1、盾构在复杂地质条件下的进出洞施工技术【摘 要】以上海地铁 9 号线二期 2 标段源深路中间风井盾构进出洞为例, 介绍土压平衡盾构机在遇到超深埋、承压水层、冰冻法、小曲线半径、盾构沿曲线轨迹在风井内平移以及盾构近接重要建(构)筑物等技术难题时,通过方案优化,制定切实可行的对策:强化洞门止水、采用切线进洞和补偿法出洞、提前对近接建筑物加固等措施,安全顺利地完成盾构进出洞施工。【关键词】盾构;复杂地质条件;进出洞;超深埋; 承压水层;小曲线半径;冰冻法; 油溶性聚氨酯引言随着城市轨道交通建设的不断深入,盾构技术在地下工程领域的应用越来越广泛,同时, 地下管网和已建隧道越来越密集,盾构施工所面临的环境
2、及地质条件也更复杂, 盾构施工难度和风险越来越大。国内对隧道及复杂地下工程建设项目的风险防范与技术管理无论是理论研究还是实践应用都取得了长足的进步,但与西方发达国家相比,目前还处于学习和消化阶段, 取得大的创新和突破的实例还不多。文献1提到的上海地铁 4 号线修复工程,文献2提到的大直径泥水盾构洞门土体加固和进出洞施工 ,文献3 提到的泥水平衡盾构穿越冻结加固区等,都是在某一方面取得突破的成功案例, 不过这些大都主要应对一两个重难点或风险点。在遇到地质条件异常复杂、施工风险和技术难点极端集中的隧道工程,只有通过前期充分调研、现场模拟试验、施工方案经专家多次评估论证和优化,最后采用可靠的技术措施
3、和组织措施才能确保施工的顺利完成。源深路中间风井盾构进出洞施工实例,就是在风险和难点超常集中的情况下经过精密策划、严格管理、科学施工,最后成功地完成风险防范与技术管理的跨越。1、概述11 工程概况上海地铁 9 号线二期民生路世纪大道站区间盾构隧道, 从民生路站西端头井出发 ,沿杨高中路向西,穿越断面 5m10m 的饮水箱涵、直径 3m 的电力隧道后, 盾构过源深路风井向北转世纪大道, 下穿与之垂直净距仅 1. 74m 的运营地铁 2 号线,掘进大约 700m 后上跨净距 2.39m 的运营地铁 4 号线,最后到世纪大道站东端头井。上海地铁 9 号线线路示意图见图 1。1. 2 工程地质条件盾构
4、在源深路中间风井东端进洞,过风井平移至西端后再次始发出洞。风井段隧道主要地层为1-2 粉质黏土层、粉质黏土层,底部为1-1 层砂质粉土及1-2 层粉砂,其中1-2 层粉砂层承压水水位埋深为8. 7910. 13m,水压较大。根据盾构推进总体筹划, 本区间上下行线盾构机将会以同样的工况在该风井共要经历 4 次进出洞 ,工程施工具有极大的风险和难度。2、进出洞施工技术难点1)盾构在超深埋情况下进出洞。源深路中间风井地下连续墙围护结构深达 59m,基坑开挖深度为 32. 73m,在上海地铁是排名第三深的基坑(文献1提到的上海地铁 4 号线修复工程基坑连续墙围护结构深 65. 5m,基坑最大开挖深度
5、41. 5m,文献4中提到的 9 号线宜山路车站地下连续墙围护结构深 62. 5m,基坑开挖深度为 29. 7m,文献5提到的 M8 线周家渡站西藏南路站区间隧道风井基坑地下连续墙围护结构深52m,开挖深度为 30. 6m)。盾构在如此超深地层进出洞, 除对盾构机本身有很高要求以外, 在盾构推进过程中的施工组织和各项技术参数也有极高的要求。2)盾构在承压水层进出洞。风井结构底部土层为1-1 层砂质粉土及1-2 层粉砂,其中1-2 承压水层处在盾构洞门圈下半部,水压较大。盾构机进洞过程中, 如果纵向渗漏水通道封堵效果不好或封堵不及时,短时间内洞口就将会与承压水层连通,造成洞门大量涌水、涌砂、地面
