扬州瘦西湖盾构隧道施工关键技术与实测分析

2015-09-18 08:43
建筑施工 2015年3期
关键词:洞门泥水刀盘

中铁十四局集团有限公司 济南 250014

1 工程概况

扬州瘦西湖隧道工程全长5 352.55 m,其中主线隧道全长约3.6 km,盾构段全长1 275 m,单管双层设计,设计时速为60 km,采用1 台φ14.93 m的泥水盾构掘进施工(图1)。

图1 瘦西湖隧道工程位置示意

盾构穿越全断面膨胀性老黏土地层,该地层标贯值达29~35击,含水率仅为21%左右,塑性指数达17.7%~22.4%,地层强度高,黏性强,黏粉粒含量高达90%以上,自造浆能力极强,施工时会排出大量的泥浆,盾构施工过程中将产生约65万 m3泥浆。

根据区域资料,扬州瘦西湖盾构隧道主要处于第四系全新统冲洪积砂土、黏性土。沿线第四系上更新统土层为本隧道工程主要穿越地层。本隧道下伏地层主要为白垩系浦口组泥质砂岩,埋深55 m左右(图2)。

图2 扬州瘦西湖隧道底层剖面(单位:m)

2 盾构施工关键技术

2.1 盾构机改造技术

为适应膨胀性黏土的特性,全面适应泥水盾构在全断面膨胀性黏土施工,我们对盾构机切削刀具、刀盘冲刷系统进行了适应性改造,并增设泥水舱出浆吸口冲刷系统。

首先,对盾构机进行适应性改造。原刀盘配置有可更换刮刀71 把、固定刮刀118 把、先行齿刀16 把、螺栓式铲刀12 把、焊接式铲刀6 把、仿形刀2 把,共225 把刀具。其中8 把刀具设有磨损检测装置,原刀盘刀具配置不能完全适应本工程的全断面硬质黏土地层。针对该地层特性,需对部分刀具进行适应性改造(图3)。实施方案如下:一是将71 把可更换的钝角刮刀改为尖齿型锐角刮刀;二是将中心圆柱形刮刀改为鱼尾形刮刀;三是将16 把先行齿刀取消,改为刀盘冲刷孔,增加刀盘的冲刷能力,减小主臂范围内黏土黏结刀盘的概率;四是保留原有118 把固定刮刀形式。

图3 刀盘刀具改造示意

图4 盾构机泥水舱冲刷系统改进示意

其次,从盾构机主机处进浆管引入专用管道,采用90 kW P01加压泵加压后,通过盾构机中心锥的中心回转接头分6 个支管,分别引入6 个主臂,每个支管采用电磁阀可独立切换控制,每个主臂设置4 个冲刷孔,冲刷孔外设置保护块,防止刀盘切削泥块堵塞孔口,孔口冲刷方向与刀盘面平行,以便更好地冲刷刀体及盘面,使刀盘不易被黏土黏结。刀盘中心由于线速度小,属于易黏结泥饼,为了更好地实现冲刷效果,专门从中心回转接头处连接一个独立的中心冲刷管路,中心冲刷共设置6 个冲刷口,分别布置在泥水及渣土汇流集中处(冲刷口布置见图4),以上所有冲刷口均可通过控制室独立远程控制,实现独立加压冲刷、交替互换冲刷和全面冲刷功能。通过刀盘冲刷系统的改造和应用,有效地解决了刀盘面黏土黏结和刀盘易结泥饼的现象,确保了正常切削开挖。

