土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中施工控制的重點及技術(shù)措施

1、6土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層中施工控制重點及技術(shù)措施摘要介紹南京地鐵一號線地鐵玄武門站南京站區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)在富水砂壓中開挖隧道積累下的成功經(jīng)驗。關(guān)鍵詞地鐵隧道；土壓平衡盾構(gòu)；始發(fā)；進(jìn)站；技術(shù)措施在富水砂層中進(jìn)行地下工程施工，一直倍受廣大工程建設(shè)者關(guān)注和探討，特別是上海地鐵四號線（浦東南路南浦大橋區(qū)間）地鐵施工中隧道內(nèi)發(fā)生涌砂事故后，引起了建筑工程界巨大的震動。南京地鐵玄武門站許府巷站南京站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，盾構(gòu)要在全斷面的砂層中兩次始發(fā)，一次進(jìn)站，并要穿過約二十幢舊多層居民樓，在周密的技術(shù)方案和精心施工安排，使得工程安全、優(yōu)質(zhì)完成。1 地質(zhì)條件及砂層主要物理參數(shù)該標(biāo)段屬古河道漫灘地貌,基巖埋

2、藏較深,均大于25m。軟弱土層較厚，主要為低塑性淤泥粘土、粉質(zhì)粘土及中到稍密的粉細(xì)砂。隧道所通過的粉細(xì)砂地層為良好的富水和透水地層（-2d2-3粉砂夾細(xì)砂和-3d2粉細(xì)砂的物理力學(xué)參數(shù)表一），其飽含地下水，滲透系數(shù)達(dá)5×10-3cm/s，地層遇水極容易液化，使得地層變得更加不穩(wěn)定，容易引發(fā)坍塌，施工中極易產(chǎn)生涌水、涌砂及開挖面失穩(wěn)現(xiàn)象。另外隧道上方覆土層次多，分布不勻及土質(zhì)差異大，使地質(zhì)情況變得錯綜復(fù)雜。砂層主要物理力學(xué)參數(shù)值 附表一巖土分層巖土名稱含水量W（%）重度（濕）（KN/m3）孔隙比e壓縮系數(shù)a1-2（MPa-1）壓縮模量Es1-2（MPa）地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk（KPa）垂

3、直滲透系數(shù)KV×10-2（m/d）水平滲透系數(shù)Kh×10-2（m/d）-2d2-3粉砂夾細(xì)砂29.019.30.7740.12814.6513098.52337.31-3d2粉細(xì)砂30.219.00.8290.13814.45150422.67/2 盾構(gòu)機(jī)設(shè)計在富水砂層中要考慮的關(guān)鍵因素服務(wù)于本工程的盾構(gòu)設(shè)備是引進(jìn)德國海瑞克公司的，但該盾構(gòu)機(jī)設(shè)計時結(jié)合了我國盾構(gòu)施工經(jīng)驗和很多專家的意見，在海瑞克公司原設(shè)計基礎(chǔ)提出了很多技術(shù)措施改良。由于盾構(gòu)機(jī)的密封系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計將是在富水砂層中施工成敗的關(guān)鍵，在此作詳盡的介紹。 2.1 盾構(gòu)密封系統(tǒng)的設(shè)計盾構(gòu)要在地下幾米至十幾米深的地

4、層中施工，該范圍的土層中含有豐富的地下水，盾構(gòu)必須設(shè)計有良好的密封系統(tǒng)，方能滿足在地下施工的要求。在盾構(gòu)設(shè)備設(shè)計中，應(yīng)考慮盾尾密封系統(tǒng)和鉸接密封系統(tǒng)的防水性能，這兩個部位的防水，是保證盾構(gòu)施工安全和保證地面建筑物和管線安全的重要保障。一、盾尾密封系統(tǒng)：盾構(gòu)機(jī)的盾尾設(shè)計了三排彈性較好的鋼絲刷用來防水，鋼絲刷中之間間距30cm，為減少鋼絲刷磨損和增加密封功能，在整個圓周盾尾鋼絲刷間設(shè)置了8個油脂孔，盾構(gòu)前進(jìn)中自動或手動向鋼絲刷中注入密封油脂，填充鋼絲刷之間的空隙，防止泥水進(jìn)入管片安裝工作面。二、鉸接密封系統(tǒng)：一般盾構(gòu)在中體與盾尾之間連接都采用鉸接連接的方式，有利于盾構(gòu)在曲線施工作線路糾偏，這樣連接

