小净距隧道盾构接收施工控制技术

张庆欣

(新疆昆仑工程咨询管理集团有限公司,河南 郑州 450016)

1 工程概况

郑州市轨道交通12号线一期工程河西车辆段—圣佛寺站区间,包含1个盾构区间和1个明挖区间[1]。其中隧道区间出河西车辆段向北敷设下穿机场高速后,到达位于经开第三大街的圣佛寺站南端头。

盾构区间左线起点里程为左SSK0+088.941,终点里程为左SSK0+997.842,左线长度为908.901 m,设计605环管片。区间出口端605环处最小净间距1.73 m,602环位置净距2.12 m,600环位置净距2.50 m,598环位置净距2.88 m,596环位置净距3.27 m,594环位置3.65 m,592环位置净距4.04 m,590环位置净距4.42 m,575环位置净距为6.8 m,线间距约13 m,过渡到正常线间距,见图1。

始发井设置在河西成两段端,圣佛寺站端接收,接收端设计为4线隧道,进出河西车辆段2条线,预留二期工程2条正线。圣佛寺站始发端采用WSS桩加固,加固长度4 m,开挖轮廓线外3 m;接收端采用三轴搅拌桩和高压旋喷桩加固,加固长度8 m,开挖轮廓线外3 m。

工程位于郑州市东南部,为黄河冲击平原。接收端头自上而下主要为杂填土、黏质粉土、粉砂及细砂层,地下水类型属第四系松散岩类孔隙潜水,主要赋存于②42粉砂、②51细砂层中,属强透水层。接收端头初勘期间稳定水位埋深约为13 m。圣佛寺站南区影响车站主体施工管线全部迁改完成,现对圣佛寺站南区场地内及周边管线进行交底,管线主要有:雨水,污水,给水,天然气,10 kV电力,弱电,热力。采用两台CTE6440E-0660型土压平衡施工。

2 工程风险分析

工程风险一般包括工程环境风险和工程自身风险。本工程环境风险主要为接收端附近地下管线,有雨水、污水、燃气等管线通过,但不在端头加固区范围内,且埋置较浅,总体风险不大。工程风险重点是工程自身风险,接收端头的高水位、高透水性的粉砂、细砂地层,1.7 m的小净距隧道和施工不当可能诱发的风险主要表现在下列四方面:1)端头加固不到位,施工控制不当超挖,富水砂层泥水流失引起地表变形、沉降、塌陷等风险。2)地表变形、沉降、塌陷引起地下雨污水管沉降、变形、破裂、涌水、坍塌等风险。3)地下水降水不到位或雨污水管道破裂引起隧道透水、涌水、涌泥、坍塌等风险[2]。4)盾构掘进出洞侧压力增大、围岩扰动变形引起先行隧道管片变形沉降、错台、破裂甚至坍塌等风险。

3 接收施工控制技术方案

3.1 总体方案

根据小净距隧道盾构施工接收可能产生的工程风险,制定有针对性的接收措施方案。通过改善接收工程自身不良水文、地质条件,优化盾构出洞掘进技术参数和控制措施,提高监控量测信息化管理水平,实现盾构接收动态控制以保证盾构安全接收出洞。先行洞右线隧道先期贯通,后行洞左线隧道滞后1个月左右再贯通,前后拉开距离约180环270 m。

3.2 接收控制技术措施

富水砂层小净距隧道盾构接收风险较大,施工控制难度大,我们通过事前、事中和事后系统控制化解风险。事前做好端头加固、端头降水、接收联系测量、监控量测、接收托架、轨道架设,洞门破除、洞门密封、先行洞加固、后行洞加固、材料准备(管片)和盾构维修保养、人员交底教育培训等工作,事中做好盾构掘进、管片拼装、同步注浆和盾构姿态等技术控制工作,事后做好洞门环梁、壁厚二次注浆加固和工后监控量测等工作,发现问题及时动态处理,确保施工质量和安全。

3.2.1 端头加固

圣佛寺站端头设置一道三轴搅拌桩止水帷幕,搅拌桩加固体与止水帷幕同期施工,端头加固搅拌桩与止水帷幕搅拌桩搭接长度为250 mm,在加固体和围护桩之间进行一排φ800@550 mm旋喷桩加固,旋喷桩需在搅拌桩与主体结构施工均完成后再进行施工,保证加固体与车站围护桩间密贴、连续、无渗水通道。φ850@600 mm三轴搅拌桩加固范围:纵向加固长度为8.0 m,加固宽度均为盾构隧道结构轮廓线左右各3 m,竖向加固范围均为盾构隧道结构轮廓线上下各3 m。地基加固检测在旋喷桩施工结束28 d后进行,采用钻孔取芯法进行,检验左右隧道范围以外,距加固边1.5 m各3个点。加固区加固强度指标为:土的无侧限抗压强度不小于0.8 MPa,渗透系数不大于1×10-6cm/s,同时确保加固土体的均匀性、密实性,见图2。