再次,为了使刀盘切削下的黏土及时被舱内泥水带走,防止在泥水舱内堆积堵塞出浆管吸口,造成压力波动、循环系统排浆不畅等,将出口处原有格栅拆除,使泥水携带渣土流畅,增加了一高压冲刷系统(图4)。一方面协助渣土输送,另一方面通过高压冲刷与切削作用,使大的黏土块变小,利于泥浆携带。高压冲刷系统采用φ250 mm专用高压管道从地面清水池开始敷设,采用2 台功率55 kW,流量144 m3/h,用压力10 Pa的加压泵在地面加压,到达盾构机后分进4 根φ100 mm支管,每个支管分别连接1 台功率37 kW、流量70 m3/h、压力14~18 Pa的增压泵,再用φ60 mm高压管从增压泵引入舱内前闸门下方,全部均布固定在前闸门后方壳体内壁上,分别采用4 个φ20 mm高压喷头正对出浆管吸口进行高压冲刷,使刀盘切削下的渣土及时通过排浆吸口带走,解决了泥水舱底部渣土堆积、管道堵塞、携渣不畅等难题,加快了掘进进度,保证了工程的顺利进行。

2.2 大曲率小半径曲线上精准接收技术

为满足现场施工要求,盾构机由直线运行至圆曲线段时,必须经过缓和曲线逐步过渡到圆曲线段;通过提高控制点与接收洞门圈的测量精度,减小贯通误差,在盾构机进入曲线接收段时尽量控制盾构机低速度、小推力、合理的泥水压力、及时饱满的回填注浆,进而严格控制盾构姿态,使其偏差始终保持在一个较小的范围内[2-4]。

技术要点:

1)接收施工顺序:在瘦西湖隧道湖西明挖段完成主体结构施工后,进行接收井端头土体加固和接收基座的施工;在盾构机接收段施工的同时开展贯通前控制测量、洞门圈测定及盾构运行轨迹的拟合;盾构机步入加固土体,与其同步开展洞门破除施工,并向工作井内接收基座上部堆填黏土。在确保接收措施全部到位后,向接收井内灌水,在维持内外泥水平衡的前提下,盾构逐步步入接收基座。

2)三轴搅拌加固:盾构接收段土层为硬塑黏土和粉砂,设计洞门前方土体采用φ1 000 mm三轴搅拌桩进行加固。接收段全断面加固区纵向全长共17 m,加固深度为盾构底部以下2.5 m,深度在25.5~26 m,加固宽度23 m。

3)贯通前控制测量:在盾构掘进至接收段施工范围时,对盾构机的位置和盾构隧道的测量控制点进行测量,明确实际隧道中心轴线与隧道设计中心轴线的关系,应对盾构接收井的洞门进行复核测量,确定盾构机的贯通姿态及掘进纠偏计划。

4)接收段盾构参数选择:泥水压力计算地下水位取5 m,以实测地下水位进行调整。泥水压力按掘进参数进行控制,偏差幅度在±0.1 Pa之间。根据地质情况,本区段为黏土层,为防止盾尾漏浆、隧道上浮及地层失稳,须加强壁后注浆控制,保证同步浆液质量。浆液质量密度为1.96 g/cm3,浆液的坍落度在该地段控制在18~22 cm。注浆量一般控制在25~30 m3,同时控制注浆压力,防止击穿浅覆土层。

5)洞门破除:为尽量减少洞门破除对洞门圈范围内的土体影响,确保盾构机安全接收,洞门连续墙须分3 次进行凿除。第1次破除外侧混凝土10 cm,剥除地下连续墙内层钢筋;第2次破除混凝土80 cm,破除完成后将混凝土渣清理干净;第3次分两阶段破除一阶段剩余混凝土厚度20 cm,破除混凝土渣并清理、吊运出基坑。

6)控制测量及拟合盾构掘进轨迹:洞门圈三维坐标测量应尽量减少换站,换站时须进行坐标参数转换,提高测量的质量控制;利用夜间进行控制测量,增加观测测回数,提高观测精度,计算时同时进行大气及距离改正;掘进轴线DTA的复核采用换人、换方法的多重复核,结合CAD模拟掘进轨迹,指导盾构实际掘进。

7)洞门加固及密封质量控制:搅拌加固体的强度及厚度满足盾构进出洞时的安全性,确保与连续墙胶结,防止涌沙、涌水。洞门钢环的制作、加工、安装,应保证施工精度满足要求;加强盾构接收时的姿态控制,避免盾构姿态不好造成洞门密封的局部失效;盾构接收时,对洞门密封情况进行观察,发现问题及时处理。

