盾構穿越珠江的工法及保護措施摘要:在廣州地鐵三號線珠江新城站至客村站盾構區間隧道工程施工過程中,兩臺盾構機先后四次穿越珠江,在穿越過程中,遇到較為復雜的地質條件,施工過程十分困難。本文結合盾構穿越珠江實際情況,闡述了盾構穿越珠江的工法及相應措施。關鍵詞:施工;保護措施;解決辦法1 工程概況 廣州地鐵三號線珠江新城站至客村站盾構區間工程,為左、右線內徑為5400mm的圓形隧道,包括珠江新城站至赤崗塔站、赤崗塔站至客村站兩個區間,采用盾構法施工,單臺盾構機將兩次穿越珠江。 本工程北起珠江新城站南端(里程樁YDK4+136.15),南至客村站北端(里程樁YDK5+429.2),左右線各一臺盾構機先后從珠江新城站始發,中間空載過赤崗塔站,最后到達客村站。珠江新城站至赤崗塔站單線長度為1292.35m,赤崗塔站至客村站單線長度為1040.8m,即單線總長為2333.15m,雙線總長為4666.30m。 盾構過江所遇到的地層為:全風化~中風化夾雜綜合巖帶⑥～⑧,中風化帶⑧及微風化帶⑨,詳見表1所示。2 盾構機主要特點 本工程采用德國海瑞克公司生產的土壓平衡盾構機S181和S182(型號)進行施工。每臺盾構機的刀盤上均布置了中心滾刀6把、正面滾刀和邊緣滾刀13把、正面刮刀64把、邊刮刀32把。刀盤開口率為28%。盾構機的最大總推力為34210kN,刀盤轉速為0～6.1 rpm。采用螺旋機、皮帶機出渣和電瓶車泥斗水平運輸、龍門吊垂直提升的方式出土。在盾構機螺旋出土機的出口處設置安全閘閥,防止珠江水突然涌入盾構機。 盾構機過江掘進模式與參數選擇詳見表2。
3 盾構過江施工難點及解決措施3.1 地下水過大問題 S181盾構機(右線)于2004年5月15日開始穿越北珠江段時,當時發現地下水較大。地下水與盾構機密封倉內的渣土攪拌合成很稀的泥漿水,從盾構機的螺旋機出土口噴出并掉落在盾構機底部(盾尾處),需花很長時間由人工進行清理,嚴重影響正常拼裝管片。為了克服該困難,在掘進過程中采取了以下措施使問題基本得到解決: (1)進行二次雙液補壓漿,減少后方管片外側空隙地下水進入開挖面的可能; (2)盾構掘進前,往土倉里面加氣,把土倉里面的水從螺旋機出土口處逼出來; (3)同時加大了注入發泡劑和PL(水溶性聚胺脂)等辦法。3.2 “結泥餅”現象的處理 為了提高盾構機的掘進速度,在地下水很大的情況下,進行了諸如調整盾構掘進模式(硬土和軟土)及掘進參數等的各種嘗試,但是,盾構機掘進速度仍然沒有明顯提高。根據以往經驗,這是不正常的。通過仔細檢查噴出的泥漿,發現其粘性很強而固體顆粒極少,跟原狀巖石相差太遠。推斷可能是盾構機刀盤結泥餅,造成盾構機掘進緩慢。但這種推斷必須待打開盾構機密封倉進行檢查后,才能得到證實。為此,待緩慢推進到地下水減少時,停機打開密封倉檢查發現,盾構刀盤中央部分被堅硬的“泥餅”堵塞;幾把滾刀前沿圓弧已被磨平約5mm,呈“割線”狀,說明滾刀不轉動。通過采取以下措施解決并減少了該現象: (1)采取多次正、反轉刀盤及人工進倉清除刀盤上堵塞的“泥餅”。 (2)拆除刀盤上磨損的滾刀和刮刀,更換新刀。