超大直径盾构穿越江底冲槽浅覆土段施工技术研究
摘要:从盾构开挖面平衡状态及隧道水底抗浮平衡条件着手,利用了泥水平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式,得到了超大直径盾构穿越江底底冲槽段浅覆土保持开挖面稳定的技术对策。结合南京过江隧道纬七路左线工程,提出超浅覆土情况下过江隧道泥水盾构施工应采取的工程对策。
关键词:隧道工程;盾构;冲槽段;浅覆土
1 引言
法国工程师布鲁诺尔(Mare Isambrasd Brunnel)第一次用一个断面高6.8m,宽11.4 m的矩形盾构修建泰晤士河底隧道。经过不断地同塌方、泥水涌入做斗争,改进盾构施工工艺,采用气压与辅助施工技术,终于在1843年完成了全长 458m的第一条盾构法隧道,前后历时 18年。自20世纪70年代以来,盾构法隧道施工技术有了很大的进展,土压平衡盾构、泥水平衡盾构、气压(局部气压)盾构等高性能盾构相继问世,使得软土中长距离隧道成为现实。
泥水平衡盾构法以其施工质量好、效率高技术先进、安全可靠等优点,近年来已经得到了广泛的应用。泥水盾构开挖面的稳定是依靠密封舱的压力泥浆来实现的。当泥水渗入土壤中,形成渗透性非常小的一层泥膜,泥水压力通过泥膜有效的作用于开挖面,从而可防止开挖面的变形和坍塌,确保开挖面的稳定。近年来,大直径泥水平衡盾构不断出现和发展。由于盾构直径的增大,工程规模相应增大,如此大规模的工程一旦失稳,将对国家、人民造成不可估量的损失。这使得如何保持泥水平衡盾构的开挖面稳定性成为近几年工程界普遍关注的一个问题。
更值得注意的是超大直径盾构进行水域(江、河、湖、海)下穿越浅覆土隧道施工时,面临以下风险和难题:(1)浅覆土易产生冒顶通透水流;(2)隧道上浮;(3)流砂、管涌。这使得在特殊地段(浅覆土)条件下,保持开挖面稳定成为确保隧道安全、顺利施工的重中之重。
南京长江隧道是“南京市城市总体规划”确定的“五桥一隧”过江通道中的重点工程,位于南京长江大桥与三桥之间,江南出口接主城滨江大道和纬七路(即应天西路),通过纬七路再接城西干道和城东干道;江北出口接江北滨江大道和浦珠路。其地理位置见图1。
南京长江隧道工程左汊盾构隧道采用双管单层的结构形式,隧道分为东(左)西(右)两线,自浦口工作井始发,梅子洲工作井吊出;隧道起点里程为LK3+600.00(RK3+599.421),终点里程为LK6+622.025(RK6+614.181),左线全长3022.025m。正线隧道共需管片3022环。
本工程盾构隧道穿越多种地层,结构受力不均衡,最大覆土厚度约30m,最大水压约65m,因此衬砌管片选用具有较大抗弯刚度和良好的抗压抗渗能力的钢筋混凝土平板形管片。管片环外径14.5m,内径13.3m,壁厚0.6m,环宽2m,混凝土强度等级C60,抗渗等级S12。混凝土添加高炉矿渣,减少裂缝深度和渗透系数,提高管片的水密性。
南京长江隧道工程是集世界各大工程难题过江隧道,其最大的风险点为江中冲槽超浅覆土段,里程K5+980～K6+140,长160米。
其风险之处在于:
(1)覆土厚度小、水压大,地层突变,最小覆土厚度只有11米(0.7D),小于1倍直径,极易发生冒顶和坍塌。(2)冲槽段(如图2)呈U型地貌,地形起伏极大,地层为粉细砂以及砾砂、卵石层,切削面稳定和泥沙压力很难控制,盾尾密封效果不佳或清洗注浆管时,很可能发生涌水涌砂现象,其前方也就是冲槽段与江南大堤结合处的坡度较大,因此该处覆土厚度增加剧烈,导致盾构机的前方支撑压力增加,但由于盾构机前端与盾尾有一定的距离,故出现了盾构机前后端压力差别较大现象,易导致盾构机尾部被击穿,引起江水或者江沙的倒灌。(3)冲槽段盾构机竖直方向为4.5%上坡,掌子面存在相应的倾斜度,极易失稳。(4)盾构机水平方向为R=2500m水平曲线段,推进时不可避免的要造成超挖,且易发生管片间隙不均匀造成盾尾漏水、漏浆或管片卡壳等现象。
2 江底冲槽段盾构机推进时工作面稳定性控制措施
影响开挖面稳定性的因素很复杂主要包括:(1)开挖面土体移动;(2)土体挤入盾尾间隙;(3)改变推进方向;(4)盾构机后退。