在盾构运行轨迹的拟合中采用通过加入长40 m、42.5 m、45 m、47.5 m、50 m、55 m的缓和曲线,与半径1 500 m、1 400 m、1 350 m、1 300 m、1 250 m、1 200 m圆曲线进行优化组合模拟掘进线路,与设计轴线进行比较,根据盾构机运行最小半径及设计轴线,考虑洞门圈接收处拟合中线偏移量及施工误差加权选取优化线路(曲线参数Ls=45 m,R=1 350 m),确保盾构机在满足规范要求的前提下安全接收(图5)。

图5 曲线盾构隧道平面示意

3 现场监控量测

3.1 测点布设

扬州瘦西湖隧道盾构段由东向西进行掘进。为实现本工程的信息化施工,施工过程对隧道周边环境与管片的变形进行了监测。监测项目包括地表沉降、隧道拱顶沉降、净空收敛、管片内力、管片变形等。其中管片内力、变形监测选取第75环处的管片进行研究。

3.2 地表沉降

随着盾构掘进,隧道上方地表发生沉降位移,地表沉降变形曲线如图6所示。

由图可以看出,隧道上方中线点DB3-0测点沉降量最大,达到-14.25 mm,而两侧的测点沉降量则要小很多。但几乎所有测点都在一定程度上表现出了一种变化规律:在4月10日之前,沉降量都比较小,约1 mm,属于第1阶段。在4月11日之前沉降量增大,但速率较小,属于第2阶段。在4月13日~4月16日,沉降量突然增大,而且沉降速率也很大,属于第3阶段。在4月19日产生小量上隆,这是二次补浆的作用,属于第4阶段,在此之后基本上呈现平缓的变化,地表沉降量趋于稳定,属于第5阶段。各阶段的划分没有清晰的界限,但各阶段的变化特征却是不同的,这与引起地表沉降的主要影响因素有关系。由此可见,盾构隧道施工进度的不同,其控制作用的影响因素也不同,表现在地表沉降的量值和变化速率上也出现了不同的特征。

图6 地表沉降历程曲线

选取2 个横断面地表沉降稳定后的数据进行处理,绘出地表沉降槽曲线图,如图7所示。从图中可以看出,盾构施工引起的地表沉降影响范围约为40 m,隧道中线位置附近沉降最大,最大沉降量约为-14.25 mm。

图7 不同横断面地表沉降槽对比

3.3 拱顶沉降

针对隧道拱顶沉降,通过对布设测点定期采集获得数据整理,并挑选出2 个变形量最大的测点进行分析。其中累计最大正值测点为GP15-3,累计变化量截止到最后一次测量为4.3 mm;最大负值测点为GP29-1,累计变化量截止到最后一次测量为-2.57 mm。由数据可以看出管片沉降在管片拼装完成后的前期变化比较明显,但在可控范围内,后期变化较小(图8)。

3.4 净空收敛

通过对布设测点定期采集获得数据整理可知,净空收敛数值均在设计与规范要求的变形范围之内,其中平均累计变化量为-1.32 mm,在可控制范围内,因此,满足规范设计要求。

图8 拱顶沉降曲线

4 结语

从扬州瘦西湖盾构隧道的工程特点出发,结合现场工程地质情况,系统总结了隧道盾构施工关键技术,并通过现场实测,分析了盾构施工引起的周边土体与管片受力和变形的基本规律,为以后类似工程提供参考。

1)为适应膨胀土地区土层特性,对盾构机刀盘进行改造,同时增设泥水舱冲刷系统。采用缓和曲线拟合的方式研究了大曲率小半径曲线上精准接收技术,使盾构机顺利穿越膨胀土层,为膨胀土层中的盾构隧道施工积累了经验。

2)通过现场实测,获得盾构施工引起的地表沉降主要有微小沉降、小速率沉降、大速率沉降、小量上隆和平缓变化的2 个阶段,最大沉降量小于规范要求和工程设计值[5,6]。

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