3.2.2 端头降水

端头加固完成之后进行端头降水工作,根据水文地质情况及现场实际在端头布置3口降水井,2口水位观测井,降水井深度在加固区底部以下5 m,确保水位降到隧道底以下1 m。降水井壁管采用无砂混凝土管,管径内径300 mm,外径360 mm,采用型号规格QY12-40-2.2A的潜水泵抽水。

3.2.3 先行洞加固

为保证左线接收段掘进时右线先行洞成型隧道结构安全,在右线洞口位置沿隧道水平中心位置设置“*”字型横向支撑和斜向支撑架,采用20工字钢,每环设置一道,总计设置12道,对右线591环～604环范围管片进行加固,并沿隧道纵向设置20环管片槽钢拉紧,采用16B槽钢,设置6道,见图3。

先行洞小净距段盾构隧道采用加强型Ⅱ型管片,钢筋配筋量大,承载能力强,并且每环管片增加6个注浆孔,通过注浆孔进行小净距中侧壁深孔注浆,对中壁围岩进行进一步加固。

3.2.4 监控量测

1)管片结构净空收敛监测。布点原则是沿着盾构推进方向,在盾构接收段100 m范围内每5环布设一个监测断面,标准区间段每10环布设1个断面;每个监测断面在两侧拱腰处布设管片结构净空收敛监测点。因左线出洞位置与右线净距较小(最小净距为1.7 m),盾构机在掘进中易对右线成型管片造成影响,现将该区域净空收敛加密至每2环布设一个监测断面,从586环到605环。

2)管片结构竖向位移监测。布点原则沿着盾构推进方向,在盾构始发与接收段100 m范围内标准区间按照每10环设1个断面,接收段按照5环设1个断面进行加密,区间标准段每个监测断面在拱底布设管片结构竖向位移监测点。因左线出洞位置与右线净距较小(最小净距为1.7 m),盾构机在掘进中易对右线成型管片造成影响,现将该区域净空收敛加密至每2环布设一个监测断面,从586环到605环。

3.2.5 接收联系测量

在盾构隧道贯通线100 m,60 m,30 m前各进行三次贯通前的联系测量,精确测设隧道中线和高程。根据贯通误差调整盾构掘进姿态,以便于顺利出洞。

3.2.6 接收托架、轨道安装

接收托架安装要严格根据隧道中线和轨道标高定位,接收轨道中线要与隧道中线、盾构中线三线合一,接收轨道标高略低于始发轨道标高10 mm,便于盾构顺利上接收轨道。

3.2.7 洞门密封

盾构出洞前检查洞门钢环梁,安装洞门折页板和橡胶密封帘子布,穿好收口钢丝绳,设置收口固定栓。折页板、帘子布要圆顺能够密贴在盾构上不漏水、不漏泥。

3.2.8 盾构检修

盾构出洞前距洞口约30 m对盾构最后一次检查、维修、保养,确保状态良好一次性出洞成功。重点检查盾构推力油缸、主轴承、盾尾刷、拼装机、螺旋机、测量装置等。

3.2.9 材料准备

出口段小净距隧道采用Ⅲ型重载加强型管片,比通用管片承载能力强,增加注浆孔,便于注浆加固围岩。注浆浆液事前准备好不同稠度、凝胶时间、强度的单液浆、双液浆等注浆材料。

3.2.10 作业教育、交底

掘进出洞前再次对作业及管理人员教育和交底,对总体出洞方案、步序、技术参数、控制要点和注意事项、可能出现的风险等讲清楚、讲明白,尤其是现场盾构司机、管片拼装工、注浆工和测量工,使每个人都了然于胸,有的放矢。

3.2.11 掘进出洞技术控制

在盾构掘进施工过程中,盾构姿态变幅越大,盾构机越难控制,对地面沉降的影响也越大,要坚持“勤监测、勤纠偏、小纠偏”的原则,尽量实现盾构的平缓推进;严禁一次性大幅度纠偏,造成超挖和对周围土层的扰动,尤其是在小净距接收段盾构姿态和掘进参数的控制尤为重要,要保证平稳、低速、连续、一次性通过,避免中途停机。