另外,值得注意的是施工引起的开挖面失稳可以通过优化施工加以控制,而后期的开挖面固结和蠕变则只能通过在前期施工中尽量减小对工作面扰动而予以间接的控制。
2.1 开挖面土体移动控制
在盾构机施工过程中决定开挖面的稳定性的根本原因是盾构机掘进过程中的开挖仓压力的浮动范围。故施工中对开挖面稳定性的控制是至关重要的。
2.1.1 泥水平衡盾构在河底浅覆土中推进的受力分析
泥水平衡盾构在实际施工中,开挖面主要以开挖仓提供的切口水压平衡开挖面的水土压力,以达到开挖面平衡(如图3所示)。国内普遍使用的切口水压的理论公式是以朗肯土压力,加浮动压力来设定的。一般情况来说,泥水平衡盾构的浮动压力为20KPa,是为了考虑在施工中切口水压要出现脉动状态给定的一个安全裕度。这种压力设定方法在实际工程中已经得到了很好的验证。
Pfu:切口水压上限值(KPa);P1:地下水压力(KPa);P2:静止土压力(KPa);P3:变动土压力,一般取 20 KPa;?酌w:水的容重(kN/m3);h:地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心)(m);K0:静止土压力系数;?酌:土的容重 (kN/m3);H:隧道埋深(算至隧道中心)(m);?酌水:江水的容重(kN/m3);h水:江水的深度 (m),应根据潮汐表确定盾构切口上方实际水深。
切口水压下限值:
Pf1:切口水压下限值(KPa);P"2:主动土压力(KPa);Ka:主动土压力系数;Cu:土的凝聚力(KPa)。
当盾构正面切口水压(以下以Fg代替)小于工作面主动土压力P"2时,开挖面土体将向土仓内坍塌,引发覆土塌陷,地面沉降明显,河水将沿塌陷裂缝进入开挖仓造成涌水事故;当盾构正面切口水压Fg介于主动土压力P"2和静止土压力P2之间(P"2 实际施工过程中的切口水压的取值介于理论计算值的上下限之间,即盾构正面挤压力Fg介于主动土压力P"2和静止土压力P2之间(P"2 切口水压公式是保证前方土体平衡状态时候的切口水压计算公式。但在实际工程中,由于前方地质的突变,开挖速度和进出浆流量的不协调或者进浆指标不匹配等等原因,支撑压力的控制可能并不准确。当开挖仓压力达到泥浆极限压力值时,就可能导致开挖面的失稳,判断开挖面稳定的常用的方法是:a. 观察支撑压力的稳定情况如果支撑压力突然上升,则表明开挖面极有可能出现大面积的土体塌落,反之,则表明开挖面出现了冒顶;b. 在观察支撑压力的基础上,观察开挖仓液位的稳定性,进出浆流量的变化,如果液位出现在大幅度的波动,伴随着进出浆的波动的情况下,可以认为开挖面已经失稳。以下为施工切口水压数据与理论计算切口水压数据的比较(如表1) 从对比结果可以看出,理论计算的极限支撑压力与标准化的覆土厚度值C/D之间存在一定得线性关系,但从施工数据上反映出来的信息,是实际的支撑压力与标准化的覆土厚度值C/D存在着二次函数的关系,在C/D为0.7时,支撑压力的浮动不能超过静止土压力的10%~15%才可以比较合理的控制开挖面的稳定。 从理论与实际操作的数据相互比较可以看出,覆土越浅开挖仓的支撑压力浮动允许值越小,反之越大;尤其是在浅覆土区域内须在欠压推进的基础上,保持开挖仓支撑压力的浮动范围。 2.1.2 推进过程中的切口水压施工控制方法 2.1.2.1 泥水平衡式盾构的气泡舱压力压力 本工程盾构机使用德国海瑞克公司的φf14.5m泥水平衡式盾构,通过在支承环前面装置隔板的密封舱中,注入适当压力的泥浆,使其在开挖面形成泥膜,支承正面土体,在该密封舱后设置了气压平衡装置,通过设定气泡舱压力的压力值及控制中心泥水液面高度,维持开挖面压力稳定。对于泥水平衡盾构,控制正面压力也即设定气泡舱压力压力。气泡舱压力与开挖舱相连,气泡舱压力的压力传给泥水,通过控制气泡舱压力的压力可以准确控制开挖舱的压力,从而实现泥水平衡开挖面的目的。 图2是某一环气泡舱压力、盾构机开挖面切口水压与时间关系图。