南通軌道交通特殊地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策
2020-12-24 來(lái)源:《建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理》 作者:廖云洋 陳叔

  1 引言

  南通位于長(zhǎng)江入??诒币?,素有“江海門(mén)戶”之稱,地形為長(zhǎng)江沖積平原,基本為粉砂、砂質(zhì)粉土及填土,地下水位高、地質(zhì)情況惡劣。南通市軌道交通1號(hào)線一期工程第2、3標(biāo)段盾構(gòu)施工線路穿越河流、道路、老舊建筑群,與既有建筑最小距離為1.5米,區(qū)間覆土最大埋深23.14m,最小埋深7.22m,與河床底部最小距離為9.33米,線路最小轉(zhuǎn)彎半徑為350米。盾構(gòu)施工區(qū)間平均地下水位為2.3米,為控制地表沉降,施工中不允許采用降水手段。由于該標(biāo)段位于南通城市中心,設(shè)計(jì)盾構(gòu)施工有多處短距離掘進(jìn),需要盾構(gòu)機(jī)頻繁地進(jìn)出洞。這些客觀條件和主觀要求,給盾構(gòu)施工帶來(lái)極大的施工風(fēng)險(xiǎn),施工方案及組織管理,必須制定相應(yīng)對(duì)策才能保證工程安全正常進(jìn)行。

  2 南通地鐵概況及地質(zhì)主要情況

  2.1 南通地鐵概況

  南通地鐵現(xiàn)正在建設(shè)的是南通市軌道交通1號(hào)線和2號(hào)線,其中1號(hào)線一期工程北起通州區(qū)平潮鎮(zhèn),向東連接南通火車西站—長(zhǎng)泰路—永和路—緯六路—人民路—工農(nóng)路—崇川路—新開(kāi)路—通盛大道,經(jīng)通州區(qū)、港閘區(qū)、崇川區(qū)至終點(diǎn)南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)振興路。軌道1號(hào)線一期全長(zhǎng)39.46km,共設(shè)車站28座,其中換乘站5座。最大站間距3000m,位于居康路站至宏興路站;最小站間距560m,位于環(huán)西文化廣場(chǎng)站至孩兒巷路站,平均站間距1.438km。

  南通市軌道交通1號(hào)線一期工程共分為4個(gè)標(biāo)段,01標(biāo)為1號(hào)線一期工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)至深南路站(不含)(6站6區(qū)間2出入線);02標(biāo)為深南路站至中級(jí)法院站(不含)(7站7區(qū)間),1車輛段(平東車輛段);03標(biāo)為中級(jí)法院站至盤(pán)香路站(8站7區(qū)間),主變電站,1停車場(chǎng);04標(biāo)為盤(pán)香路站(不含)至1號(hào)線一期設(shè)計(jì)終點(diǎn)(7站7區(qū)間)。線路走向圖詳見(jiàn)下圖1。

  

  圖1 線路走向圖

  本文涉及的盾構(gòu)施工段為南通地鐵1號(hào)線03標(biāo)四工區(qū),包含2站3區(qū)間1工作井,2站為環(huán)西文化廣場(chǎng)站、環(huán)城東路站;3區(qū)間為孩兒巷路站~環(huán)西文化廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間、環(huán)西文化廣場(chǎng)站~環(huán)城東路站盾構(gòu)區(qū)間、環(huán)城東路站~中級(jí)法院站盾構(gòu)區(qū)間;1工作井為環(huán)中區(qū)間工作井,采用盾構(gòu)法施工,隧道外徑為6.2m;本區(qū)間含一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道兼泵房,埋深約29.65m;一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道,埋深約25.25m,具體位置示意圖如圖2。

  

  圖2 具體位置示意圖

  2.2 南通市軌道交通1號(hào)線一期工程第3標(biāo)段主要地質(zhì)情況

  擬建的南通市軌道交通1號(hào)線一期工程第2、3標(biāo)段,擬建場(chǎng)地20m深度范圍內(nèi)分布的地層為灰色粉砂,有粉砂夾粉土處于液化土地層。場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類型,主要接受大氣降水的垂直補(bǔ)給和地表水體側(cè)滲補(bǔ)給,以自然蒸發(fā)為主要排泄途徑,水位隨季節(jié)性變化明顯。場(chǎng)地潛水與周邊河道水可能存在一定水力聯(lián)系,鄰近河道的工程會(huì)受到河道水位變化的不利影響。工程局部區(qū)域填土厚度較大,沿線分布有一定數(shù)量的明浜塘,浜塘底一般分布有一定厚度的淤泥,工程地質(zhì)性質(zhì)差。