刀盤清理和刀具更換后,推進速度明顯提高(10～20mm/min),說明清理刀盤和更換刀具是有效的。 (3)采用土壓平衡方式掘進,嚴格控制出土量,土倉內壓力的加入量保持在1.8bar左右,增加泡沫劑,改善土體的流動性,減少了刀盤結泥餅現象。 (4)在開挖面穩定的前提下,人工進入土艙清洗刀盤上面的泥餅。3.3 噴涌事件的處理 盾構機從珠江下穿越時,四次發生開挖面噴涌事件。四次噴涌事件中,都有大量的水及砂從盾構機螺旋出土機涌出,盾構機密封倉內的水壓力最高達到2.2kg/cm2左右,表明盾構開挖面已經在某種程度上與珠江河底的砂層穿通(即冒頂)。其中,兩處噴涌事件中,有許多花崗巖石塊從盾構機螺旋機出土口中出來。噴涌發生后,立即把螺旋機出口安全閘閥關閉,然后把盾構密封倉的土壓力迅速提高至2.0kg/cm2左右,保證了盾構開挖面的安全。但是,盾構機推進的速度則變得非常緩慢(刀盤扭矩幾乎處于滿負荷狀態),因此,在工作中采取了以下辦法,基本控制了再次噴涌的發生: (1)采用土壓平衡模式掘進,關閉螺旋輸送器及出土口,提高土倉內的土壓及推進速度。 (2)在土倉中添加聚合物,改善渣土性狀,減小水的流動性。 (3)同步注漿時,加入速凝劑,加快管片周圍土體的固結,減小管片的沉降量。 (4)提前采用氣壓平衡模式掘進,嚴密監視和分析渣土成分,及時判斷地質情況并根據掘進情況及時調整掘進參數。3.4 江底塌方預防及處理措施 盾構機掘進過程中,假如一旦發生塌方事故,可以采取以下技術措施進行處理: (1)盾構機掘進時,關閉螺旋機輸送器,停止出土,保持土倉土壓力,防止塌方繼續擴大。 (2)加大注漿量,并保證注漿壓力在1.5～2.0bar,加固塌方區,確認塌方己停止后,盾構機盡快通過塌方區。 (3)如果塌方區擴大并與地表江水連通,首先找到地表連通處,拋擲沙包堵水,然后再加固處理。3.5 鉸接密封及盾尾漏水的處理措施 (1)如絞接密封漏水,首先調整絞接油缸行程及盾構機姿態,必要時啟用緊急密封。 (2)盾尾嚴重漏水時,在盾尾刷加注油脂止水。 (3)及時進行二次雙液注漿,并加入速凝劑,加快管片周圍水土體的固結,阻止盾體后部的水流向土倉。 (4)加強盾構機掘進姿態控制,避免大幅度的調整盾構機姿態,每環盾構機姿態調整控制在±6mm以內,減小鉸接油缸長度差,盡量將長度差控制在30mm以內。4 總結 (1)涌入盾構開挖面的地下水量很大,是事前難以估量的,客觀上對盾構施工造成了較大的難度,也是影響盾構施工進度的主要原因。筆者認為可以從以下途徑尋求有效的解決辦法: ①加大盾構機刀盤扭矩并合理配置刀具,使切削下來的渣土呈碎塊狀的占絕大多數。這樣,渣土流動性不至于太大,不容易發生噴涌現象。因此,建議在類似地層條件下,刀盤扭矩值可大于500 t.m。 ②盡量提高盾構機掘進速度。如本工程中,按實際地下水量為1000m3/天計算,只要盾構機掘進速度達到30～50mm/min,就可以大大降低渣土中水的比例,改善出土狀態。 ③出土螺旋機設置螺旋芯軸。 ④前面三者相結合,則可以在出土螺旋內形成“泥漿塞”,起到抑制噴涌的效果。 ⑤去掉出土皮帶機,把螺旋出土機加長,使其出土口伸至泥斗車的上方,具體須在盾構機設計時作全面考慮。 ⑥對于粘性強的地層,尤其是在穩定性比較好的巖層中,除合理配置刀具以外,刀盤開口率也應適當增大。類似本工程的巖層中,建議開口率不小于30%～40%。 (2)土壓平衡盾構最終安全穿越珠江,證明防淹閘閥是有效的安全措施。 (3)由于缺乏可以對珠江河床進行精細變形觀測的手段,因此珠江下所發生的噴涌事件都具有突然性,難以事前預料,對此,須有充分認識。 盾構過珠江施工是本盾構工程施工中的重點難點之一。[珠～客盾構區間]過江段由于采用了先進的德國設備及相關施工工藝,嚴格按設計及有關施工技術規范的要求進行施工,事前做好各項技術準備及應急方案,盾構機順利通過珠江,右線盾構于2004年8月3日,左線盾構于2004年9月13日完成穿越珠江,隧道質量達到預期理想的目標,滿足地鐵通車的要求。
3 盾構過江施工難點及解決措施3.1 地下水過大問題 S181盾構機(右線)于2004年5月15日開始穿越北珠江段時,當時發現地下水較大。地下水與盾構機密封倉內的渣土攪拌合成很稀的泥漿水,從盾構機的螺旋機出土口噴出并掉落在盾構機底部(盾尾處),需花很長時間由人工進行清理,嚴重影響正常拼裝管片。為了克服該困難,在掘進過程中采取了以下措施使問題基本得到解決: (1)進行二次雙液補壓漿,減少后方管片外側空隙地下水進入開挖面的可能; (2)盾構掘進前,往土倉里面加氣,把土倉里面的水從螺旋機出土口處逼出來; (3)同時加大了注入發泡劑和PL(水溶性聚胺脂)等辦法。3.2 “結泥餅”現象的處理 為了提高盾構機的掘進速度,在地下水很大的情況下,進行了諸如調整盾構掘進模式(硬土和軟土)及掘進參數等的各種嘗試,但是,盾構機掘進速度仍然沒有明顯提高。根據以往經驗,這是不正常的。通過仔細檢查噴出的泥漿,發現其粘性很強而固體顆粒極少,跟原狀巖石相差太遠。推斷可能是盾構機刀盤結泥餅,造成盾構機掘進緩慢。但這種推斷必須待打開盾構機密封倉進行檢查后,才能得到證實。為此,待緩慢推進到地下水減少時,停機打開密封倉檢查發現,盾構刀盤中央部分被堅硬的“泥餅”堵塞;幾把滾刀前沿圓弧已被磨平約5mm,呈“割線”狀,說明滾刀不轉動。通過采取以下措施解決并減少了該現象: (1)采取多次正、反轉刀盤及人工進倉清除刀盤上堵塞的“泥餅”。 (2)拆除刀盤上磨損的滾刀和刮刀,更換新刀。刀盤清理和刀具更換后,推進速度明顯提高(10～20mm/min),說明清理刀盤和更換刀具是有效的。 (3)采用土壓平衡方式掘進,嚴格控制出土量,土倉內壓力的加入量保持在1.8bar左右,增加泡沫劑,改善土體的流動性,減少了刀盤結泥餅現象。 (4)在開挖面穩定的前提下,人工進入土艙清洗刀盤上面的泥餅。3.3 噴涌事件的處理 盾構機從珠江下穿越時,四次發生開挖面噴涌事件。四次噴涌事件中,都有大量的水及砂從盾構機螺旋出土機涌出,盾構機密封倉內的水壓力最高達到2.2kg/cm2左右,表明盾構開挖面已經在某種程度上與珠江河底的砂層穿通(即冒頂)。其中,兩處噴涌事件中,有許多花崗巖石塊從盾構機螺旋機出土口中出來。噴涌發生后,立即把螺旋機出口安全閘閥關閉,然后把盾構密封倉的土壓力迅速提高至2.0kg/cm2左右,保證了盾構開挖面的安全。