复合式土压平衡盾构机穿越闽江强透水砂层技术研究

朱沪生 郑世兴 易 宏

(1.上海申通地铁集团有限公司,200223,上海; 2.上海市基础工程集团有限公司,200438,上海∥第一作者,原总裁,教授级高级工程师,福州市人民政府顾问)

复合式土压平衡盾构机穿越闽江强透水砂层技术研究

朱沪生1郑世兴2易 宏2

(1.上海申通地铁集团有限公司,200223,上海; 2.上海市基础工程集团有限公司,200438,上海∥第一作者,原总裁,教授级高级工程师,福州市人民政府顾问)

地铁盾构机下穿江河段一般为风险最高段,且不同地层组合条件下的施工风险等级也不同。结合福州地铁1号线达道站—上藤站区间盾构穿越闽江的实例,系统地研究了复合式土压平衡盾构机穿越江底强透水砂层的施工工艺,包括施工方案的整体评估、施工前的设备改造和渣土改良、施工难点及其对策、辅助工法等。该施工工艺实现了复合式土压平衡盾构机穿越江底强透水砂层的突破,既保障了施工安全,又保证了施工工期。

地铁;越江隧道;复合式土压平衡盾构机;施工技术

First-author′s address Shanghai Shentong Metro Group Co.,Ltd.,200223,Shanghai,China

目前国内采用盾构法穿越江河的工程通常采用泥水盾构进行施工,其中采用复合式土压平衡盾构机过江的施工案例很少。因此,有必要对复合式土压平衡盾构机过江工程的关键技术、施工方法等进行深入研究,并总结其规律,从而为类似的工程提供参考。

本文以福州地铁1号线穿越闽江工程为背景,对复合式土压平衡盾构穿越强透水砂层过程中面临的如下几个关键问题进行了研究:

(1) 施工方案的整体评估。通过分析制定了适用于复合式土压平衡盾构机穿越闽江工程的施工方案,并邀请全国众多专家对方案整体进行了评估,以验证施工方案的合理性。

(2) 施工难点分析与关键技术研究。结合闽江的潮汐变化及地层条件,分析复合式土压平衡盾构机穿越闽江的施工难点,逐一制定应对措施,并对其中关键技术进行研究,做好施工技术、安全保障工作。

(3) 辅助工法研究。研究了闽江强透水砂层下带压出舱辅助工法,为复合式土压平衡盾构机穿越闽江提供有力支撑。同时,制定了一套施工保障体系,确保施工过程的信息化和施工人员的安全。

1 工程概况

福州市地铁1号线过闽江段(达道站—上藤站) 区间总长度约1 700 m,按规划线路,该区间盾构施工穿越闽江段的长度约为400 m。闽江为福建省最大河流,闽江口为半日潮区,属于强潮河口。其潮型为正规半日潮,最大潮差达7.04 m,平均潮差大于4.00 m。

2 施工前期准备工作

因福州地铁1号线过江工程风险高,施工前对盾构机设备及过江方案等进行了多次专家评审工作,施工单位也针对专家意见实施了各类相关的组织、技术等准备工作。

图1 隧道穿越闽江剖面示意图

2.1 设备改造及检修

本工程施工采用的设备为2台德国海瑞克复合式土压平衡φ6 450盾构机。施工前,就过江风险对盾构机及配套设备进行改造,使得复合式土压平衡盾构机具备一定泥水盾构机的能力。本文就关键设备改造工作进行简述。

2.1.1 刀盘刀具改造

穿越闽江段为全断面高强度岩层至上软下硬地层,再至全断面强透水砂层的复合地层,对盾构刀盘刀具的考验极大。针对地层特性,在盾构始发前,刀盘安装了全盘进口刀具,并在此基础上进行了以下适应性改造:

(1) 加强刀盘及注入口的保护,在其周边增加焊接耐磨块;

(2) 对周边部分滚刀进行垫高,一方面可增加刀具磨损量,另一方面可增大硬岩中盾构开挖半径,降低盾构卡壳风险;

(3) 刀盘面板上焊接57把撕裂刀具(突出面板的高度比主开挖滚刀低1.5 cm),作为盾构在砂层中掘进的备用刀具。

改造前、后的刀盘如图2、3所示。

2.1.2 建立地面泥浆站

考虑到盾构机在强透水砂层中掘进,需配备大量膨润土泥浆进行渣土改良,施工前在地面建立泥浆站(由6个24 m3泥浆箱组成),并配备大功率输送泵(可直接将膨润土泥浆直接由地面输送至盾构机头部),以满足渣土改良条件。