6、沉陷,甚至基坑坍塌等严重事故。由于源深路风井位于浦东区杨高中路源深路口,南侧 2. 8m 是杨高路下立交,北侧 20m 是德隆大厦,西侧 40m处就是车流量极大的世纪大道环岛,一旦发生事故造成的后果将不堪设想。3)盾构在小曲线半径上进出洞。区间线路由民生路向西,在源深路中间风井向北转近 90弯后延伸向世纪大道,而源深路中间风井又正好在线路转弯处, 处于曲线半径为 349m 的缓和曲线段上,故盾构机在风井处的进洞和出洞均在曲线上。盾构在小曲线半径处进洞,若盾构姿态控制不好,就会造成盾构进洞困难甚至进不了洞;若在盾构出洞时姿态控制不好, 盾构一出洞就偏离设计线,将会造成隧道偏离设计中心线过大而改线
7、 ,严重时甚至线路报废。盾构进洞后还要在风井中沿曲线方向平移至风井另一端,对于自身质量达 300 t 的盾构机来说,在接收基座上重心又高,直线平移已是相当难的工作,还要在平移过程中转向,更是一项既困难又极其危险的工作。4)盾构近接重要建 (构)筑物进洞。源深路中间风井南侧紧临杨高路下立交,水平净距仅 2. 8m。相对于近 33m 深的基坑来说两者相距太近。盾构在风井中进出洞如稍有不慎将造成基坑漏水漏泥砂, 将直接威胁到杨高路下立交本身的安全和道路车辆的运行安全。单位的经济损失就不用说了,造成负面的社会影响也是非常大的。5)盾构冰冻法进出洞。考虑到结构较深,搅拌桩、注浆、旋喷等方法加固不能保证土
8、体均匀稳定 ,可能存在局部薄弱带;而冻结法形成的冻土墙均匀性好, 强度高,地下连续墙与冻土墙胶结好 ,遇水被冻住,能有效的防止洞口漏水流砂,故决定对洞门土体采用冻结法加固方案。但是,从施工的角度分析, 盾构冰冻法进出洞仍然具有很大的风险和难度,万一对土体的冻结效果不好( 如盐水渗漏、土体本身严重不均匀、土层中存在不均匀的有害气体等等),将造成加固土体抗水压能力不够,在洞门打开后仍会发生涌水、涌砂事故 ,这样会严重危及周围的重要建构筑物;另外就是盾构在切削冻结加固体土体时,盾构机刀盘很容易被冻住。刀盘被冻住后将会是一个极其麻烦的事情,必然会对刀盘部分的冻土采取措施进行化冻,造成很长时间停止掘进,
9、 而往往这时洞门部分的地下连续墙混凝土已破掉大半,再加上如果化冻尺度把握不好,过度化冻同样会造成洞门涌水、涌砂甚至坍塌。3、施工对策针对上述技术难点, 经过方案优化、评审和论证, 制定了相应的对策措施。3. 1 熟悉地质资料和周围环境,加强方案的优化由于很少遇到在如此深的工作井里盾构进出洞,项目部首先组织相关的施工和管理人员集中学习,认真熟悉风井范围的地质资料,掌握每一层土质的特性, 彻底摸清周围建( 构)筑物的情况和周边环境。针对如此深的地层,多次优化盾构进出洞施工方案, 加强对盾构设备的检查维护, 对盾构机局部结构进行改进以适应深地层施工,同时对盾构施工参数进行优化比选, 确定最合理的推进
