盾構(gòu)穿越珠江的工法及保護(hù)措施摘要:在廣州地鐵三號(hào)線珠江新城站至客村站盾構(gòu)區(qū)間隧道工程施工過(guò)程中,兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)先后四次穿越珠江,在穿越過(guò)程中,遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)條件,施工過(guò)程十分困難。本文結(jié)合盾構(gòu)穿越珠江實(shí)際情況,闡述了盾構(gòu)穿越珠江的工法及相應(yīng)措施。關(guān)鍵詞:施工;保護(hù)措施;解決辦法1 工程概況 廣州地鐵三號(hào)線珠江新城站至客村站盾構(gòu)區(qū)間工程,為左、右線內(nèi)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(gè)區(qū)間,采用盾構(gòu)法施工,單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)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(tái)盾構(gòu)機(jī)先后從珠江新城站始發(fā),中間空載過(guò)赤崗塔站,最后到達(dá)客村站。珠江新城站至赤崗塔站單線長(zhǎng)度為1292.35m,赤崗塔站至客村站單線長(zhǎng)度為1040.8m,即單線總長(zhǎng)為2333.15m,雙線總長(zhǎng)為4666.30m。 盾構(gòu)過(guò)江所遇到的地層為:全風(fēng)化~中風(fēng)化夾雜綜合巖帶⑥～⑧,中風(fēng)化帶⑧及微風(fēng)化帶⑨,詳見(jiàn)表1所示。2 盾構(gòu)機(jī)主要特點(diǎn) 本工程采用德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)S181和S182(型號(hào))進(jìn)行施工。每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)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(pán)開(kāi)口率為28%。盾構(gòu)機(jī)的最大總推力為34210kN,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為0～6.1 rpm。采用螺旋機(jī)、皮帶機(jī)出渣和電瓶車(chē)泥斗水平運(yùn)輸、龍門(mén)吊垂直提升的方式出土。在盾構(gòu)機(jī)螺旋出土機(jī)的出口處設(shè)置安全閘閥,防止珠江水突然涌入盾構(gòu)機(jī)。 盾構(gòu)機(jī)過(guò)江掘進(jìn)模式與參數(shù)選擇詳見(jiàn)表2。
3 盾構(gòu)過(guò)江施工難點(diǎn)及解決措施3.1 地下水過(guò)大問(wèn)題 S181盾構(gòu)機(jī)(右線)于2004年5月15日開(kāi)始穿越北珠江段時(shí),當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水較大。地下水與盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)內(nèi)的渣土攪拌合成很稀的泥漿水,從盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)出土口噴出并掉落在盾構(gòu)機(jī)底部(盾尾處),需花很長(zhǎng)時(shí)間由人工進(jìn)行清理,嚴(yán)重影響正常拼裝管片。為了克服該困難,在掘進(jìn)過(guò)程中采取了以下措施使問(wèn)題基本得到解決: (1)進(jìn)行二次雙液補(bǔ)壓漿,減少后方管片外側(cè)空隙地下水進(jìn)入開(kāi)挖面的可能; (2)盾構(gòu)掘進(jìn)前,往土倉(cāng)里面加氣,把土倉(cāng)里面的水從螺旋機(jī)出土口處逼出來(lái); (3)同時(shí)加大了注入發(fā)泡劑和PL(水溶性聚胺脂)等辦法。3.2 “結(jié)泥餅”現(xiàn)象的處理 為了提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度,在地下水很大的情況下,進(jìn)行了諸如調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)模式(硬土和軟土)及掘進(jìn)參數(shù)等的各種嘗試,但是,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度仍然沒(méi)有明顯提高。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),這是不正常的。通過(guò)仔細(xì)檢查噴出的泥漿,發(fā)現(xiàn)其粘性很強(qiáng)而固體顆粒極少,跟原狀巖石相差太遠(yuǎn)。推斷可能是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)結(jié)泥餅,造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)緩慢。但這種推斷必須待打開(kāi)盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)進(jìn)行檢查后,才能得到證實(shí)。為此,待緩慢推進(jìn)到地下水減少時(shí),停機(jī)打開(kāi)密封倉(cāng)檢查發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)刀盤(pán)中央部分被堅(jiān)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(shuō)明滾刀不轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)采取以下措施解決并減少了該現(xiàn)象: (1)采取多次正、反轉(zhuǎn)刀盤(pán)及人工進(jìn)倉(cāng)清除刀盤(pán)上堵塞的“泥餅”。 (2)拆除刀盤(pán)上磨損的滾刀和刮刀,更換新刀。刀盤(pán)清理和刀具更換后,推進(jìn)速度明顯提高(10～20mm/min),說(shuō)明清理刀盤(pán)和更換刀具是有效的。 (3)采用土壓平衡方式掘進(jìn),嚴(yán)格控制出土量,土倉(cāng)內(nèi)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(dòng)性,減少了刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象。 (4)在開(kāi)挖面穩(wěn)定的前提下,人工進(jìn)入土艙清洗刀盤(pán)上面的泥餅。3.3 噴涌事件的處理 盾構(gòu)機(jī)從珠江下穿越時(shí),四次發(fā)生開(kāi)挖面噴涌事件。四次噴涌事件中,都有大量的水及砂從盾構(gòu)機(jī)螺旋出土機(jī)涌出,盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)內(nèi)的水壓力最高達(dá)到2.2kg/cm2左右,表明盾構(gòu)開(kāi)挖面已經(jīng)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(gòu)機(jī)螺旋機(jī)出土口中出來(lái)。噴涌發(fā)生后,立即把螺旋機(jī)出口安全閘閥關(guān)閉,然后把盾構(gòu)密封倉(cāng)的土壓力迅速提高至2.0kg/cm2左右,保證了盾構(gòu)開(kāi)挖面的安全。但是,盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的速度則變得非常緩慢(刀盤(pán)扭矩幾乎處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)),因此,在工作中采取了以下辦法,基本控制了再次噴涌的發(fā)生: (1)采用土壓平衡模式掘進(jìn),關(guān)閉螺旋輸送器及出土口,提高土倉(cāng)內(nèi)的土壓及推進(jìn)速度。 (2)在土倉(cāng)中添加聚合物,改善渣土性狀,減小水的流動(dòng)性。 (3)同步注漿時(shí),加入速凝劑,加快管片周?chē)馏w的固結(jié),減小管片的沉降量。 (4)提前采用氣壓平衡模式掘進(jìn),嚴(yán)密監(jiān)視和分析渣土成分,及時(shí)判斷地質(zhì)情況并根據(jù)掘進(jìn)情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。3.4 江底塌方預(yù)防及處理措施 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中,假如一旦發(fā)生塌方事故,可以采取以下技術(shù)措施進(jìn)行處理: (1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí),關(guān)閉螺旋機(jī)輸送器,停止出土,保持土倉(cāng)土壓力,防止塌方繼續(xù)擴(kuò)大。 (2)加大注漿量,并保證注漿壓力在1.5～2.0bar,加固塌方區(qū),確認(rèn)塌方己停止后,盾構(gòu)機(jī)盡快通過(guò)塌方區(qū)。 (3)如果塌方區(qū)擴(kuò)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(diào)整絞接油缸行程及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),必要時(shí)啟用緊急密封。 (2)盾尾嚴(yán)重漏水時(shí),在盾尾刷加注油脂止水。 (3)及時(shí)進(jìn)行二次雙液注漿,并加入速凝劑,加快管片周?chē)馏w的固結(jié),阻止盾體后部的水流向土倉(cāng)。 (4)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制,避免大幅度的調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),每環(huán)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整控制在±6mm以?xún)?nèi),減小鉸接油缸長(zhǎng)度差,盡量將長(zhǎng)度差控制在30mm以?xún)?nèi)。4 總結(jié) (1)涌入盾構(gòu)開(kāi)挖面的地下水量很大,是事前難以估量的,客觀上對(duì)盾構(gòu)施工造成了較大的難度,也是影響盾構(gòu)施工進(jìn)度的主要原因。筆者認(rèn)為可以從以下途徑尋求有效的解決辦法: ①加大盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩并合理配置刀具,使切削下來(lái)的渣土呈碎塊狀的占絕大多數(shù)。這樣,渣土流動(dòng)性不至于太大,不容易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。因此,建議在類(lèi)似地層條件下,刀盤(pán)扭矩值可大于500 t.m。 ②盡量提高盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度。如本工程中,按實(shí)際地下水量為1000m3/天計(jì)算,只要盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度達(dá)到30～50mm/min,就可以大大降低渣土中水的比例,改善出土狀態(tài)。 ③出土螺旋機(jī)設(shè)置螺旋芯軸。 ④前面三者相結(jié)合,則可以在出土螺旋內(nèi)形成“泥漿塞”,起到抑制噴涌的效果。 ⑤去掉出土皮帶機(jī),把螺旋出土機(jī)加長(zhǎng),使其出土口伸至泥斗車(chē)的上方,具體須在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)作全面考慮。 ⑥對(duì)于粘性強(qiáng)的地層,尤其是在穩(wěn)定性比較好的巖層中,除合理配置刀具以外,刀盤(pán)開(kāi)口率也應(yīng)適當(dāng)增大。類(lèi)似本工程的巖層中,建議開(kāi)口率不小于30%～40%。 (2)土壓平衡盾構(gòu)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(duì)珠江河床進(jìn)行精細(xì)變形觀測(cè)的手段,因此珠江下所發(fā)生的噴涌事件都具有突然性,難以事前預(yù)料,對(duì)此,須有充分認(rèn)識(shí)。 盾構(gòu)過(guò)珠江施工是本盾構(gòu)工程施工中的重點(diǎn)難點(diǎn)之一。[珠～客盾構(gòu)區(qū)間]過(guò)江段由于采用了先進(jìn)的德國(guó)設(shè)備及相關(guān)施工工藝,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行施工,事前做好各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備及應(yīng)急方案,盾構(gòu)機(jī)順利通過(guò)珠江,右線盾構(gòu)于2004年8月3日,左線盾構(gòu)于2004年9月13日完成穿越珠江,隧道質(zhì)量達(dá)到預(yù)期理想的目標(biāo),滿(mǎn)足地鐵通車(chē)的要求。
3 盾構(gòu)過(guò)江施工難點(diǎn)及解決措施3.1 地下水過(guò)大問(wèn)題 S181盾構(gòu)機(jī)(右線)于2004年5月15日開(kāi)始穿越北珠江段時(shí),當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水較大。地下水與盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)內(nèi)的渣土攪拌合成很稀的泥漿水,從盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)出土口噴出并掉落在盾構(gòu)機(jī)底部(盾尾處),需花很長(zhǎng)時(shí)間由人工進(jìn)行清理,嚴(yán)重影響正常拼裝管片。為了克服該困難,在掘進(jìn)過(guò)程中采取了以下措施使問(wèn)題基本得到解決: (1)進(jìn)行二次雙液補(bǔ)壓漿,減少后方管片外側(cè)空隙地下水進(jìn)入開(kāi)挖面的可能; (2)盾構(gòu)掘進(jìn)前,往土倉(cāng)里面加氣,把土倉(cāng)里面的水從螺旋機(jī)出土口處逼出來(lái); (3)同時(shí)加大了注入發(fā)泡劑和PL(水溶性聚胺脂)等辦法。3.2 “結(jié)泥餅”現(xiàn)象的處理 為了提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度,在地下水很大的情況下,進(jìn)行了諸如調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)模式(硬土和軟土)及掘進(jìn)參數(shù)等的各種嘗試,但是,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度仍然沒(méi)有明顯提高。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),這是不正常的。通過(guò)仔細(xì)檢查噴出的泥漿,發(fā)現(xiàn)其粘性很強(qiáng)而固體顆粒極少,跟原狀巖石相差太遠(yuǎn)。推斷可能是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)結(jié)泥餅,造成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)緩慢。但這種推斷必須待打開(kāi)盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)進(jìn)行檢查后,才能得到證實(shí)。為此,待緩慢推進(jìn)到地下水減少時(shí),停機(jī)打開(kāi)密封倉(cāng)檢查發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)刀盤(pán)中央部分被堅(jiān)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(shuō)明滾刀不轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)采取以下措施解決并減少了該現(xiàn)象: (1)采取多次正、反轉(zhuǎn)刀盤(pán)及人工進(jìn)倉(cāng)清除刀盤(pán)上堵塞的“泥餅”。 (2)拆除刀盤(pán)上磨損的滾刀和刮刀,更換新刀。刀盤(pán)清理和刀具更換后,推進(jìn)速度明顯提高(10～20mm/min),說(shuō)明清理刀盤(pán)和更換刀具是有效的。 (3)采用土壓平衡方式掘進(jìn),嚴(yán)格控制出土量,土倉(cāng)內(nèi)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(dòng)性,減少了刀盤(pán)結(jié)泥餅現(xiàn)象。 (4)在開(kāi)挖面穩(wěn)定的前提下,人工進(jìn)入土艙清洗刀盤(pán)上面的泥餅。3.3 噴涌事件的處理 盾構(gòu)機(jī)從珠江下穿越時(shí),四次發(fā)生開(kāi)挖面噴涌事件。四次噴涌事件中,都有大量的水及砂從盾構(gòu)機(jī)螺旋出土機(jī)涌出,盾構(gòu)機(jī)密封倉(cāng)內(nèi)的水壓力最高達(dá)到2.2kg/cm2左右,表明盾構(gòu)開(kāi)挖面已經(jīng)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(gòu)機(jī)螺旋機(jī)出土口中出來(lái)。