2.1.3 增加螺旋机应急闸门

盾构机在闽江下强透水砂层中掘进,螺旋机闸门控制稍有不慎,极易造成重大风险。为此,在设备原有的两道闸门的基础上,另行加装了第三道闸门(具备液压和手动启闭功能),出渣控制主要通过三道闸门控制来实现。盾构正常掘进时,通过启闭1#闸门的行程来控制出渣并将其作为第一道应急闸门,2#闸门正常启闭,3#闸门作为第二道应急闸门,并在施工过程中委派专人对第一道及第二道应急闸门进行专项管理。

图2 改造前刀盘

图3 改造后刀盘

2.1.4 增加高分子聚合物注入装置

针对地层渣土改良措施,设备上通过改造增加一台BW 250柱塞泵,并配套流量仪及变频器。经过管路改造,可按照施工要求向螺旋机套筒内和土舱胸板注入孔压注高分子聚合物材料,以达到渣土改良的效果。

2.1.5 实时数据分析采集系统

为更加精准地分析实时盾构掘进时的各项参数,为2台盾构机分别配备一套实时数据分析采集系统(见图4),以更直观查看盾构施工参数,为盾构参数调整提供有力依据。

图4 实时数据分析采集系统展示

2.2 渣土改良试验

2.2.1 渣土改良背景

在盾构穿越闽江前,基于强透水砂层的土层特性,对土压平衡盾构施工过程中可能出现的难点进行了分析,得出主要难点为:① 螺旋机易发生喷涌,难以连续出渣;② 地层损失难以控制;③ 土舱压力波动大,难以控制;④ 推进速度波动大,难以控制;⑤刀盘负荷大,扭矩大。

为了实现土压平衡盾构在砂层中的顺利推进,必须对砂层进行改良,以满足正常施工的需要。

2.2.2 渣土改良目的

根据前期定性试验结论,以及国内外相关文献和类似工程的实际经验,本工程中强透水砂层拟采用高浓度膨润土浆和高分子聚合物作为渣土改良材料。试验目的为:① 确定渣土改良材料;② 确定改良剂的配合比。

为使试验结果更接近施工实际,试验中采用的中砂及水质均在闽江实地选取。

2.2.3 渣土改良配合比

试验用渣土采用江底中砂、膨润土、CMC(化学浆糊) 及高分子聚合物组成。根据大量现场试验,最终确定的配合比如下:

(1) 膨润土浆质量配合比:水(1份) +膨润土(0.1份) +CMC(0.05份)，24 h后黏度为100 s左右;

(2) 聚合物溶液质量配合比:水(1份) +高分子聚合物晶体(0.025份) ;

(3) 综合体积配合比:原状中砂(1份) +膨润土浆液(0.25份) +聚合物溶液(0.03份) 。

搅拌后,视觉效果良好,混合物呈块状,手抓有明显聚合物的黏稠效果,基本无离析现象;其坍落度为11cm,渗透系数为9.29×10-6cm/s。

2.2.4 渣土改良试验结论

当聚合物溶液与膨润土浆同时作为渣土改良剂在中砂层中使用时,效果良好。膨润土泥浆可增加砂层中的含泥量,而聚合物溶液可将砂砾膨润土微粒、水包裹在一起,形成类似黏土性状的渣土,使得混合浆液改良效果能够充分发挥。

2.3 技术准备

就复合式土压平衡盾构机下穿闽江段工程分别编制了《盾构下穿闽江专项方案》、《三种地层作业指导书》、《闽江下气压开舱方案》。编制的过江方案历经专家多轮评审。全国众多业内专家参与了上述方案的评审。

参建单位高度重视盾构过江工程,除编制的施工方案邀请全国众多专家进行把关外,还在工程建设期与专家建立合作咨询关系。同时,加强了现场技术力量的配备和管理:①委派多名公司领导常驻现场,决策过江重大事项;②中央控制室由2名技术总工程师昼夜不间断轮班,下达盾构掘进指令;③设备保障人员全天候为盾构机及其配套设施的安全保驾护航;④实施岗位交接班制度。

3 工程技术难点分析及对策

盾构机穿越闽江的过程中,会依次穿越全断面高强度岩层、上软下硬地层、全断面强透水砂层等地层,施工中的主要难点有刀具检换、掘进参数控制、渣土改良及河床监测等。针对施工难点,采取了以下对策。

3.1 闽江下刀具检换

2台盾构机在矿山法隧道内始发后,盾构机将依次穿越全断面岩层、上软下硬地层及全断面砂层,故综合考虑配置全盘滚刀作为主开挖刀具。而盾构机在三种组合地层中掘进对刀具考验极大，除上软下硬地层外,盾构机在全断面砂层中如掘进参数控制不当,极易造成刀具磨损,更严重则会造成刀盘磨损。因此,施工过程中人员带压出舱检换刀具显得十分重要。由于在闽江下强透水砂层中人员带压出舱难度巨大,且国内暂无相关经验可借鉴,故需要研究新型泥膜材料解决此难题。