10、参数。施工前各项准备工作全面到位, 也增加了施工人员的信心。3. 2 强化洞门止水措施由于承压水水头较高, 靠通常的高压旋喷桩加固 6、注浆法加固 7、搅拌桩加固 8、SMW 工法桩和降水法加固 9等常规的土体加固方法已远远不能满足施工要求, 必须针对特殊地质条件采取特殊的施工措施。3. 2. 1 洞门土体冰冻法加固因施工现场地质状况较为复杂,且盾构隧道底部处于第 7 层承压水层,盾构进出洞对加固土体强度及堵水性要求很高,在参考文献3, 10的基础上采用垂直加水平冻结的方式进行土体加固。垂直冻结孔布置 3排,孔距 0. 8m,冻结孔总数 45 个,梅花形布置。为抵抗承压水,在洞门下半部还布置了
11、 1 排 9 个水平冻结孔和 2 个测温孔。水平冻结是对垂直冻结措施的加强,布置于洞门圈下半部外周,进洞后封口并与井接头连在一起。冰冻施工技术参数见表 1。冻结法施工工艺的主要特点:冻结帷幕强度高, 冻结范围可适当调整 ,但由此产生的冻胀和融沉会对施工环境造成不容忽视的影响,施工中需采取有效措施加以控制。通常的措施是减少冻土体积、改良土体特性和针对冻胀的卸压及进行融沉后注浆充填处理。因冻结土体的冻胀量与融沉量直接与冻结体的体积关联,所以在确保工程施工安全的情况下,优先采用局部冻结工艺, 可大大减少土体冻胀和融沉量。为了减少冻胀和融沉量, 应做到:1)精确计算冻结量 ,尽量选用制冷能量大、效率高
12、的冷冻机组, 并确保机组具有一定富余制冷能力。2)冻结时应在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展 ,提高冻土强度。3)掌握调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结, 控制冻土发展量。4)冻结管拔除后 ,及时对冻结孔洞用砂土充填。5)在后期融化期间及时对冻结区进行充填注浆,并加强地面及隧道内的沉降监测工作 ,以指导注浆施工,控制融沉的影响。3. 2. 2 纵向渗漏水通道封堵纵向渗漏水通道的封堵, 是盾构在承压水层进洞施工的关键。以往的施工主要以二次进洞 6, 8-9进行间隙封堵,此方法对盾构第 1 次进洞堵水效果非常有效;但进洞经历的时间长,盾构在第 2 次进洞过程中可能对第 1
13、次硬化后的土体破坏,同样会造成漏水的风险,同时双液浆进入尾刷,将造成尾刷功能失效。根据以往盾构进出洞施工经验,结合风井特殊地质条件项目部决定在以往的进出洞堵水措施的基础上,附加高发泡率的油溶性聚氨脂进行纵向渗漏水通道的封堵。聚氨脂发泡后与盾构机形成柔性接触密封,可较好地封堵纵向渗漏水通道,同时整个盾构机进洞时间短, 也更经济。1)油溶性聚氨脂注入位置确定根据聚氨脂发泡的特点, 为让聚氨脂在有限的空间里面充分发泡,选在进洞前倒数第 4 环和第 3 环注聚氨脂,这 2 环正好处在冻结加固区域内,加固土体强度高, 为聚氨脂的发泡和形成“瓶塞”提供条件。2)压注量的计算公式3)压入施工当倒数第 4 环
14、和第 3 环管片拼装完成以后, 在这 2 环管片上的预留注浆孔上安装注浆球阀,待该环管片脱出盾尾以后,立即将注浆孔的外部保护层打穿, 注油溶性聚氨酯。聚氨酯遇水膨胀形成止水塞, 封闭隧道纵向渗水通道。油溶性聚氨脂注入效果如图 2 所示。注聚氨脂时 ,施工要迅速,使油溶性聚氨脂在管片外周切实可靠地形成“瓶塞”止水效果,确保进洞安全。当最后一环管片脱离盾尾后,立即用棉纱填满管片和洞门钢环之间的缝隙,并用木楔子将其塞紧固定; 然后力争在最短的时间内,把进洞环管片和洞门钢环之间的空隙用弧形钢板焊接封住洞门;最后对进洞段 510环范围内的管片外周压注水泥-水玻璃双液浆。为了将管片外周的空隙封填密实,注双