从图中可以看出由于采用气泡舱的气体压力与开挖舱内的泥水压力的波动具有同步性,即当切口水压在盾构机推进过程存在波动时,为了减小切口水压的浮动范围,气泡舱会通过自动的放气或补气来减小或增加气泡舱的压力,间接调节了切口水压,对于维持开挖面的稳定有重大意义。 2.1.2.2 盾构推进参数 盾构推进过程中的参数主要包括:推进速度、刀盘转速、贯入度、刀盘扭矩、泥浆指标、进出浆流量、进出浆泵的转速、气泡舱与切口水压力,开挖舱泥浆液位。冲槽段在盾构机推进过程中,采取的是快速推进,快速拼装,快速通过的推进方案。因此,如何在短时间内建立起良性的、动态的泥水循环平衡模式是决定推进是否顺利的关键。经过长时间的摸索,总结了三项主要数据之间的关系,如下图5所示。 盾构机的掘进速度直接决定了机器的开挖率(即单位时间内的开挖量),掘进速度越快,开挖率越大,这样导致开挖舱内的渣土堆积的速度提高,在进出浆量不变的情况下,开挖舱内的泥浆液位升高,最终导致切口水压即盾构机前方的支撑压力升高,这对于稳定开挖面是极其不利的,如何在这三项主要参数之间建立起良性的循环应按照以下几点来进行: 第一步,根据前方岩层的地质特性,隧道的覆土厚度,水位高度根据前面提到的切口水压的设定方法进行设定;第二步,根据设定好的切口水压,以盾构机0刻度线上的液位为基准,设定气泡舱的压力;第三步,设定合理的贯入度与刀盘转速,从而得出盾构机的推进速度;第四步,当因为其他因素(如前方地质不均匀)导致速度出现大幅度变化时,应及时调节各组千斤顶的推力,或者通过调节贯入度与转速来稳定速度;第五步,当速度出现变化的时候,应主动的调节进出浆量从而稳定开挖舱液位,调节进出浆量主要是通过调节各个进出浆泵的转速来实现。 以下为比较合理的盾构推进主要参数之间的配比数据,如表2。 2.1.2.3严格控制泥浆性能指标 不同的地质条件有不同的泥水管理的要求和方法。根据每掘进一环中出渣情况与掘进后拼装过程中的前舱液位损失的情况,及时的调节泥浆的比重、黏度、塑弯值、胶凝程度、泥膜的形成能力、润滑性等指标。 冲槽段盾构主要穿越的地质为:隧道主要穿越地层为④淤泥质粉质粘土、⑥淤泥质粉质粘土夹粉土、⑦-1粉细砂、⑧粉细砂、⑩砾砂。各岩层的地层特性、物理力学性能指标如下: 4层淤泥质粉质粘土:灰色,流塑,加薄层 z粉土,局部呈千层饼状。厚度0.90～18.90m,层底埋深3.60～21.60m,层底标高-5.83～2.63m。 6层淤泥质粉质粘土夹粉土:灰～深灰色,流塑,局部软塑,夹粉土薄层,局部成互层,厚度1.50～9.40m,层底埋深12.60～26.70m,层底标高-1.50～-9.40m。 7-1层粉细砂:灰色～青灰色,饱和,稍密～中密,具微层理,含云母碎片,局部夹粉土薄层,厚度1.50～11.20m,层底埋深15.20～26.10m,层底标高-19.89～-9.57m。 8层粉细砂:青灰色,饱和,中密,局部密实,颗粒级配不良,主要矿物成分为石英、长石、云母等,普遍分布,厚度0.20～17.95m,层底埋深25.40～40.45m,层底标高-34.40～-19.28m。 10层砾砂:杂色,饱和,中密～密实,颗粒级配好,主要矿物成分为石英、长石、云母等,普遍分布,厚度2.10～18.70m,层底埋深48.00～59.20m,层底标高-53.26～-40.78m。 泥水盾构如同人的躯体泥水如同人体内的血液而泥水处理系统如同人的造血功能 因此 就泥水盾构而言泥水管理是至关重要的掘削不同的土体泥水管理的要求和方法也不同在砾石砂土层中由于工作泥浆不断地被劣化就需要不断地调整泥水的各项参数增加细小颗粒和成为主要手段在粉砂土粘土层中由于细小颗粒不断地增加使排放的泥浆浓度和密度越来越高降低密度和调整粘度则为主要手段 衡量工作泥浆质量的标准是密度 粘度和析水率为适应冲槽段各种地层岩性特点,特别规定泥浆指标如下主要包括两个方面:(1)近浆比重控制在1.20至1.26之间;(2)泥浆黏度控制在19秒以上。控制上述两主要指标可以很好的在开挖面上形成性能良好的泥膜,起到了稳定掌子面与增强了携渣能力的作用。 