噴涌發(fā)生后,立即把螺旋機(jī)出口安全閘閥關(guān)閉,然后把盾構(gòu)密封倉(cāng)的土壓力迅速提高至2.0kg/cm2左右,保證了盾構(gòu)開(kāi)挖面的安全。但是,盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的速度則變得非常緩慢(刀盤(pán)扭矩幾乎處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)),因此,在工作中采取了以下辦法,基本控制了再次噴涌的發(fā)生: (1)采用土壓平衡模式掘進(jìn),關(guān)閉螺旋輸送器及出土口,提高土倉(cāng)內(nèi)的土壓及推進(jìn)速度。 (2)在土倉(cāng)中添加聚合物,改善渣土性狀,減小水的流動(dòng)性。 (3)同步注漿時(shí),加入速凝劑,加快管片周?chē)馏w的固結(jié),減小管片的沉降量。 (4)提前采用氣壓平衡模式掘進(jìn),嚴(yán)密監(jiān)視和分析渣土成分,及時(shí)判斷地質(zhì)情況并根據(jù)掘進(jìn)情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。3.4 江底塌方預(yù)防及處理措施 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中,假如一旦發(fā)生塌方事故,可以采取以下技術(shù)措施進(jìn)行處理: (1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí),關(guān)閉螺旋機(jī)輸送器,停止出土,保持土倉(cāng)土壓力,防止塌方繼續(xù)擴(kuò)大。 (2)加大注漿量,并保證注漿壓力在1.5～2.0bar,加固塌方區(qū),確認(rèn)塌方己停止后,盾構(gòu)機(jī)盡快通過(guò)塌方區(qū)。 (3)如果塌方區(qū)擴(kuò)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(diào)整絞接油缸行程及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),必要時(shí)啟用緊急密封。 (2)盾尾嚴(yán)重漏水時(shí),在盾尾刷加注油脂止水。 (3)及時(shí)進(jìn)行二次雙液注漿,并加入速凝劑,加快管片周?chē)馏w的固結(jié),阻止盾體后部的水流向土倉(cāng)。 (4)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制,避免大幅度的調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),每環(huán)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整控制在±6mm以?xún)?nèi),減小鉸接油缸長(zhǎng)度差,盡量將長(zhǎng)度差控制在30mm以?xún)?nèi)。4 總結(jié) (1)涌入盾構(gòu)開(kāi)挖面的地下水量很大,是事前難以估量的,客觀上對(duì)盾構(gòu)施工造成了較大的難度,也是影響盾構(gòu)施工進(jìn)度的主要原因。筆者認(rèn)為可以從以下途徑尋求有效的解決辦法: ①加大盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩并合理配置刀具,使切削下來(lái)的渣土呈碎塊狀的占絕大多數(shù)。這樣,渣土流動(dòng)性不至于太大,不容易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。因此,建議在類(lèi)似地層條件下,刀盤(pán)扭矩值可大于500 t.m。 ②盡量提高盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度。如本工程中,按實(shí)際地下水量為1000m3/天計(jì)算,只要盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度達(dá)到30～50mm/min,就可以大大降低渣土中水的比例,改善出土狀態(tài)。 ③出土螺旋機(jī)設(shè)置螺旋芯軸。 ④前面三者相結(jié)合,則可以在出土螺旋內(nèi)形成“泥漿塞”,起到抑制噴涌的效果。 ⑤去掉出土皮帶機(jī),把螺旋出土機(jī)加長(zhǎng),使其出土口伸至泥斗車(chē)的上方,具體須在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)作全面考慮。 ⑥對(duì)于粘性強(qiáng)的地層,尤其是在穩(wěn)定性比較好的巖層中,除合理配置刀具以外,刀盤(pán)開(kāi)口率也應(yīng)適當(dāng)增大。類(lèi)似本工程的巖層中,建議開(kāi)口率不小于30%～40%。 (2)土壓平衡盾構(gòu)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(duì)珠江河床進(jìn)行精細(xì)變形觀測(cè)的手段,因此珠江下所發(fā)生的噴涌事件都具有突然性,難以事前預(yù)料,對(duì)此,須有充分認(rèn)識(shí)。 盾構(gòu)過(guò)珠江施工是本盾構(gòu)工程施工中的重點(diǎn)難點(diǎn)之一。[珠～客盾構(gòu)區(qū)間]過(guò)江段由于采用了先進(jìn)的德國(guó)設(shè)備及相關(guān)施工工藝,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行施工,事前做好各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備及應(yīng)急方案,盾構(gòu)機(jī)順利通過(guò)珠江,右線盾構(gòu)于2004年8月3日,左線盾構(gòu)于2004年9月13日完成穿越珠江,隧道質(zhì)量達(dá)到預(yù)期理想的目標(biāo),滿(mǎn)足地鐵通車(chē)的要求。