15、液浆的过程中要释放空隙中的空气,可在弧形钢板顶部安装 1 只 D50 阀门,在注浆的同时将阀门打开,待浆液注满时再关闭阀门。3. 3 盾构在曲线上采用切线进洞和补偿法出洞由于源深路风井处于半径为 350m 的缓和曲线段上, 而进洞段又是 21的下坡,盾构机不能直线进洞。在综合考虑施工安全、轴线偏差及盾构 2 次始发的盾尾支撑体系等诸多因素后,决定采用盾构按切线方向进洞的方案。这样盾构进洞偏移量较小,基本以钢环中心位置进洞,对在1-2 承压水层中冻结进洞控制风险较为有利;出洞后盾尾与钢环接近居中, 在钢环处盾尾偏移量也较小。盾构机出洞时, 将盾构机 2 次始发姿态预先往曲线内侧偏移 5060mm
16、,即对盾构出洞后的姿态提前预留补偿,从而减少了成形管片轴线偏差。在盾构机进出洞过程中, 尽量放慢推进速度, 推进姿态在水平方向也预先向曲线内侧偏移 3040mm,这样即便盾构姿态跟不上设计曲线,通过及时调整后隧道轴线也不会过大偏离设计轴线。由于风井处在半径为 350m 的缓和曲线上, 盾构机进风井后还要按照预定曲线轨迹平移到出洞预定位置。施工的顺序是:盾构进洞前在风井结构底板进洞端和接收基座间叠放 2 层钢板安放接收基座 将接收基座与上面 1 层钢板焊接成整体并将接收基座按接收要求精确定位接收基座加固并固定 盾构机进洞并停放在基座上将盾构机与接收基座焊成一个整体解除接收基座的约束并拆开盾构与车
17、架之间的连接用 2 个 200 t 千斤顶借助风井侧墙将盾构连同基座一起平推至出洞口 调整好盾构始发的姿态并固定制作盾尾连接基座将后续车架拉至盾尾与盾构机重新连接盾构再次始发出洞。3. 4 提前对近接建构筑物进行加固针对杨高路下立交桩基与风井水平净距仅 2. 8m 的情况,在盾构进洞之前提前对下立交与风井之间的土体加固处理。施工中为了避免对这部分土体挠动过大,采用最大可加固 90m 深的进口接长超深三轴搅拌桩机进行加固,加强对下立交的保护。3. 5 强化组织管理,落实专项应急措施盾构冰冻法进出洞, 对于洞门土体自稳和抗承压水很有利, 但对盾构机自身来说有极高的要求, 刀盘极可能被冻住。在-30
18、的冰冻土体中 ,通常刀盘停止转动超过 20min 就可能被冻住,而拼装一环管片一般都会超过 20min;盾构机发生故障,往往一停就是两三个小时; 所以盾构冰冻法进出洞必须要有一套特殊的专项应急措施。在盾构机离冻土体 30 环左右 ,专门停下来对盾构机进行全面检修,备足易损易坏零部件;在盾构刀盘离冻结帷幕 6 环左右时 ,再次对盾构机及配套设备进行检修和维护保养;通过向盾构专业保驾厂家联系,与现场维修人员一起 24 h 待命, 一旦出现故障立即组织抢修; 通过解除刀盘与拼装机联锁,使盾构机在拼装管片或除盾构刀盘驱动外其他系统出故障时,刀盘也能正常旋转; 同时根据盾构主电脑显示的主轴承内外周温度,
19、了解盾构机外壳及土仓内的温度情况, 从而可以更准确把握刀盘允许暂停的时间, 确保盾构机刀盘不被冻住。4、盾构冰冻法进洞1)施工流程。进洞准备 拔出冻结管切削冻结加固土 盾构刀盘抵上连续墙破除外排钢筋 对冻结区管片外周注入油溶性聚胺酯盾尾脱离洞门钢环钢板封焊洞门施工井接头 11-12。2)洞门复测。进洞前 ,为确保盾构顺利进洞, 须对进洞处洞门中心标高及平面位置进行复测。3)破壁施工。原则上对土体积极冻结 2025 d(冻结天数与温度双控)后可进行破壁施工,在部分破壁过程中,如发现有渗水点,要及时进行封堵,以防水土流失。在割除外排钢筋之后,尽量在最短的时间内清理完洞口混凝土碴和冻土,减小冻结加固