2.2 推进过程中控制好注浆压力和注浆量 同步注浆是泥水平衡式盾构掘进隧道的关键它不但起到及时充填建筑间隙作用还起到阻止盾构正面泥水向建隧道流动的作用要求注出浆液不但要有量的标准还要有一定质的要求根据试推进试验本盾构的充填率一般为一双液浆的凝结时间为一小时抗压强度为70KPa,根据推进地层的岩性特征,结合推进速度,严格控制每一环的注入量与注入压力。 在穿越冲槽段浅覆土区域前期,也就是在覆土层厚度逐渐降低的阶段,注浆量是施工技术中控制的核心数据,合理的注浆量有利于稳固新拼装管片与土体之间的空隙,有利于在保持好土体自立性的同时,起到加固管片周围土体的效果,一定程度上对隧道的上浮有一定的控制作用,合理且充足的注浆量还有利于提高盾尾间隙的密封性,防止涌沙及涌水事故的发生。 在穿越冲槽段浅覆土区域的后期,也就是覆土层后土逐渐升高的阶段,这一阶段中盾体的前端和盾尾会出现所承受的覆土压力不等的情况,这时注浆压力成为施工技术中控制的核心数据,随着开挖仓的支撑压力的逐渐升高,盾尾密封部位所承担的与开挖仓之间的贯通压力会越来越大,注浆压力也会随之提高,这对盾尾的密封十分不利,极易造成盾尾被击穿,泥浆泄露与涌水、涌沙事故的发生,故在推进过程中,如果注浆压力偏大,这应在一定程度上将注浆量减少,以缓解盾尾密封的压力。 为了满足上述两项注浆压力与注浆量的需要,经过前期数据的积累与分析,总结了比较符合实际需要的盾构机六个点的注浆压力与注浆量,如表3所示: 2.3 加强推进过程中对盾构轴线和盾构姿态的控制 在盾构推进过程中,加强对盾构机轴线和姿态的控制。盾构曲线段推进时,环环都应进行纠偏,严格控制各组千斤顶的油压,每次纠偏量要尽可能的小,做到勤测勤纠,充分的保护好盾尾刷,如果强行纠偏的量过大的话,盾体与管片之间的盾尾刷将会受到巨大的挤压力作用,从而失去塑性变形能力,盾尾刷一旦失效,将对盾尾密封带来巨大的影响,到时很有可能会引来江水倒灌等一系列的安全事故。 以下为冲槽段区域盾构机的竖直与水平的轴线偏差如图6、7所示: 由图 6、7 中,可以看出,盾构机在推进过程中轴线设计中心最大仅2 cm,平面轴线由于处于隧道的转弯弧线上,盾构长度较大而转弯半径较小仅 2500m,转弯不灵敏造成平面偏差,但均不超过盾构施工规范允许的5 cm。盾构机在冲槽段区域推进中,未出现一次盾尾漏浆,漏水等现象,说明盾构机姿态的控制在保护盾尾刷,保证盾尾密封的良好性上效果明显。 3 结论 3.1在通过浅覆土河道的隧道施工中,要综合平衡考虑全线的地质、水文、地面构筑物、地下障碍物等情况,根据所选的机型与河道覆土、水文情况、航道要求等情况,设置合适的切口水压。 3.2 在盾构推进时根据实际情况调整盾构推进参数,对减小轴线偏差、控制地面沉降、保证盾构机及隧道安全有重要影响。 3.3 从实际施工控制的切口水压与理论结果相对比可以看出,理论计算的切口水压下限值与施工数据比较吻合,理论结果安全范围偏大。埋深越浅,切口水压的安全范围越小,反之亦反。泥水平衡盾构极限切口水压为标准化的覆土深度C/D存在二次函数的关系。尤其在埋深非常浅(如0.7D时),极限切口水压应该控制在静止土压力的±20%以内,才能保证开挖面的稳定性。从开挖面导致的地表沉降来看,为了减小开挖对周围环境的影响,开挖过程中一定要减小切口水压浮动范围。 3.4 泥水平衡盾构开挖面稳定性是一个非常复杂的问题,在实际施工中,除了控制好切口水压和流量的平衡外,还要保证泥浆能形成有效的泥膜,使支撑力有效地作用在开挖面上;推进过程中还要控制好注浆压力和注浆量,加强推进过程中对盾构轴线和盾构姿态的控制,推力和刀盘转速的配合也至关重要。 参考文献 [1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2004. [2]徐永福.盾构推进引起地面变形的分析[J]. 地下工程与隧道,2004,9(3):11~24. [3]陈希哲.土力学地基基础[M].北京:清华大学出版社,1993. [4]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991.
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