5、部位間就必須考慮防水措施。盾構(gòu)設(shè)計時在鉸接部位采用了彈性較好的橡膠條，并且在橡膠里面設(shè)置氣囊，其主要作用是：橡膠止水條用于一般線路的防水，但在曲線半徑較小轉(zhuǎn)彎角度較大的線路上時，僅靠橡膠彈性防水不一定能滿足要求了，此時可通過向橡膠止水條中的氣囊充氣，使橡膠止水條膨脹進(jìn)一步提高盾構(gòu)機(jī)的防水性能。2.2 盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計盾構(gòu)刀盤(圖一)盾構(gòu)刀盤設(shè)計是關(guān)系到整個工程施工進(jìn)展能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，在設(shè)計中要周詳考慮。一個失敗的刀盤設(shè)計，將給施工中帶來諸多麻煩，如常出現(xiàn) “泥餅”、盾構(gòu)掘進(jìn)速度很慢、甚至掘不動、地表產(chǎn)生很大沉降導(dǎo)致建筑物開裂或倒塌等一系列問題。因此，盾構(gòu)刀盤的刀具選型，應(yīng)根據(jù)不同地層的情況而

6、定，在巖層中，刀盤設(shè)計應(yīng)以滾刀為主，刮刀輔助；而在砂層軟土地層中，刀盤設(shè)計考慮切刀為主，刮刀輔助。本工程的盾構(gòu)刀盤設(shè)計了切刀112把，刮刀16把，中心刀1把，刀盤開口率達(dá)40%，刀盤分成4塊，有16個碴槽。碴槽布置與土碴開挖量對應(yīng)，其中8個碴槽接近刀盤中心，防止刀盤中心部位“泥餅”的形成，同時提高刀盤的開挖效率。刀盤及密封隔板有泡沫、泥漿注入管路，可調(diào)節(jié)碴土的塑性及粘度、降低透水性及內(nèi)摩擦力，便于不同地質(zhì)的開挖，保持土倉土壓的穩(wěn)定，減少功率消耗。盾構(gòu)刀盤(圖一)3 盾構(gòu)在富水砂層中安全始發(fā)、進(jìn)站的技術(shù)措施盾構(gòu)始發(fā)或進(jìn)站，一般都需要對端頭地層進(jìn)行加固，然后破除車站原圍護(hù)結(jié)構(gòu)（一般是人工挖孔樁、鉆

7、孔樁或是連續(xù)墻等），盾構(gòu)刀盤穿過圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵達(dá)土體撐子面或進(jìn)入車站 。在國內(nèi)端頭加固一般采用高壓噴旋樁、深層攪拌樁、冷凍法等方法加固。加固范圍一般如下：始發(fā)端頭，長度是沿著隧道縱向6米，寬度為盾構(gòu)直徑左右兩邊各延長3米，深度為盾構(gòu)下方3米至盾構(gòu)上方3米。進(jìn)站端頭，加固寬度和深度與始發(fā)的相同，只是加固長度就不同，長度為隧道縱向3米。以下將著重介紹本工程盾構(gòu)在富水砂層中始發(fā)及進(jìn)站的技術(shù)措施：3.1 盾構(gòu)在富水砂層中始發(fā)的技術(shù)措施盾構(gòu)始發(fā)端頭加固，選用了縱向6米范圍高壓旋噴樁和深層攪拌結(jié)合的加固方法。在靠洞門結(jié)構(gòu)位置施工兩排三重管高壓旋噴樁，主要作用是改良土體，形成較好的止水帷幕，后面施工7排深層攪拌

