狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术

李光耀

(中铁十二局集团有限公司,太原 030024)

1 概况

1.1 工程概况

狮子洋隧道为高速铁路隧道,位于广深港客运专线东涌站—虎门站区间,全长10.8 km,起讫里程DIK33+000～DIK43+800,采用4台φ11.2 m泥水平衡盾构“相向施工,地中对接,洞内解体”的综合施工技术。盾构隧道开挖直径为11.2 m,管片外径10.8 m,厚度500 mm,宽度为2.0 m,采用“7+1”双面通用楔形环。

图1 狮子洋隧道上软下硬段地质纵剖面

1.2 工程地质

盾构穿越地层主要为淤泥质土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、全风化-弱风化泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、砂砾岩。盾构穿越弱风化基岩、半岩半土、第四系覆盖物地层的长度分别占掘进长度的73.3%、13.3%、13.4%。

1.2.1 上软下硬地层(410～520环)工程特性

盾构在DIK34+480～DIK34+700段(共220 m,对应的管片环号为410～520环)穿越典型的上软下硬地层,其主要特点为：上部为冲击淤泥质土层(3)2,下部为弱风化泥质粉砂岩(5)3,隧道覆土主要为海陆交互相淤泥层(2)2和冲击中砂层(3)4,其地质纵剖面见图1。

1.2.2 各地层工程地质特点

淤泥层(2)2：呈深灰色、灰黑色,组成物主要为黏粒,含有机质,局部含贝壳碎片、饱和、流塑状,层厚0.80～17.50 m,平均层厚5.27 m,标贯击数一般为1～5击,平均2.3击,标准值2击。

淤泥质土层(3)2：呈深灰色、灰黑色,组成物为淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土,饱和、流塑状。标贯击数一般为1～8击,平均击数4.5击,标准值4.0击,层厚0.60～8.50 m,平均层厚3.00 m。

中砂层(3)4：呈灰白色、褐黄色等,组成物主要为中砂,分选性较好、饱和、呈稍密～中密状,局部松散或密实状,标贯击数6～58击,平均击数19.5击,标准值14.4击,层厚0.55～12.90 m,平均厚度3.83 m。

岩石弱风化带(5)3：呈褐红色、灰色等,主要由泥质粉砂岩、泥质细砂岩组成。陆源碎屑结构,中厚层状,泥质、钙质胶结,局部铁质胶结,局部裂隙发育,岩芯呈短柱状、柱状及碎块状,岩质稍碎,揭露层厚1.00～53.30 m,平均揭露层厚17.91 m。

1.3 水文地质

上软下硬地层段紧邻珠江小虎沥水道,地表水主要为小虎沥及小水渠、鱼塘,小虎沥主要接受上游补给,向下游和珠江口排泄,珠江两岸的水渠和鱼塘与珠江连通,并接受大气降水和珠江水补给,地表水为咸水。地下水位随小虎沥河水位涨退潮变化明显,潮汐类型为规则半日潮,每天基本上有二涨二落,涨潮历时短,落潮历时长(图2)。往复流十分明显,一般历年最高水位多出现在汛期,最低水位则出现在枯期,多年平均水位1.04 m,最高水位为2.8 m,最低水位为-0.44 m。

图2 小虎沥潮位变化

2 盾构配置

2.1 狮子洋隧道盾构基本参数

狮子洋隧道泥水盾构的主要技术参数见表1。

表1 狮子洋隧道盾构主要技术参数

2.2 刀盘配置

刀盘为8块辐条及相应的幅板所组成的面板式刀盘,刀盘结构和驱动装置之间的连接通过8个梁来连接,刀盘开口率为31%,便于渣土的流动,尤其在黏性土地层中,可防止黏土堵住开口。4个搅拌棒装在刀盘背面靠近土仓侧,主要用于搅拌土仓底部的沉渣。刀盘中间的开口率较高,为45%。

2.3 刀具配置

盾构刀盘配有60把主切削刀(旋转刮刀或滚刀),刀间距为100 mm,滚刀刀刃高出刀盘面板170 mm；双层切刀278把,切刀刀刃高出刀盘面板90 mm；周边刮刀16把；所有刀具均采用后装式安装,便于在土仓内进行更换。

2.4 刀盘扭矩

狮子洋隧道盾构扭矩主要为：第一扭矩13 900 kN·m(对应额定转速0.85 r/min)；第二扭矩5 137 kN·m(对应刀盘最大转速3.2 r/min)；脱困扭矩18 070 kN·m(刀盘侵入土体停机后,重新转动时的扭矩)。

