大埋深盾构隧道穿越全断面砂层施工关键技术

祝思然,谢文达,陈敏捷

(广州轨道交通建设监理有限公司,广东 广州 510000)

0 引言

盾构法由于具有安全、快速的优点,在隧道建设中应用越来越广泛。土压平衡盾构施工时,将刀盘切削下来的土体当作土仓传力介质[1],通过对土仓内渣土加压来平衡开挖面前方的水土压力。随着施工技术的发展,土压平衡盾构通过改进设备、辅助工法等措施已经能够适应多种地层。但土压平衡盾构在富水砂层中掘进时,地层具有细颗粒含量低、内摩擦角大、稳定性差、含水量高、渗透系数大等特点[2],施工中常遇到出渣困难、刀具磨损大和螺旋机喷涌等问题[3],导致盾构施工不能顺利进行。

针对土压平衡盾构在富水砂层中施工遇到的各种问题,众多研究人员通过现场实践和室内试验等方法进行了研究。魏康林[4]从水压力和渗流量的角度,研究了土压平衡盾构喷涌发生的条件和机理,从土的渗透系数和颗粒级配等参数出发,对盾构施工发生喷涌的可能性进行了评价。邱龑等[5]针对深圳富水砂层,通过对渣土改良后的土样进行电镜扫描、压缩、渗透等室内试验,对渣土改良添加剂改善富水砂土的流塑性、保水性及开挖面动态土压平衡机理进行了研究。闫潇等[6]分析了土压平衡盾构穿越湖底富水粉细砂层的施工风险,通过调整渣土改良参数,提高高分子聚合物添加剂浓度、优化同步注浆配比等措施,有效控制了螺旋机喷涌及下穿湖泊时湖底沉降。

本文以广州地铁十八号线某盾构区间为工程背景,分析总结了土压平衡盾构在上覆大厚度(约29 m)淤泥和淤泥质土条件下,在全断面富水砂层中掘进的主要难点和应对方法,研究结论可供类似工程参考。

1 工程背景

广州地铁十八号线某盾构区间(以下简称“本区间”)全长2 481 m,隧道管片外径8.5 m,环宽1.6 m,采用2台开挖直径8.84 m的土压平衡盾构设备进行施工,主要参数见表1。本区间隧道左线1 000～1 555环、右线1 200～1 762环位于全断面砂层,穿越砂层段隧道覆土厚度为30.3～34.1 m。本区间地表地势平坦,地面海拔为5.08～9.60 m,起伏较小,周边建筑物稀少,多为平坦的农田。

表1 盾构设备主要参数

本区间隧道在穿越砂层段地层从上到下依次为:杂填土、淤泥质粉细砂、淤泥和淤泥质土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂,如图1所示,主要物理力学参数如表2所示。本区间全线地下水埋深为1～3 m,为富水地层,盾构顶部水头约30 m,穿越砂层段主要为第四系松散层孔隙水。

图1 隧道地质情况

表2 地层主要物理力学参数

广州地铁十八号线区间下穿横沥水道、蕉门水道、西沥水道、沙湾水道、市桥水道、三枝香水道、珠江等水体和现有地铁线路、铁路线、建筑物,并与已开通多个地铁站点进行改造换乘,存在大量征借地、拆迁工作,土建工期较为紧张。考虑到本区间隧道下穿环境为农田,沉降控制要求不严格,因此本区间隧道采用土压平衡盾构。

2 盾构穿越砂层施工主要难点

盾构穿越全断面砂层主要难点如下:

1)隧道上方存在厚度较大的淤泥和砂层,含水量大,且透水性强,极易失水,造成地表过量沉降。

2)隧道位于全断面中粗砂、粉细砂层,且地下水位高,一旦土仓出现欠压,会造成大量砂涌入土仓,若不及时采取措施,会导致地面过量沉降。

3)富水砂层多采用泥水盾构施工,而本区间采用土压平衡盾构。土压平衡盾构在全断面富水砂层中施工,渣土改良效果不理想,易出现螺旋输送机喷涌、盾构刀具刀盘和土仓内壁磨损较大等情况。

