淺談盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)應(yīng)用措施

 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(shí)例,介紹其設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)、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(jì)算、盾構(gòu)刀具與欠壓推進(jìn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力,地層反應(yīng)靈敏,刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí),刀盤與卵石層接觸壓力不等,導(dǎo)致刀頭震動(dòng),在頂進(jìn)力作用下易產(chǎn)生坍塌,引起圍巖擾動(dòng)和地層變形。當(dāng)圍巖中的礫卵石越多、粒徑越大時(shí),擾動(dòng)就越大;當(dāng)隧道頂部大塊卵石剝落時(shí),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(hào)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(jìn)，區(qū)間中部穿越梅賓街私人住宅樓群，到達(dá)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(zhǎng)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(diǎn)

　　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(dòng)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(jìn)過程中若開挖面壓力不足,或大塊卵石并排排出時(shí),或螺旋輸送機(jī)的排土量大于刀盤切削土量,在刀盤前上方會(huì)產(chǎn)生較大的空洞區(qū)域,卵石或礫石將相繼松動(dòng),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(dòng)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(qiáng)度較低,還會(huì)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(jī)密封艙土壓平衡問題

　　盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)建立土壓平衡比較困難,甚至實(shí)現(xiàn)不了土壓平衡的功能,因?yàn)?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(jī)向外排出也十分困難。砂卵石處于密封艙內(nèi),螺旋輸送機(jī)內(nèi)以及盾構(gòu)周圍,對(duì)盾構(gòu)機(jī)的擾動(dòng),振動(dòng)很大,不利于掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整,包括推進(jìn)千斤頂?shù)膲毫?螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速及排土門的開度,盾構(gòu)機(jī)位置及姿態(tài)控制等。因此,砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),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(tái)盾構(gòu)機(jī)均由德國海瑞克公司生產(chǎn)，并由西門子的S7-PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)控制,配備了機(jī)電一體化的液壓驅(qū)動(dòng)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(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。配套設(shè)備有龍門吊、電瓶機(jī)車、攪拌站、注漿泵、冷卻塔、隧道風(fēng)機(jī)、電焊機(jī)、空壓機(jī)等。開挖土倉由刀盤、切口環(huán)、隔板及螺旋輸送機(jī)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(qiáng)制混合的攪拌臂。借助盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸的推力通過隔板進(jìn)行加壓,產(chǎn)生泥土壓,這一壓力作用于整個(gè)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(jī)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(cè)量,為保證一定的土壓力,可通過控制推進(jìn)力、推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)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(shí),地表將會(huì)隆起;當(dāng)土倉內(nèi)的土壓力小于地層土和水的壓力時(shí),地表將會(huì)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(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及地表變形情況,建立了三維數(shù)值模型進(jìn)行分析(見圖1)。

　　通過模擬分析發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)開挖推進(jìn)時(shí),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(kuò)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(jìn),開挖面后方地表豎向位移變化趨勢(shì)不會(huì)受到影響,盾尾后方斷面橫向擴(kuò)展變緩;在底拱及其向外擴(kuò)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(jìn)

　　(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(shì)主要包括石英砂對(duì)刀具產(chǎn)生的磨耗磨損和卵石對(duì)刀具的撞擊損傷。因此,在這種地質(zhì)條件下進(jìn)行盾構(gòu)施工,就對(duì)刀具的硬度、耐磨性有了更高的要求。

　　在那個(gè)區(qū)間將兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的刀具全部進(jìn)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(dòng)所經(jīng)過的刀具表面,嵌入硬度高達(dá)3000HV的碳化鎢合金。S294盾構(gòu)機(jī)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(shí),極易大塊碎裂、整體脫落。因此,要求海瑞克公司對(duì)這種鏟刀進(jìn)行了改進(jìn)。新刀具上改進(jìn)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(shí),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(zhǎng)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(jìn)刀具的同時(shí),設(shè)計(jì)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(shí),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(dòng)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(shí),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(hù)了這些標(biāo)準(zhǔn)刀具,延長(zhǎng)了刀具的磨損長(zhǎng)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(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí),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(jī)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(dòng)性及透