20、土体的暴露时间。4)拔冻结管。盾构机刀盘距加固土体还有 6m 左右时开始拔管。拔管时,采用局部解冻方法,利用热盐水在冻结器里循环,使冻结管周围的冻土融化 5080mm 时开始拔管。所有位于盾构推进轮廓内的冻结管需拔离盾构上部外壳 0. 3m,待洞圈范围所有冻结管全部拔起后,立即恢复冻结。5)冻土掘进。为减少盾构掘进对加固土体的挠动,有效控制冻结体的碎裂 ,要加快刀盘转速,减小推力,降低推进速度,防止刀盘被卡死。刀盘进入加固土体后, 土压力设置在 0. 05MPa 左右,并逐步降为 0,使进入土仓的冻土能及时通过螺旋机排空,减少刀盘被冻住的机率。盾构掘进过程中刀盘可能被卡死,此时可将推进千斤顶全
21、部松掉,将刀盘来回正反转, 直至刀盘连续正常转动为止。6)盾构机进洞。盾构机进洞时宜保持盾构机高程符合洞口中心标高, 误差不得大于 10mm,盾构轴线应与设计轴线基本平行。盾构机开始进入风井上接收基座后,停止同步注浆,快速拼装管片。拼装时必须确保每环管片环、纵向螺栓全部拧紧并复拧紧,待盾尾脱离最后一环管片后迅速用弧形钢板封堵洞门,并及时补注双液浆。盾构进出洞施工完成后,为避免洞口在加固土体化冻后因承压水压力过大而发生险情,在停止冻结之前把井接头施作完成。盾构过风井后出洞施工的相关程序与进洞大致雷同,在此不再赘述。5、施工效果施工单位通过超前筹划, 制定经济可行、科学合理的施工方案,并在施工中切
22、实落实各项保障措施, 最终安全顺利完成了盾构进洞施工。洞门处用弧形钢板封焊完成后再对进洞口最后 10 环管片外周注双液浆,效果非常理想,洞门无渗漏痕迹。后来盾构在同样工况条件下也同样圆满完成了其他 3 次进出洞施工,取得了令人满意的效果。6、结语盾构施工常常要遇到很多难题,但像本标段在一道工序上就集中了如此多风险和难点的盾构施工目前在国内并不多见。盾构在如此复杂的条件下成功进洞,可行的技术方案和完好的施工设备是前提,强有力的组织措施是保障,迅速有效的洞门封堵是关键。在承压水层采用油溶性聚氨脂进行纵向渗漏水通道封堵,在超深埋地层对进出洞土体采用竖直加水平冰冻加固,在曲线处采用切线法进洞和轴线预偏
23、补偿法出洞,在近接穿越重要建(构)筑物处提前对土体进行加固处理,施工中所采取的一系列相关技术措施对施工类似工程具有一定的参考和借鉴价值。参考文献:1 白廷辉,王秀志.特殊环境条件下的上海地铁 4 号线修复工程综述G /上海市土木工程学会.地下及隧道工程事故风险控制技术资料汇编.上海: 上海市土木工程学会, 2009: 121-131.2 周文波,傅德明.大直径泥水盾构进出洞施工的风险和措施C /2007 第三届上海国际隧道工程研讨会论文集.上海: 同济大学出版社, 2007: 32-39.3 周文波,丁志诚.泥水平衡盾构穿越冻结加固区施工技术J.地下空间 , 1998, 18(5): 368-
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