在进入区间小净距590环前,区间正常掘进,推力控制在800 t～1 100 t。在区间591环～600环掘进过程中,降低推力至500 t,进一步减小因盾体前进所产生对区间右线隧道的水平侧压力,推进速度控制在10 mm/min以内,扭矩控制在1 000 kN·m～1 300 kN·m,刀盘转速控制在1 rpm～1.2 rpm。注浆压力应大于土仓压力0.5 bar～1 bar,但必须小于盾尾油脂仓压力,因此注浆压力控制在2 Pa～2.5 Pa。根据管片壁后环形空隙与地层有效填充的经验公式计算,Q=π(R2-r2)Lα=3.14×(3.232-3.12)×1.5×(1.5～2)=5.8 m3～7.8 m3。注浆量取盾尾空隙理论体积的1.5倍～2倍。根据前期掘进过程中地面沉降监测结果及时调整注浆量和注浆压力。采用注浆压力和注浆量双指标控制,即当注浆压力达到设定值时,注浆量达到设计值的95%以上时,即可认为达到了质量要求,见表1。

表1 左线接收段掘进参数表

4 其他注意事项

4.1 先行洞与后行洞要保持合适的距离和时间

本盾构区间右洞先行贯通,左洞后行贯通,左右洞保持180环约270 m的距离,施工时间约一个月。先行动贯通后对其洞身进行注浆加固,小净距侧壁深孔注浆加固,洞身设置“*”字型型钢支撑架,钢筋混凝土洞门环梁施工完成,增加先行洞洞身的整体稳定性。

4.2 零环管片的拆除时机

盾构机成功接收出洞后要对洞口段管片壁厚二次注浆,确保洞门段、环梁部位不渗不漏,壁厚浆液密实,强度符合设计要求方可拆除零环管片。零环管片的拆除切忌死拉硬拽粗暴摘除,防止损害正环管片棱角和螺栓孔,甚至不小心跌落砸伤管片及人员。

4.3 洞门环梁浇筑时机

零环管片拆除后及时施工洞门钢筋混凝土环梁,使洞门环梁、车站端墙和隧道管片有机连成一体,增强整体性。洞门环梁施工完成强度达到设计要求后,如有渗漏再次注浆封堵。

4.4 盾尾密封

盾构穿越不良地质或出洞前应认真检查盾尾密封情况,检查盾尾刷磨损情况,有无漏浆情况,及时维护和添加密封油脂,保证正常压力不漏浆。盾尾漏浆将影响同步注浆质量,可能导致隧道渗漏、错台等异常情况产生。

4.5 洞门密封

盾构出洞前检查洞门钢环梁,安装洞门折页板和橡胶密封帘子布,穿好收口钢丝绳,设置收口固定栓。折页板、帘子布要圆顺能够密贴在盾构上不漏水、不漏泥。

4.6 管片螺栓二次复紧

管片脱离盾尾后二次注浆前及时对管片弯螺栓二次复紧,提高隧道管片的整体性,防止螺栓松弛、围岩应力二次分布导致管片变形错台。

4.7 渣土改良

不同地质和施工情况,科学合理的渣土改良可以有效改善渣土稠度黏性,可以预防渣土黏结刀盘、输送带产生泥饼,保持土仓压力平衡稳定开挖面,降低对刀具和螺旋输送机的磨损,预防螺旋输送机喷涌等情况。在富水砂层小净距隧道选择适宜的渣土改良材料至关重要,根据试验采用天然钠基膨润土浆液和高分子聚合物作为渣土改良剂,渣土改良以膨润土浆液为主,高分子聚合物为辅,取得了很好的效果。

4.8 应急预案的落实

盾构始发、接收和穿越障碍物是盾构施工风险较大的三种工况,应根据工况编制有针对性切实可行的应急预案,明确应急领导小组人员和职能,技术组、救援组、医疗组、联络组、物资设备组等各职能小组的人员和分工职能,制定好应急预案,备好人员、材料和设备以防不测[3]。

4.9 施工管理

盾构隧道施工是大型设备高集成多工序一体化的施工方法,涉及开挖、掘进、支护、衬砌、运输等多工序,各工序人员有效密切配合至关重要,预防中途无故停机,保证连续、稳定、快速掘进通过可以有效避免很多意外产生。

5 结语

小净距盾构隧道始发、接收风险较大,需要根据地质水文条件和工况特点制定有针对性的工程措施方可有效预防意外情况的发生,才能做到安全出洞顺利接收成功。本工程从2022年3月10日至15日顺利接收出洞,无任何意外情况发生。