8、樁，作用為改良土體，減少土體側(cè)壓力，保證洞門結(jié)構(gòu)破除后端頭土體能自穩(wěn)（端頭加固平面圖二）。三重管旋噴樁施工設(shè)計工藝參數(shù)：樁徑設(shè)定為1.2m，樁間距為0.8m，水泥用量控制在800kg/m，漿液水灰比0.8：1，空氣壓力設(shè)定為0.60.7MPa，水壓設(shè)定為3338MPa，噴漿壓力設(shè)定為4MPa，漿液流量80升/min，提升速度8cm/min，轉(zhuǎn)速為8r/min。深層攪拌樁設(shè)計工藝參數(shù)：樁徑設(shè)定為直徑0.7m，樁間間距為0.5m，攪拌加固面積為024m2，水泥用量控制在80kg/m，漿液水灰比為0.5：1，噴漿壓力為2 MPa，鉆桿提升速度為50 r/min，提升速度為6 cm/min。加固等強(qiáng)2

9、8天后，進(jìn)行垂直抽芯檢查和洞門水平探孔檢查各項指標(biāo)達(dá)到要求，進(jìn)行洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)砼的破除。破除洞門結(jié)構(gòu)砼原則上先破除外層鋼筋混凝土，保留里排鋼筋和約10cm厚的砼層。迅速安裝橡膠簾布和扇形鋼壓板，并往刀盤土倉里塞三分之二倉土坯。待以上準(zhǔn)備工作完成后，由下往上，分塊破除鋼筋混凝土，并盡快使盾構(gòu)機(jī)前移，使其刀盤頂?shù)郊庸腆w撐子面。從安裝橡膠簾布到盾構(gòu)前移，應(yīng)控制在12個小時內(nèi)完成，否則盾構(gòu)撐子面暴露時間過長容易產(chǎn)生加固體失穩(wěn)變形現(xiàn)象。盾構(gòu)開始向前掘進(jìn)時，暫不出碴，并往土倉內(nèi)加大量的泡沫，改良碴土，以建立土倉壓力，至此盾構(gòu)始發(fā)已成功。3.2 盾構(gòu)在富水砂層中進(jìn)站的技術(shù)措施盾構(gòu)在砂層端頭進(jìn)站，比起普通地層進(jìn)

10、站，難度系數(shù)就更大了。在砂層中進(jìn)站，很容易發(fā)生“涌砂”，原因是盾構(gòu)機(jī)開挖的直徑比盾構(gòu)機(jī)機(jī)身的直徑大，使得盾構(gòu)機(jī)外圍形成一長環(huán)縫，這條縫隙在壓力的作用下，細(xì)砂和水很容易從這縫隙進(jìn)入車站，引發(fā)地面坍塌事故。在盾構(gòu)進(jìn)站時，必須采取有效的措施防止流砂的發(fā)生。在本工程中，盾構(gòu)進(jìn)站端頭加固仍采用高壓旋噴樁加固，旋噴樁加固參數(shù)與始發(fā)旋噴樁加固參數(shù)一樣，但加固范圍就截然不同了。盾構(gòu)進(jìn)站加固范圍，靠洞門位置沿縱向全斷面加了3米長，再向后設(shè)計了一個三面兩排旋噴樁加固的井字止水帷幕，具體加固范圍如（圖三）。這設(shè)計，綜加考慮了盾構(gòu)進(jìn)站時出現(xiàn)有“涌砂”事件，可以保證止水帷幕外面建筑物的安全，另一面，有了這個止水帷幕，大