2.5 上软下硬地层刀具配置

右线刀具配置采用了6把滚刀+4把新旋转刮刀+50把旧旋转刮刀的组合方式；左线刀具采用了2把镶齿滚刀+22把滚刀+36把旧旋转刮刀的组合方式,左右线刀具配置见表2。

表2 左右线刀具配置

注：旋转刮刀(旧)指的是已掘进1～410环软弱地层的刀具；左线M43未更换，是因为在带压进仓的情况下无法拆除。

2.6 刀具适应性分析

左、右线不同的刀具组合方式均一次顺利通过了410～520环的上软下硬地层,刀具的磨损对比见图3。

图3 左右线盾构刀具磨损对比

刀具磨损量详见表3。

表3 左右线刀具磨损对比 mm

3 掘进参数控制

3.1 掘进速度

在上软下硬地层中,不应追求过快的掘进速度,一般控制在10～15 mm/min。

3.2 刀盘转速

刀盘转速受刀盘扭矩控制,依据狮子洋隧道所用盾构的扭矩曲线图,转速一般控制在1.1～1.6 r/min。

3.3 刀盘扭矩

在上软下硬地层中,刀盘扭矩呈逐渐增大的趋势,这是由于在该段地层中,随着盾构的推进,进入硬岩的范围逐渐增大,岩层越硬,刀盘受到阻力越大,同时刀具的磨损也越来越大,扭矩也相应增大。从数值上看,左线和右线的扭矩的范围基本上分布在5 000～11 000 kN·m,达到了刀盘设计的最大扭矩。

3.4 推力

在上软下硬地层掘进时,盾构推力随着岩层在断面中比例的提高和刀具磨损量的增大而逐渐增加,但仍远小于盾构的最大推力。一般情况下,推力在40 000～50 000 kN,个别情况下达到70 000 kN。

3.5 刀盘转速与扭矩相互关系

左右线上软下硬地层刀盘转速与扭矩的相互关系见图4。

图4 上软下硬地层刀盘转速与扭矩关系

从图4中可以看出：

(1)在刀盘转速大致相等的情况下,扭矩随着隧道断面内岩层比例的提高和刀具磨损量的增大而增大,且其增加值较快,甚至达到刀盘设计的最大扭矩值；

(2)在同等条件下,适当提高刀盘转速,可部分降低扭矩值,如左线的刀盘转速高于右线刀盘转速,其扭矩值相比较略低；

(3)随着刀盘转速的提高,可提供的扭矩呈下降趋势,因此在上软下硬地层中掘进时,应综合考虑刀盘转速、扭矩大小、扭矩曲线等因素,确定合理的刀盘转速,一般情况下,刀盘转速应控制在1.1～1.6 r/min。

3.6 泥浆质量控制

在上软下硬地层中掘进时,由于隧道顶部存在非常敏感的软弱地层,因此应严格控制切口的波动量,保证掌子面的稳定。泥浆应采用软弱地层段使用的高质量泥浆,一般情况下,泥浆密度应控制在1.10～1.18 g/cm3,泥浆黏度应控制在23 s以上。

3.7 泥浆管路选择

3.7.1 管路布置及环流模式

狮子洋隧道泥水盾构进浆主供应回路在盾构机内被分成为7路。分别为：位于开挖仓上部刀盘后部的2路(下称VB18、VB16)，位于开挖仓下部刀盘后部的2路(下称VB51、VB53)，通过回转接头接至刀盘中心区域的1路(下称VB14)，以及位于气垫仓底部碎石机两侧的2路(下称VB12、VB10)。管路操作界面见图5。

图5 泥浆循环管路操作界面

环流模式可分为：开挖模式、旁通模式、隔离模式、反循环模式、保压模式和关闭模式共6种模式。通常情况下,掘进采用的是开挖模式,特殊情况下可采用反循环模式。

3.7.2 管路选择

在上软下硬地层中掘进时,管路选择一般应遵循以下原则：

(1)一般情况下,环流模式采用开挖模式,仓内管路VB14应常开,VB16、VB18应选择1路并应定期更改,VB10、VB12必须保持畅通；

(2)与软弱地层不同,在上软下硬地层和硬岩地层掘进时,由于开挖仓底部渣土的堆积,VB51、VB53长期堵塞,根本无法发挥预期的作用,并且很难通过压力调整使其畅通；

(3)在排浆口堵塞、切口压力波动的情况下,应仅选择VB14、VB10、VB12 3条进浆管路,在更严重的情况下,可仅选择VB10、VB12 2路管路进行掘进,但不应长期使用,同时应辅以降低掘进速度、刀盘转速等措施；