  3 該標(biāo)段盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對(duì)策

  3.1 該標(biāo)段盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

  3.1.1 盾構(gòu)掘進(jìn)主要在灰色粉砂、粉砂夾粉土的液化土層、粉砂為非液化土層、粉質(zhì)粘土夾粉土、砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層,沿線隧道底所處的土層存在著不均勻變化。另外,線路最小轉(zhuǎn)彎半徑為350米,因此盾構(gòu)機(jī)的選型存在一定風(fēng)險(xiǎn);

  3.1.2 盾構(gòu)主要在砂土中掘進(jìn),掘進(jìn)過(guò)程中粉土、砂土易發(fā)生涌水、流砂等事故,并引發(fā)開(kāi)挖面失穩(wěn)和地面沉陷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)隨著地層空洞的擴(kuò)大引起地面的突然塌陷;

  3.1.3 沿線地下水豐富,盾構(gòu)進(jìn)出洞和聯(lián)絡(luò)通道地下水會(huì)造成不利影響;

  3.1.4 盾構(gòu)經(jīng)常在軟硬不同土層間推進(jìn)施工,易發(fā)生偏斜現(xiàn)象;

  3.1.5 由于要穿越市區(qū)道路、河流、老舊房屋和市場(chǎng),盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制和管理也是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

  3.2 針對(duì)盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

  3.2.1 盾構(gòu)機(jī)選型風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

  根據(jù)地質(zhì)情況分析,區(qū)間隧道所穿越的主要土層以泥水盾構(gòu)機(jī)最為適宜,但泥水盾構(gòu)機(jī)價(jià)格高昂且也有其局限性。

  該施工區(qū)間在南通市中心,臨時(shí)用地困難,根本沒(méi)有泥水盾構(gòu)機(jī)所需泥漿制漿場(chǎng)地,且因毗鄰5A旅游景區(qū),建設(shè)方對(duì)大氣、水域的環(huán)保要求極其嚴(yán)格,選用泥水盾構(gòu)機(jī)不能獲得通過(guò)。因此,經(jīng)過(guò)多方論證,最終選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī),并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的功能和參數(shù)提出特殊要求,分別選用了鐵建重工和三三工業(yè)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

 ?、?鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

 ?、?三三工業(yè)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

  

  表1 鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表 表2 三三工業(yè)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

  3.2.2 盾構(gòu)機(jī)防噴涌、防結(jié)泥餅、防地表沉降風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

  針對(duì)盾構(gòu)機(jī)主要在砂土中掘進(jìn),沿線地下水豐富,掘進(jìn)過(guò)程中粉土、砂土易發(fā)生刀盤(pán)磨損、結(jié)泥餅、涌水、流砂等事故,并引發(fā)開(kāi)挖面失穩(wěn)和地面沉陷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)隨著地層空洞的擴(kuò)大引起地面的突然塌陷等風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)地下水控制工作,合理選擇工作面壓力,重視管片拼裝時(shí)的止水效果,是相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策。

  具體方式為:

 ?。?)改善刀盤(pán)的耐磨性,使用不同的刀具,合理選擇掘進(jìn)參數(shù),這些優(yōu)化設(shè)計(jì)加上選擇合適的土體改良劑(如常用的泡沫、膨潤(rùn)土等),并根據(jù)地質(zhì)情況,進(jìn)行科學(xué)的動(dòng)態(tài)施工管理,改善土體的流塑性,使之切屑成流動(dòng)型,這樣可以有效減少刀盤(pán)磨損。刀盤(pán)布置見(jiàn)圖3。

  

  圖3 刀盤(pán)布置示意圖

  (2)優(yōu)化刀盤(pán)設(shè)計(jì),在刀盤(pán)面板上設(shè)置了6個(gè)添加劑注入孔及2個(gè)主動(dòng)攪拌棒,配置了添加劑注入系統(tǒng),可根據(jù)需要向開(kāi)挖面添加泡沫、膨潤(rùn)土和聚合物,改善碴土的流動(dòng)性、止水性,減小刀盤(pán)面“泥餅”形成的機(jī)會(huì)。

 ?。?)盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)防噴涌設(shè)計(jì):配備雙閘門(mén)、防涌門(mén),在富水地層掘進(jìn)作業(yè)時(shí),可以通過(guò)交互開(kāi)閉兩道閘門(mén)造成迷宮通道,緩沖和降低噴涌效果,螺旋機(jī)筒體上布置有多個(gè)注入口,可通過(guò)這些孔注入膨潤(rùn)土或泡沫來(lái)改善碴土的流動(dòng)性,同時(shí)預(yù)留保壓泵渣裝置的連接法蘭。通過(guò)刀盤(pán)及土倉(cāng)壁上的添加劑注入孔中的若干個(gè)注入孔往土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土和各種添加劑,并可向土倉(cāng)注入壓縮空氣將地下水置換和凝聚。特殊情況還可以采用聚合物對(duì)涌水進(jìn)行抑止。螺旋輸送機(jī)示意圖見(jiàn)圖4。