11、大減少土體對洞門的側(cè)向作用壓力，出現(xiàn)涌砂也容易封堵。在施工中，當(dāng)盾構(gòu)的刀盤抵達(dá)洞門前沿的加固體時，此時盾構(gòu)的盾尾已穿過了縱向第一道旋噴樁止水帷幕，應(yīng)暫停盾構(gòu)掘進(jìn)，通過管片吊裝把盾尾后的5環(huán)管片注雙液漿，確保止水帷幕外的泥水再沒有通道進(jìn)入井字帷幕內(nèi)。待注漿的強(qiáng)度達(dá)到終凝后，迅速把洞門的鋼筋砼破除，安裝洞門密封，盾構(gòu)迅速向車站內(nèi)推進(jìn)，直到盾構(gòu)尾刷完全進(jìn)入全截面加固體2米后，方可停止掘進(jìn)。在盾構(gòu)刀盤進(jìn)入車站后，此時可能盾構(gòu)與洞門之間的縫隙有噴砂水的現(xiàn)象，可以通過用鋼絲繩收緊洞門密封來解決，如噴涌不是很厲害，大可不必理它，只要迅速把盾構(gòu)往前推，盾尾到達(dá)3米范圍的加固體內(nèi)時，再通過同步注漿，管片壁后注漿

12、，更嚴(yán)重的采用遇水膨脹的聚胺酯把砂水堵住。到此，盾構(gòu)機(jī)暫停兩天，使注的漿液已有強(qiáng)度，此時盾構(gòu)再進(jìn)站已不存在安全隱患了。4 在富水砂層地層里，盾構(gòu)在多層建筑群下掘進(jìn)的施工技術(shù)措施在某個盾構(gòu)工程中，盾構(gòu)在砂層中施工時，由于沒有足夠重視，施工時發(fā)生盾構(gòu)鉸接部位漏砂現(xiàn)象，雖漏的砂水僅有5立方，并馬上由隧道內(nèi)向地層中注水泥漿，但已沒法補(bǔ)救。漏砂攪動了地層的穩(wěn)定，地面發(fā)生較大的沉降，在盾構(gòu)上方的一幢多層建筑物迅速開裂，最后通過從地面對建筑基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固，方穩(wěn)定房屋繼續(xù)沉降開展。雖最后建筑物保住了，但建筑物的維修就耗資一百多萬元。吸取了別人慘痛的施工教訓(xùn)，本工程【許南】區(qū)間盾構(gòu)機(jī)始發(fā)之后就要下穿廖家巷2號

13、建筑物群，根據(jù)建筑物和地下管線調(diào)查成果的報告顯示，這些建筑物大部分建成的年代都比較久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)大都為條形基礎(chǔ)，承載能力較差，部分房屋已有數(shù)條裂紋。根據(jù)許南區(qū)間的設(shè)計線路，盾構(gòu)機(jī)并不是在這些建筑物的正下方通過，而是從建筑物的角部或側(cè)部穿過（詳見部分廖家巷建筑群與地鐵隧道平面關(guān)系圖）。這樣盾構(gòu)機(jī)通過勢必將對這些建筑物造成不同程度的不均勻沉降，對房屋造成不同程度的危害。如何能將沉降控制在規(guī)定范圍之內(nèi)，確保建筑物與居民的安全，是必須慎重考慮的問題。盾構(gòu)過廖家巷建筑群前，召集參建的專家對盾構(gòu)在砂層中過建筑群施工技術(shù)措施進(jìn)行研討，制定了以下措施：在盾構(gòu)進(jìn)入建筑群前，應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面的檢修，減少盾構(gòu)因設(shè)備故