4)盾构设备长距离掘进,易导致盾尾刷密封失效,盾尾涌水、涌砂。

3 施工控制措施

目前,本区间左、右线已全部贯通。其中,左线总环数为1 555环,右线为1 762环。本节总结了施工过程中本区间对于穿越全断面中粗砂层的主要应对措施。

3.1 盾构施工参数控制

盾构穿越全断面砂层段施工参数控制主要有土压力、姿态、同步注浆、推进速度、出土量几个方面。

1)土压力。通过砂层时,先采用气压辅助模式掘进,不能保压时采用土压平衡模式掘进。土仓压力控制为不低于刀盘中心的地下水压力,即0.23 MPa～0.25 MPa。

2)姿态。盾构姿态控制为水平、垂直方向偏差小于±50 mm,姿态偏差较大时应缓慢纠偏,避免造成管片损坏、盾构蛇行等问题。

3)同步注浆。同步注浆紧跟盾构掘进进行,注浆量每环不低于12 m3(160%注入率),注浆压力不超过0.35 MPa。

4)推进速度。盾构通过全断面砂层时,为了减小对地层的扰动,需要快速掘进。在砂层段盾构推进速度控制为80～110 mm/min。

5)出土量。盾构穿越砂层时,需要严格控制出土量,避免过量出土。地层渣土松散系数按1.3计算,通过计数渣土车数量估算出渣量(每车20 m3),每环出渣量为90～120 m3(6车)。

3.2 防喷涌

盾构在富水砂层中施工,地层含水量大、水压力高,稳定性较差。地层中细颗粒含量少,砂砾渣土无法形成流塑或软塑固体,在土仓内形成水、渣离析状态。当螺旋输送机排土时,大量泥渣水从螺旋输送机喷射出来形成喷涌,导致土压难以控制,增大对周围土体的扰动。以下为防止发生喷涌的主要措施:

1)渣土改良是防止喷涌的关键。根据掘进速度、刀盘扭矩、出渣稠度和喷涌频率调整注入膨润土、高分子聚合物注入量,使渣土形成流塑状态,降低透水性,阻止水砂分离。

2)合理设置施工参数。土压力应略高于水压力,确保掌子面压力平衡;通过控制推力和出渣量,维持土仓压力稳定,防止超挖。

3)根据勘察报告和渣样分析,了解地层情况,及时调整渣土改良方案,防止发生喷涌。

4)螺旋输送机出口安装防喷涌装置。出渣门控制总成与螺旋机出土口连接、形成密闭空间,出土开口与出渣速度主要由出渣门控制总成中的叶轮控制。出渣控制总成的开口率较小,并且叶轮会对突然出现的涌水等形成一个缓冲,以此防止喷涌(见图2)。

图2 出渣控制总成设计

3.3 渣土改良

土压平衡盾构机穿越富水砂层具有较大的风险,由于砂层自身的不稳定性和土仓内砂质渣土易离析沉淀,极易造成盾构机前方地表塌方及构筑物开裂损坏,因此在富水砂层中掘进对渣土改良效果要求极高,只有渣土达到理想的改良效果,才能在土仓内实现土压的动态平衡,避免喷涌现象发生,从而降低对前方土体的扰动。富水砂层渣土改良须解决以下问题:

1)提高土仓内渣土抗渗性,避免开挖面因排水固结而造成地表较大沉降、防止渣土渗透性大而发生喷涌。

2)降低土仓内渣土内摩擦角,提高流动性,减小渣土对刀盘刀具的磨耗,降低刀盘扭矩。

3)防止停机后渣土离析、沉淀、密实导致刀盘再次启动时扭矩过大,启动困难。

渣土改良主要通过向土仓内注入添加剂来进行,常用添加剂种类及作用如表3所示[7]。

表3 渣土改良常用添加剂

本区间左线穿越砂层过程中,对渣土进行分析,得出渣土的颗粒级配曲线如图3所示。从级配曲线可知,渣土曲率系数为2,不均匀系数为9,表明渣土级配良好;渣土中粗砂(0.5～2 mm)占比较高,中砂(0.25～0.5 mm)和粗砂占比超过50%;粒径小于0.075 mm的细颗粒占比偏少,约为11%～14.5%。