　　性,達(dá)到穩(wěn)定掌子面的效果;另一方面細(xì)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(gè)區(qū)間砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí),推進(jìn)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)

　�、賁206的膨脹率(FER)值在1∶10~1∶15之間,注入比(FIR)值在15%~20%。

　�、赟294由于較S206油脂注入系統(tǒng)缺少2個(gè)點(diǎn)位,漏漿現(xiàn)象相對(duì)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(dòng)較小比S206要大,一般取在20%~30%。實(shí)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(jī)在穿越砂層的過程時(shí),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(rèn)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(jìn)度。通過對(duì)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(yàn),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(dòng)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(duì)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(dòng)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(jìn)技術(shù)

　　當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在通過隧道上方?jīng)]有重要建筑物結(jié)構(gòu),即在對(duì)控制地表沉降要求不是很高的地段,采用欠壓推進(jìn)技術(shù),既有效地保護(hù)了刀盤、刀具,又加快了施工進(jìn)度。欠壓推進(jìn)工作原理:由于土倉外正面土體的穩(wěn)定通過推力、推進(jìn)速度和出土速度3個(gè)參數(shù)控制,而刀盤、刀具的損耗由推進(jìn)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(jìn)過程中,加快出土速度,保持土倉壓力比通過計(jì)算得到壓低0.2~0.3bar,既保證了推進(jìn)速度不受影響,又小了總推力,刀盤切削土體時(shí)的摩擦力也因此隨之小,降低了刀具的磨耗,延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。通過反復(fù)試驗(yàn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)反饋,優(yōu)化了欠壓推進(jìn)時(shí)的技術(shù)參數(shù),盾構(gòu)機(jī)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(jì)要點(diǎn)

　　目前國內(nèi)普遍使用直線、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)3套管片來實(shí)現(xiàn)隧道直線和曲線掘進(jìn),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(shí)現(xiàn)隧道直線掘進(jìn)和曲線掘進(jìn)。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(hào)為L(zhǎng)1、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(gè)楔形量實(shí)現(xiàn)隧道的轉(zhuǎn)向及盾構(gòu)機(jī)的輔助控制;通過管片的不同拼裝組合實(shí)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(zhǎng)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(duì)盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力計(jì)算,國內(nèi)多以經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化計(jì)算法為主。為保證計(jì)算準(zhǔn)確靠,采用精確計(jì)算法計(jì)算出截面內(nèi)力(考慮各類頭位置與剛度、錯(cuò)縫時(shí)的環(huán)間相互咬合效應(yīng),及隧道與周圍土體的實(shí)際相互作用關(guān)系)。

　　(2)考慮接頭位置與剛度的精確計(jì)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?jiǎn)卧�模擬管片的實(shí)際狀況,用頭抗彎剛度Kθ來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度為錯(cuò)縫式拼接時(shí),因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用,此時(shí)根據(jù)錯(cuò)縫拼裝方式,除考慮計(jì)算對(duì)象的襯砌圓環(huán)外,將對(duì)其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為對(duì)象,采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)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(jì)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(yàn)研究結(jié)果;認(rèn)為各環(huán)管片在縱向接頭處不產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)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(shí)將自動(dòng)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(jì)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(jì)算土壓力小于此值時(shí))的經(jīng)驗(yàn)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(dú)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(jìn)行計(jì)算分析,即計(jì)算中豎向地層壓力按全部地層壓力計(jì)算。而側(cè)壓力當(dāng)隧道處于粘性土中時(shí)按水土和算考慮,在砂性土地層時(shí)按水土分算考慮。除土水壓力外,實(shí)際的計(jì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形計(jì)算,同時(shí)對(duì)混凝土裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)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(jī)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。廣州市軌道交通三號(hào)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(jìn)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(jī)安全、連續(xù)、快速的推進(jìn),順利通過了各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),解決了工程項(xiàng)目中的難題,提高了工程質(zhì)量,有效的降低了工程造價(jià),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(jià)值。

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