14、障停機(jī)，保證盾構(gòu)連續(xù)快速向前掘進(jìn)；刀盤土倉壓力應(yīng)比普通地層施工要提高，并根據(jù)地表監(jiān)測的結(jié)果，不斷調(diào)整土倉壓力參數(shù)，具體要符合盾構(gòu)沉降的一般規(guī)律(如圖四盾構(gòu)施工地面變形的一般規(guī)律)。要求從同步注漿壓力、注漿量來確保管片與地層中的間隙填充密實，特別指出注漿量不要拘泥于平常要求的130%180%的填充率，有資料表明有些地層中充填率可達(dá)250%，應(yīng)堅持根據(jù)監(jiān)控量測情況指導(dǎo)盾構(gòu)施工；加強(qiáng)地表及建筑物的監(jiān)測，把監(jiān)測的成果及時反饋到盾構(gòu)操作室，以指導(dǎo)盾構(gòu)施工參數(shù)的控制；盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，要有專人檢查盾構(gòu)的鉸接密封和盾尾密封，發(fā)現(xiàn)有泄漏，及進(jìn)處理。要求控制盾構(gòu)每循環(huán)的出渣量，發(fā)現(xiàn)異常要及進(jìn)處理。在十幾米深的富水

15、的砂層中，土倉內(nèi)的水壓力很大，如施工中不注意控制,出渣時很容易發(fā)生“噴涌”，將由于壓力的析放造成刀盤前方的撐子面塌陷，地面將發(fā)生較大的沉降。經(jīng)過實踐摸索，總結(jié)出防止噴涌的措施：盾構(gòu)掘進(jìn)的每循環(huán)結(jié)束前，先停止出渣，打開螺旋輸送機(jī)的閘門再掘進(jìn)一段，約為1020CM，發(fā)現(xiàn)土倉壓力沒有變化后方關(guān)閘門和停止盾構(gòu)掘進(jìn)，確保土倉內(nèi)滿倉土，并把土倉內(nèi)的氣壓從閘門擠壓出來，有效避免“噴涌”現(xiàn)象的產(chǎn)生；如果發(fā)生了“噴涌”，螺旋輸送機(jī)的出碴門宜減小，開啟寬度為150mm200mm，并通過正反轉(zhuǎn)和加入大量的泡沫來改良渣土，達(dá)到堵水和利于渣土排放的目的。盾構(gòu)施工中，首先在一塊較為空曠的地下進(jìn)行了盾構(gòu)機(jī)保養(yǎng)和維修，同時進(jìn)

16、行了盾構(gòu)施工配套設(shè)備（水平運(yùn)輸?shù)碾娖寇?、垂直運(yùn)輸?shù)拈T吊和砂漿攪拌站等）的保養(yǎng)和維修。在確保盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)下向前掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，也是經(jīng)過反復(fù)計算和比較，再根據(jù)平時施工的經(jīng)驗總結(jié)，具體見(表二)。廖家巷建筑群在盾構(gòu)線路上方的建筑物達(dá)20幢，盾構(gòu)隧道線路達(dá)300米長。從盾構(gòu)機(jī)到達(dá)影響建筑群范圍，到盾構(gòu)機(jī)完全穿越建筑群，共用20天，地表最大沉降22.5mm，建筑物最大沉降18.2mm。從監(jiān)測結(jié)果顯示，地表沉降基本符合原設(shè)定的規(guī)律，如29-B5-2點的房屋點沉降-距離曲線圖。施工時，在盾構(gòu)前方的監(jiān)測點變形控制在+1-1mm范圍內(nèi)，盾構(gòu)通過時，監(jiān)測點沉降變形在-3-6mm范圍內(nèi)，地表最終沉降控制在1525mm范圍內(nèi)。在周密的施工方案和技術(shù)措施指導(dǎo)下，盾構(gòu)在富水砂層中成功穿廖家巷建筑群，給我們留下了很多寶貴的施工經(jīng)驗，供以后施工中作參考。盾構(gòu)在建筑群中設(shè)定的施工參數(shù)（表二）盾構(gòu)機(jī)總推力（t）刀盤扭矩（t*m）盾構(gòu)掘進(jìn)速度（mm/min）注漿壓力（Mpa）注漿量（m3）出碴量（m3）土倉壓力（Mpa）1057135532439540820.320.353.23.53644上0.23中0.26下0.295 結(jié)束語本文是把南京