但是,盾構機推進的速度則變得非常緩慢(刀盤扭矩幾乎處于滿負荷狀態),因此,在工作中采取了以下辦法,基本控制了再次噴涌的發生: (1)采用土壓平衡模式掘進,關閉螺旋輸送器及出土口,提高土倉內的土壓及推進速度。 (2)在土倉中添加聚合物,改善渣土性狀,減小水的流動性。 (3)同步注漿時,加入速凝劑,加快管片周圍土體的固結,減小管片的沉降量。 (4)提前采用氣壓平衡模式掘進,嚴密監視和分析渣土成分,及時判斷地質情況并根據掘進情況及時調整掘進參數。3.4 江底塌方預防及處理措施 盾構機掘進過程中,假如一旦發生塌方事故,可以采取以下技術措施進行處理: (1)盾構機掘進時,關閉螺旋機輸送器,停止出土,保持土倉土壓力,防止塌方繼續擴大。 (2)加大注漿量,并保證注漿壓力在1.5～2.0bar,加固塌方區,確認塌方己停止后,盾構機盡快通過塌方區。 (3)如果塌方區擴大并與地表江水連通,首先找到地表連通處,拋擲沙包堵水,然后再加固處理。3.5 鉸接密封及盾尾漏水的處理措施 (1)如絞接密封漏水,首先調整絞接油缸行程及盾構機姿態,必要時啟用緊急密封。 (2)盾尾嚴重漏水時,在盾尾刷加注油脂止水。 (3)及時進行二次雙液注漿,并加入速凝劑,加快管片周圍水土體的固結,阻止盾體后部的水流向土倉。 (4)加強盾構機掘進姿態控制,避免大幅度的調整盾構機姿態,每環盾構機姿態調整控制在±6mm以內,減小鉸接油缸長度差,盡量將長度差控制在30mm以內。4 總結 (1)涌入盾構開挖面的地下水量很大,是事前難以估量的,客觀上對盾構施工造成了較大的難度,也是影響盾構施工進度的主要原因。筆者認為可以從以下途徑尋求有效的解決辦法: ①加大盾構機刀盤扭矩并合理配置刀具,使切削下來的渣土呈碎塊狀的占絕大多數。這樣,渣土流動性不至于太大,不容易發生噴涌現象。因此,建議在類似地層條件下,刀盤扭矩值可大于500 t.m。 ②盡量提高盾構機掘進速度。如本工程中,按實際地下水量為1000m3/天計算,只要盾構機掘進速度達到30～50mm/min,就可以大大降低渣土中水的比例,改善出土狀態。 ③出土螺旋機設置螺旋芯軸。 ④前面三者相結合,則可以在出土螺旋內形成“泥漿塞”,起到抑制噴涌的效果。 ⑤去掉出土皮帶機,把螺旋出土機加長,使其出土口伸至泥斗車的上方,具體須在盾構機設計時作全面考慮。 ⑥對于粘性強的地層,尤其是在穩定性比較好的巖層中,除合理配置刀具以外,刀盤開口率也應適當增大。類似本工程的巖層中,建議開口率不小于30%～40%。 (2)土壓平衡盾構最終安全穿越珠江,證明防淹閘閥是有效的安全措施。 (3)由于缺乏可以對珠江河床進行精細變形觀測的手段,因此珠江下所發生的噴涌事件都具有突然性,難以事前預料,對此,須有充分認識。 盾構過珠江施工是本盾構工程施工中的重點難點之一。[珠～客盾構區間]過江段由于采用了先進的德國設備及相關施工工藝,嚴格按設計及有關施工技術規范的要求進行施工,事前做好各項技術準備及應急方案,盾構機順利通過珠江,右線盾構于2004年8月3日,左線盾構于2004年9月13日完成穿越珠江,隧道質量達到預期理想的目標,滿足地鐵通車的要求。