图3 渣土颗粒级配曲线

对其他盾构穿越砂层工程[8-12]渣土改良案例总结分析(见表4)发现,当地下水位较高,地层中细颗粒占比较少的砂层,渣土改良均采用多种添加剂配合使用的方法。

表4 渣土改良常用添加剂 m

本区间由于地层中有一定的含泥量(11%～14.5%)且颗粒级配较好,因此采用了只添加泡沫的渣土改良方法。泡沫剂主要是由水、活性剂、聚合物等组成,主要作用有[13]:

1)包围土颗粒,降低内摩擦角,减小刀盘和螺旋输送机扭矩,减少刀具磨损;

2)稳定土仓压力,建立土压平衡;

3)改善土体流塑性;

4)减小渣土渗透系数,提高止水性。

有研究[14]认为,螺旋输送机自身的压缩效应和排土闸门可抵抗10 kPa的水压力和3×10-6m3/s的渗流量,水压力和渗流量中的任一指标低于这2个值,可认为不会发生喷涌,2个指标同时超过,视为喷涌发生。螺旋出土器出口的压力水头和水流量之间的关系可按式(1)计算。

(1)

式中:H2为螺旋机出口的压力水头,m;H1为开挖面的压力水头,m;Q为渗流量,m3/s;L1为盾构土仓深度,m;L2为螺旋机长度,m;K为渣土渗透系数,m/s;A1为盾构土仓横截面积,m2;A2为螺旋机横截面积,m2。

根据盾构机设备参数并取渗流量Q=3×10-6m3/s、螺旋机出口水压力10 kPa(1 m水头)进行计算,得到喷涌发生的临界渗透系数为1.46×10-6m/s,渣土渗透系数大于该值时发生喷涌。由于隧道上覆土为厚度较大的淤泥和淤泥质土,渗透系数较低,开挖面压力水头低于静水压力,因此计算出的临界渗透系数偏小。

本区间在盾构穿越砂层时,泡沫注入量为每环约40 L,泡沫原液与水的比例为2%。注入泡沫剂后,渣土渗透系数从1.39×10-4m/s降至约1.0×10-6m/s,低于发生喷涌的临界渗透系数,实际施工过程中未发生喷涌;采用水泥胶砂流动度测定仪测定渣土流动度约160 mm,具有良好的流动性;左线盾构刀盘扭矩情况如图4所示,由图可知盾构刀盘扭矩最大约为12 000 kN·m,远低于盾构最大扭矩17 960 kN·m,表明渣土改良效果良好。

图4 盾构刀盘扭矩

4 沉降控制

在盾构穿越中粗砂层段时,分别取左线隧道(1 284、1 334、1 384、1 434环)、右线隧道(1 286、1 337、1 385、1 436环)正上方地表沉降监测数据进行分析。对4个测点盾构通过前后的沉降值绘制时间历程曲线,如图5所示(横坐标0表示刀盘位于测点下方)。由图5可知,盾构通过测点后,8个测点的沉降稳定值均低于控制值-30 mm,沉降控制情况较好;从沉降稳定时间看,大部分测点沉降均在盾构刀盘通过测点后约3天稳定。

图5 地表沉降情况

5 结论

本文以广州地铁十八号线土压平衡盾构在大埋深下穿越全断面砂层为背景,总结了施工过程中的关键技术,得出以下结论:

1)盾构穿越富水砂层时,由于砂层含水量大,地下水压力高,渣土渗透性强,易发生螺旋输送机喷涌。故应在螺旋输送机出口安装防喷涌装置并根据地层条件采取相应的渣土改良措施避免发生喷涌。

2)盾构富水砂层掘进时,渣土改良是施工过程中的难点和重点。按经验,一般地层中的细颗粒占比应达到30%以上才能使渣土具有一定流动性和止水性,本工程中地层细颗粒占比仅11%～14.5%,但并未发生喷涌且螺旋机出土顺畅,表明本工程针对区间地层条件采用只注入泡沫的方法进行渣土改良是可行的。因此施工中应根据地层条件,通过试验等方法确定适合的渣土改良方法。

3)由于砂层在受扰动时易发生坍塌,盾构在通过砂层时可通过加快推进速度、尽量保持各施工参数稳定的方法快速穿越砂层段,避免对地层的过量扰动。同时严格控制出土量,保证同步注浆和二次注浆质量,将地表沉降控制在正常范围。