(4)位于气垫仓底部的VB10、VB12 2路管路极易堵塞,在掘进过程中,应注意观察,并停止掘进,仅开VB10或VB12 1路管路的情况下,通过压力对其进行清理；

(5)在循环泥浆经常不通畅的情况下,可采用反循环模式对管路进行清理或者直接采用反循环模式掘进,但不应长期使用。在管路堵塞情况略好时,及时切换成开挖模式掘进。

4 姿态控制

在上软下硬地层中掘进时,盾构机姿态控制非常关键,一旦盾构掘进偏离了设定的掘进线路,纠正盾构姿态要比在软土中难度大的多。因为上软下硬地层本身开挖难度大,利用推进千斤顶的推力差纠正姿态,效果不是很明显,并且加大了刀具的磨损量,对盾尾也会产生巨大的影响,在施工中,应时时注意盾构及管片的姿态,严防姿态发生较大的变化,一般应按照以下的原则进行控制。

(1)在姿态控制管理中,管片姿态与盾构姿态处于同等重要的位置,一般情况下管片姿态应适应于盾构姿态。姿态控制的重点不是盾构或管片偏离设计轴线的绝对值,而是两者的相对关系,两者相对位置关系直接影响着管片的变形、开裂、渗水等质量隐患。在上软下硬地层中,由于盾构姿态存在突变的情况,更应加强对管片点位选择的管理。

(2)在上软下硬地层中,管片在脱出盾尾后有上浮的趋势,应高度重视脱出盾尾管片的变形对盾构和管片姿态的影响。当管片的上浮量较大时,应综合考虑盾构姿态、管片姿态、变形后的管片姿态三者的相互关系,按照“管片姿态适应于盾构姿态”的原则,动态调整盾构姿态和选择管片拼装点位。

(3)盾构姿态纠偏时,可采用分区油压差和改变油缸使用数量两种方式来达到纠偏的目的。在上软下硬地层进行纠偏时,一般应采用分区油压差的方式,以预防产生新的姿态突变,在特殊的情况下(偏离轴线过大、管片产生内爆等)可采取改变油缸使用数量和应力释放的技术手段。纠偏应遵循长距离缓慢修正的原则,纠偏半径一定要大于偏移半径。

5 同步注浆

同步注浆采用抗水分散型单液浆液材料,其原理为在普通注浆材料中添加硅灰、纤维素、减水剂等材料,改善浆液的抗水分散性能,用水陆强度比和pH值指标衡量,一般情况下,水陆强度比应大于80%,pH值应小于9。

5.1 配合比

同步注浆材料主要由水泥、粉煤灰、砂、膨润土及水组成,辅助增加部分外加剂,施工配合比见表4。

表4 同步注浆材料配合比 kg/m3

5.2 注浆压力

注浆压力应综合考虑地层条件、管片强度、设备性能、浆液特性和泥水压力等因素确定,一般注浆压力P=P1(注浆点泥水压力值)+P2(注浆管损失压力)+P3(取20～50 kPa)。

5.3 注浆量

每环管片理论注浆量V=(π/4)×(11.1822-10.82)×2=13.19 m3,在上软下硬地层掘进时,每环的实际注浆量大都在26 m3左右,对应的填充系数为1.97,一般不应小于1.5。

