损,减少换刀频率,提高掘进效率。

2.3 隧道轴线偏离设计轴线

在软硬不均地层中,土体性质极不均匀,致使盾构掘进姿态控制困难,容易引起盾构施工轴线偏离设计方向,盾构掘进控制难度大。引起轴线偏离的主要原因有:⑴地质条件。开挖断面内岩石软硬不均,在软硬岩交界处推力和扭矩变化较大,盾构机有向地层较软一侧偏移的惯性[3]。因此,应根据掘进面地层变化情况,设定合理的掘进参数;(2)滚动偏差。刀盘切削土体的扭矩主要由盾构壳体与洞壁之间的摩擦力矩来平衡。当摩擦力矩无法平衡刀盘扭矩时将引起盾构体的滚动,过大的滚动会引起隧道轴线的偏斜[3];(3)测量误差。主要由仪器及人为因素引起的,可通过多级测量复核予以消除。

3 穿越软硬不均地层盾构施工技术措施

为了避免在盾构掘进过程中发生刀具严重磨损、盾构轴线偏移、地面沉降等现象,采取了基岩加固、合理布置刀具、气压换刀、设定合理的施工参数等措施,确保盾构机能够顺利通过软硬不均地层。

3.1 基岩加固

前临区间左线基岩长度45.2m,里程为DK1+113.3～DK 1+158.5。根据以往软硬不均土层的掘进经验和地质情况,在上浮基岩段DK 1+116.3、DK 1+131.3、DK 1+146.3进行高压单重管旋喷加固,并进行换刀。通过旋喷注浆,固化盾构隧道顶部的淤泥层,降低淤泥的流塑性、透气性,增加气压模式下地层的自稳能力,为换刀工作创造条件。

高压单重管旋喷桩直径600mm,桩间距600mm,梅花状布置。高压单重管旋喷加固采用 42.5R普通硅酸盐水泥配浆,水泥掺入量 150～200 kg/m3,浆液水灰比为 0.8～1.0,提升速度15～20 cm/min,旋转速度为20 r/min;旋喷桩的孔位偏差小于50mm,桩体垂直度小于1.5%。同一桩体需数次喷射时,上下桩体的搭接大于 200mm。

旋喷加固范围为:在加固点位置沿隧道纵向注浆 4m,隧道线路两侧向外各2m,加固深度至隧道底板,高度至顶板以上约4m.。

3.2 刀具的选择及布置

根据施工地质条件,选择由德国海瑞克公司根据施工地质条件制造的复合盾构机,并配备了复合式刀盘。复合式刀盘:19把双刃滚刀(其中 6把为中心滚刀),64把切刀,32把刮刀,如图 3所示。双刃滚刀用于挤压、切削硬岩,保护齿刀和刮刀;切刀用于切削被滚刀挤压破碎后的硬岩或软岩及粘性土层;刮刀用于收集疏松的石碴并通过刀盘开口导入开挖仓的内部[4]。为使刀具能一次掘进更长的距离,应严格控制刀具质量。

图 3 盾构刀盘刀具布置

3.3 气压换刀

由于前临区间地质条件差,隧道上覆土层存在软塑状淤泥,如果常压换刀,存在一定风险。为确保安全,加固区采用气压换刀。根据隧道埋深,仓压控制在0.18～2.0MPa。换刀主要步骤如下:

(1)盾构机推进至指定的加固区里程,准备好换刀人员和设备;

(2)在开启压力自动补偿系统的情况下,一边出土一边向土仓内充气;

(3)待出土至隧道一半的位置后停止出土,换气保压工作继续进行,检查土仓保压效果;

(4)如土仓保压情况良好,温度降低后人员即可进仓作业。

3.4 掘进参数

在基岩区盾构掘进速度慢,对土体扰动大,很容易造成地面沉降或坍塌,其关键原因在于施工过程中未稳定控制土仓压力。根据前临基岩区的线路埋深和地层情况,掘进参数选取如下:

(1)掘进土仓压力:0.18～2.0MPa;

(2)扭矩:刀盘油压在10～12MPa之间,扭矩引起油压波动在2 MPa之内;

(3)推进贯入度:4～6mm/min;

(4)注浆:注浆材料要采用活性浆液,每方水泥含量不小于150 kg,注浆压力不小于0.25MPa。

3.5 掘进姿态控制

软硬不均地层,软硬不均现象明显,在掘进过程中,由于盾构机受力不均匀,容易引起盾构施工的实际轴线偏离设计方向。因此,盾构机掘进时,要充分利用 VMT导向系统控制盾构机的掘进方向。如果盾构线路偏离设计线路,及时调整各项掘进参数,遵循“长距离,缓纠偏”的思想,对盾构姿态进行调整,避免纠偏过猛,引起盾构机蛇形前进,造成刀具磨损和管片拼装困难。