3.2 掘进参数控制

因闽江水系与地层直接连通,且闽江潮汐变化明显,盾构机在闽江段强透水砂层中施工时掘进参数控制难度较大。合理的参数控制能提高盾构掘进效率,降低施工风险。主要的参数控制包括土压力、总推力、刀盘转速、扭矩、出渣控制、掘进速度等。通过对闽江潮汐变化规律及江底地层特性的研究,可为参数调整提供依据。

(1) 土压力可根据闽江平均潮位按照水土分算出基数值,并在施工过程中根据闽江潮汐变化及河床监测数据及时调整。

(2) 总推力的推算依据包括有效推力(刀具的额定荷载总和) 、因地层包裹盾构机产生的摩擦力、克服地层压力而产生的反力,并通过这三种力的求和得出。

(3) 刀盘转速不宜过高,应在1.0～1.5 r/min范围内进行调整；以单位时间内降低刀盘行走路径来减少刀具磨损,并合理控制单位时间内进入土舱的渣土总量。

(4) 刀盘扭矩控制在1.5～2.5 MN·m范围内,防止过大扭矩带来设备负荷大、刀盘跳停、油温过高造成各类密封老化或损坏等不利影响;

(5) 出渣控制应达到两个目的：一是防止盾构机超挖出渣;二是实现盾构机连续出渣,并降低螺旋机喷涌风险。除渣土改良外,合理的控制螺旋机闸门的启闭至关重要。

通过上述参数的合理控制,可大大提高掘进速度,从而获取更高的掘进效率。

3.3 渣土改良

复合式土压平衡盾构机在强透水砂层中施工风险极大,稍有不慎可能造成螺旋机喷涌或江水倒灌隧道的风险,故施工过程的渣土改良效果尤其重要。

为将施工风险降至最低,施工单位从闽江取水、取砂,并优选膨润土和高分子聚合物材料进行配比试验。大量现场模拟试验表明,渣土中分别加入膨润土浆液及高分子聚合物材料进行改良的效果较佳。

3.4 河床监测

国内盾构过江工程对河床监测的案例很少。闽江单日两次潮汐,且水流急促,河床监测的难度较大。

为了更好地保护河床,在盾构下穿闽江施工前经多次会议讨论,确定由福建某水勘院对闽江河床进行监测。监测方法为:人员乘坐小船,采用带GPS(全球定位系统) 的仪器对隧道沿线范围内河床标高进行测量。施工期间监测频率为2次/d。

3.5 盾构姿态及成型隧道质量

盾构机在砂层中施工,易因盾构开挖扰动现象而造成盾构姿态超限,进而影响管片拼装质量。

为更好地控制施工质量,施工中,在渣土改良的基础上严格把控盾构轴线,并加强进场管片及止水材料粘贴的质量,同时建立管片拼装质量的奖罚制度,提高施工管理人员的积极性。

4 实施效果

4.1 闽江下带压出舱

由于常规膨润土泥膜材料难以满足气压进舱要求,采用新型材料水泥膨润土配比作为泥膜材料,并计算当前地层下水压值(根据闽江潮位作适当调整) 作为带压出舱工作压力值。本工程成功实施了盾构机在闽江下全断面砂层中的人员带压出舱作业,盾构上方亦为闽江下无隔水效果的强透水砂层。

在与闽江水系直接连通的地层条件下,人员气压出舱施工难度极大,本工程中曾多次采用不同配比的膨润土浆液进行泥膜试验,但效果不如人意。在此基础上,研究采用水泥膨润土材料进行泥膜试验并取得成功,最终实现了江底人员带压出舱。

4.2 渣土改良

在盾构掘进强透水砂层时对前期渣土改良试验成果进行检验,结果如下:

(1) 只加入膨润土浆进行改良时,易发生螺旋机喷涌,且土压波动过大,各类掘进参数不稳定,从而降低了盾构掘进效率;

(2) 只加入高分子聚合物材料进行改良时,螺旋机喷涌风险得到控制,但出渣不顺畅,易导致土压力上升、刀盘扭矩增加、掘进速度下降等不利因素出现,从而降低盾构掘进效率;

(3) 同时采用膨润土浆及高分子聚合物材料进行改良时,螺旋机喷涌风险得到很好控制,且出渣顺畅,土压力及刀盘扭矩容易得到控制,掘进速度平稳,大大提高了盾构掘进效率;

(4) 可根据出渣性状对两种改良材料进行调整,从而获取最佳的改良效果。当提高膨润土浆用量时,可稀释渣土而增加流动性;当增加高分子聚合物材料用量时,可增强渣土的黏稠度。