6 隧道施工质量控制与评价

盾构在上软下硬地层中的施工质量控制,除管片生产、管片拼装、注浆等关键工序质量控制外,还应重点从管片姿态偏差和管片变形两方面进行分析、评价、验证。

6.1 管片生产质量

(1)管片生产应建立健全质量管理组织机构和相应的管理制度,严格质量控制管理流程,从组织上保证管片生产质量。

(2)选定最优的混凝土配合比,在混凝土中加入适量优质粉煤灰,以增加混凝土的浆体数量,进一步改善混凝土的和易性,减少混凝土的收缩量,使得管片表面不易产生裂纹。

(3)严格按照规定的频率和要求对模具进行精度检测,保证管片生产精度。

(4)细化控制钢筋笼加工、模具清理、脱模剂涂抹、混凝土浇筑、振捣、养护、脱模、水养等关键工序的质量控制,以工序质量保证实体质量。

(5)做好三环拼装、检漏试验、抗弯试验等功能性试验检测,确保管片质量符合要求。

(6)做好管片吊运过程中止水条、棱角等部位的保护,对局部破损的部位及时修补,全过程做好成品保护工作。

6.2 管片拼装质量

(1)管片拼装应依据盾构姿态、管片姿态、盾尾间隙、油缸行程、楔形量、错缝拼装要求、封顶块位置等因素综合选定合适的点位。

(2)加强对管片拼装人员的培训教育,健全拼装全过程的监控体系,提高操作人员的熟练程度,减小拼装误差。

(3)在拼装过程中要清除盾尾处拼装部位的垃圾和杂物,同时必须注意管片定位的正确,尤其是第一块管片的定位会影响整环管片成环后的质量及与盾构相对位置良好度。

(4)每环管片拼装要精心,尽量做到管片接缝密贴,环面平整。必要时应在环面密贴1～5 mm石棉板以调整环面的平整度,达到转弯和纠偏的目的。

(5)环面超前量控制,施工中经常测量管片圆环环面与隧道设计轴线的垂直度,当管片超前量超过控制量时,及时调整管片旋转角度,从而保证管片环面与隧道设计轴线的垂直度。

(6)每一块管片拼装结束后,伸出千斤顶并控制到所需的顶力,再进行下一块管片的拼装,这样逐块进行完成一环的拼装。对于不平整环面的管片,在拼装下一环管片用千斤顶压实时,应先顶“凸”位置的千斤顶。

6.3 注浆质量

注浆采用“盾尾同步注浆为主,管片补充注浆为辅”的注浆思路,同步注浆采用抗水分散型单液浆,应急管片补充注浆采用水泥-水玻璃双液浆,双液浆初凝时间在15 s以内,利用2条注浆管分别注入水泥浆和水玻璃,待注出盾尾后,两种进行混合,以达到双液浆的同步注浆目的。注浆应以注浆压力和注浆量两个指标进行控制。

6.4 成型管片偏差分析

狮子洋隧道左右线的水平姿态虽有所偏差,但基本控制在±50 mm之内。尤其是右线400～470环基本控制在±10 mm以内,470环之后有较大的偏移,趋势向左；而左线则有向右偏的趋势,且偏移幅度较右线大。

左右线垂直方向的位移基本控制在±40 mm以内,490环之前波动较为平稳,而在490环以后的一段区域内,则变化幅度较大。

总体上来讲,在本段上软下硬地层中穿越时,盾构及管片的姿态控制在预期的范围以内(图6)。

图6 隧道成型管片垂直偏差统计

图7 管片变形监测

6.5 管片变形分析

图8 管片各环变形

成型隧道管片变形监测从400环开始,直到520环结束,在拼装完管片后,每隔3环,在管片下方布置一个沉降观测点,每天监测1次,连续监测7～8 d,直到稳定。管片变形监测见图7,各环变形见图8。

在上软下硬地层中管片的变形以上浮为主,上浮基本规律为：在管片脱离盾尾1～4 d,为上浮发生的主要阶段,脱离盾尾4～7 d,上浮量逐渐减小,脱离盾尾7 d,管片趋于稳定,无明显上浮。

左线管片最大上浮量在13～20 mm,右线管片最大上浮量在14～21 mm,对隧道结构无影响,达到验收标准要求。

7 结语

狮子洋隧道220 m长的上软下硬地层是盾构施工中的一大难点,施工过程中通过合理的施工技术措施,左右线均一次安全顺利通过,避免了换刀的施工风险,通过掘进参数优化,第二台盾构施工进度指标在第一台盾构进度指标4.2 m/d的基础上提高到6.2 m/d,隧道质量达到验收标准,其经验和教训可供类似工程借鉴。

[1]竺维彬,鞠世健.试论复合地层盾构施工的理论体系[J].现代隧道技术,2007(增刊)：1-8．

[2]周文波.盾构法隧道施工技术与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004．

[3]竺维彬,鞠世健,史海鸥.广州地铁3号线盾构隧道工程施工技术研究[M].广州：暨南大学出版社,2007．

[4]GB50446—2008,盾构法隧道施工与验收规范[S]．

[5]GB50299—1999(2003版),地下铁道工程施工及验收规范[S]．

[6]刘豫东,孙静毅.大连路隧道泥水处理技术的应用[A].城市交通隧道工程最新技术——2003上海国际隧道工程研讨会论文集[C].上海：同济大学出版社,2003：303-312．

[7]张 延,肖中平.富水砂卵石地层盾构机选型及其适应性探讨[A].第五届中日盾构隧道技术交流会论辑[C].成都：西南交通大学出版社,2009：334-343．

[8]张凤祥,傅德明,杨国祥,等.盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社,2005．

[9]唐经世,唐元宁.掘进机与盾构机·第2版[M].北京：中国铁道出版社,2009．

[10]管德鹏，汶文钊.客运专线铁路隧道施工要点探索[J].铁道标准设计，2007(6)：90-94.

[11]崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京：科学出版社,2005．