  

  圖4 螺旋輸送機(jī)示意圖

 ?。?)盾構(gòu)機(jī)穿越軟硬不同土層間及建筑時(shí),注意不要發(fā)生偏斜現(xiàn)象,以及引起的沉降,從而造成建筑受損及安全質(zhì)量事故。控制這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的措施是精細(xì)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、正面土艙壓力、出土量、同步注漿量等施工參數(shù),減少盾構(gòu)的超挖和欠挖。必要時(shí)及時(shí)打開(kāi)管片內(nèi)預(yù)留注漿管進(jìn)行二次注漿,減少盾尾通過(guò)后隧道外周圍形成的建筑空隙。

 ?。?)由于本工程不允許采取降水,端頭加固是控制本工程風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)。盾構(gòu)的始發(fā)、接收涉及盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的進(jìn)洞、出洞,容易引起涌水、涌泥及地表沉降,如果加固效果不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,可能會(huì)造成始發(fā)失敗的重大風(fēng)險(xiǎn)。端頭加固主要是采取水泥系加固和凍結(jié)法加固,這樣可以有效控制風(fēng)險(xiǎn)。凍結(jié)法加固見(jiàn)圖5。

  

  圖5 凍結(jié)法加固

 ?。?)始發(fā)洞門(mén)加裝密封裝置:延伸環(huán)+洞門(mén)鋼絲刷,在預(yù)埋洞門(mén)圈上安裝L=700的延伸環(huán),在延伸環(huán)內(nèi)圈焊接兩道洞門(mén)鋼絲刷,見(jiàn)圖6、圖7。當(dāng)?shù)侗P(pán)抵在掌子面時(shí),盾體與鋼絲刷之間形成一道密封腔,并向密封腔內(nèi)注滿盾尾油脂,此為第一道止水密封裝置;延伸環(huán)外側(cè)安裝有止水簾布及折頁(yè)壓板,為第二道止水密封裝置。

  

  圖6 延伸環(huán) 圖7 鋼絲刷

 ?。?)套筒法盾構(gòu)整體接收:接收井內(nèi)安裝盾構(gòu)接收抗風(fēng)險(xiǎn)裝置,即一個(gè)直徑比盾構(gòu)略大、長(zhǎng)度比盾構(gòu)略長(zhǎng)的密閉鋼筒狀結(jié)構(gòu)與洞門(mén)密閉連接,采用全密封設(shè)計(jì)。在裝置內(nèi)澆筑適當(dāng)強(qiáng)度砂漿混凝土基座,以承受盾構(gòu)機(jī)自重壓力。同時(shí)鑿除洞門(mén)后,在整體接收裝置內(nèi)回填盾構(gòu)土作為介質(zhì),保持裝置內(nèi)壓力與土層壓力平衡,保證接收過(guò)程中土體的穩(wěn)定,有效防止井外水土流失。套筒法接收見(jiàn)圖8。

  

  圖8 套筒法接收

  (8)雖然洞門(mén)實(shí)施了端頭加固措施,但洞門(mén)破除風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防及處理、避免洞門(mén)密封失效,仍然是控制工程風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)。圖9是洞門(mén)破除狀況。

  

  圖9 洞門(mén)破除狀況

  4 結(jié)語(yǔ)

  南通市軌道交通1號(hào)線一期工程第2、3標(biāo)段盾構(gòu)施工區(qū)段,雖然地質(zhì)情況復(fù)雜,工程環(huán)境惡劣,且建設(shè)方對(duì)地表沉降和環(huán)保要求極其嚴(yán)格,不允許采取降水等傳統(tǒng)穩(wěn)妥措施控制風(fēng)險(xiǎn),但施工單位通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)合理選型及優(yōu)化設(shè)計(jì);嚴(yán)控盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)、增加凍結(jié)法加固等輔助措施,確保了工程安全平穩(wěn)實(shí)施。目前,工程最難段環(huán)區(qū)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)已平安通過(guò),剩余的工程也在有效穩(wěn)定的開(kāi)展,能夠保證南通首條地鐵目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

 ?。卧蒲螅褐需F二局集團(tuán)第五工程有限公司,四川 成都 610091;陳叔:中鐵二局集團(tuán)有限公司,四川 成都 610031)



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