盾构机在闽江下强透水砂层中采用膨润土浆及高分子聚合物材料进行改良的效果明显,但如何获取最佳的效果,仍需根据螺旋机出渣情况对两种材料的配比用量进行微调。

4.3 掘进参数控制

针对闽江下全断面强透水砂层中土压平衡盾构机掘进,在渣土改良的基础上,对施工参数进行了有效控制。40～320环的全断面砂层中掘进的主要参数包括总推力、掘进速度、刀盘扭矩等。各参数变化情况如图5～7所示。

图5 盾构机总推力变化示意图

图6 盾构机刀盘扭矩变化示意图

图7 盾构机掘进速度变化示意图

由图5～7可知,施工过程中,盾构机的总推力基本控制在1 500～2 500 t之间,处于盾构机额定总推力的35%～59%范围内;盾构机的刀盘扭矩总体控制在3.0 MN·m以内,平均刀盘扭矩在2.2 MN·m左右;因渣土改良效果明显及施工参数有效控制,盾构机在全断面砂层中掘进速度得到了很大提升,平均可达55 mm/min。另外,在渣土改良基础上进行盾构机掘进参数的控制,盾构未出现超挖出土现象。总体看来,盾构机掘进参数控制效果明显,达到了预期的效果。

4.4 河床沉降控制

盾构机下穿闽江施工监测数据显示,河床沉降变化量较小,处于安全可控范围。盾构开挖过程中未出现超挖出土现象,盾构下穿闽江的施工过程中河床沉降得到了有效控制。

4.5 成型隧道质量

通过加强对进场管片的质量检查及把控止水条粘贴质量,并辅助盾构姿态的控制,管片拼装时盾尾四周间隙均匀。最终,闽江下成型隧道基本上达到“零破损,零渗漏”的质量要求。闽江下成型隧道实景图如图8所示。

图8 闽江下成型隧道

5 研究成果及创新点

本文以福州地铁1号线下穿闽江工程为背景,系统分析了复合式土压平衡盾构机穿越闽江强透水砂层施工的难点,并制定相应对策。主要研究成果如下:

(1) 根据过江风险分析,对复合式土压平衡盾构机进行针对性改造,使其具备一定的泥水盾构能力;

(2) 针对闽江下砂层特性实施的渣土改良,有效降低了盾构机喷涌风险,提高了复合式土压平衡盾构施工效率;

(3) 通过强透水砂层中盾构掘进参数控制,实施了盾构掘进施工过程中的“土压平衡”技术;

(4) 通过严格的盾构姿态及管片拼装质量控制,使过江段成型隧道质量得到了强有力的保障;

(5) 顺利进行了江底强透水砂层中盾构操作人员带压出舱作业。

主要的创新点有:

(1) 针对与江水直接连通的强渗透性砂层,目前国内乃至世界上暂无相关土压平衡盾构机的施工案例,本工程首次实现了盾构下穿闽江强透水砂层的施工;

(2) 通过渣土改良材料及配比研究,得到一种适应强透水砂层盾构施工的改良材料;

(3) 采用水泥膨润土材料作为泥膜材料,顺利实施了江底强透水砂层的盾构出舱作业。

[1] 孙智勇.无隔水层越江隧道土压平衡盾构机渣土改良试验研究[J].现代城市轨道交通,2016(1):40.

[2] 唐卓华,徐前卫,杨新安,等.富水砂层盾构掘进碴土改良技术[J].现代隧道技术,2016(1):153-158.

[3] 苏小江.砂土地层土压平衡盾构机适应性改造研究[J].科技创新导报,2014(10):65-66.

[4] 张旭东.土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨[J].岩土工程学报,2009(9):1445-1449.

On the Technology of Composite Earth Pressure Balance Shield Tunneling under Strong Permeable Sand Layers of the Min River

ZHU Husheng, ZHENG Shixing, YI Hong

In general, the section where metro shield crosses underground a river is the highest risk section, but the risk degree differs in different stratum combination conditions. Combined with the practical engineering of Dadao-Shangteng station section where the tunnel of Fuzhou metro Line 1 crosses under the Min River, the construction technology of composite earth pressure balance shield machine tunneling under strong permeable sand layers is systematically studied, including the overall evaluation of the construction schem, the renovation of equipment before the construction, the difficult points in construction and countermeasures and so on. The construction technology has achieved a breakthrough of composite earth pressure balance shield machine tunneling under strong permeable sand layers, ensured the safety and the construction period at the same time.

metro; cross-river tunnel; composite earth pressure balance shield machine; construction technology

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.01.007

2016-10-21)