張麗娟

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 概述

盾構(gòu)施工技術(shù)以其高效、安全、便捷以及對(duì)周圍環(huán)境影響較小等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于城市地鐵及管廊隧道修建。但在一些地質(zhì)條件復(fù)雜，上層建筑物及管線密集的環(huán)境中施工時(shí)，仍會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生不可避免的擾動(dòng)，而盾構(gòu)施工既要保護(hù)已有建筑物的安全又要兼顧隧道施工自身安全，所以對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)的研究尤為重要。夏鵬舉等[1]對(duì)盾構(gòu)穿越軟硬不均地層時(shí)的盾構(gòu)軸線偏移、地面沉降等施工難點(diǎn)作了分析；李江靈等[2]采取加固地層和優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)控制盾構(gòu)施工對(duì)上部建筑物的影響；章邦超等[3]闡述了盾構(gòu)掘進(jìn)下穿民房建筑群的沉降施工準(zhǔn)備和技術(shù)措施等。無疑，這些研究對(duì)盾構(gòu)下穿建筑物以及穿越軟硬不均地層有一定的參考意義，但由于地質(zhì)環(huán)境的差異，相應(yīng)的技術(shù)研究不盡相同。本文依托武漢地鐵8號(hào)線二期工程第三標(biāo)段小洪山站～街道口站右線區(qū)間隧道施工，對(duì)軟硬不均地層盾構(gòu)大坡度并小曲線半徑穿越建筑群關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行綜合闡述，通過采取優(yōu)化刀具配置、優(yōu)化渣土改良[4]，設(shè)置換刀點(diǎn)主動(dòng)查刀等措施，盾構(gòu)順利穿越建筑群，為類似盾構(gòu)穿越建筑群工程施工提供參考。

2 工程概況

2.1 區(qū)間設(shè)計(jì)概況

武漢市軌道交通8號(hào)線二期工程第三標(biāo)段小洪山站～街道口站區(qū)間盾構(gòu)以360 m曲線半徑下穿榮泰小區(qū)建筑群后進(jìn)入珞獅路下方，穿越地鐵2號(hào)線街道口站后到達(dá)地鐵8號(hào)線街道口站，平移到1號(hào)風(fēng)亭解體吊出。

區(qū)間右線全長(zhǎng)1 084.874 m，最大縱坡為28‰，最小曲線半徑為360 m，管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)寬1.5 m。區(qū)間總體施工示意見圖1。

圖1 區(qū)間總體施工示意

2.2 區(qū)間穿越建筑群概況

區(qū)間右線共下穿9棟建筑物，均為住宅小區(qū)，建筑群主要是在20世紀(jì)90年代修建，磚混或框架結(jié)構(gòu)，多為條形基礎(chǔ)、淺基礎(chǔ)，無地下室，主要以1～3層低層、4～7層多層建筑為主，下穿建筑物信息見表1。

表1 下穿建筑物信息

穿越段地層特征為一側(cè)為硬巖，另一側(cè)為泥巖，主要地層為10-3粉質(zhì)黏土、17c-2中等風(fēng)化灰?guī)r、17b-1強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)泥巖、17d-1強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖、20a-1強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、20a-2中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、20a-3微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。中風(fēng)化灰?guī)r抗壓強(qiáng)度為70.7 MPa，中風(fēng)化硅質(zhì)巖抗壓強(qiáng)度為39 MPa，微風(fēng)化砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為25 MPa。

穿越段地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水和巖溶水三種類型。

3 盾構(gòu)穿越建筑群施工技術(shù)

3.1 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)連續(xù)穿越的建筑物均為老舊居民樓，基礎(chǔ)較差且穿越距離較長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)是盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進(jìn)施工易造成地表沉降、建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

盾構(gòu)穿越線路存在長(zhǎng)距離大下坡并小曲線半徑施工，一是水平運(yùn)輸存在溜車風(fēng)險(xiǎn)；二是盾構(gòu)水平和垂直姿態(tài)偏差會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，調(diào)整困難；三是盾構(gòu)同步注漿漿液會(huì)在緊鄰盾尾外殼處堆積，造成成型管片注漿不飽滿，導(dǎo)致地表沉降。

盾構(gòu)下穿建筑物段地層軟硬不均[5－6]，對(duì)刀具磕碰撞擊較大，存在房屋底下被動(dòng)開倉換刀風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 刀具和渣土改良系統(tǒng)優(yōu)化

盾構(gòu)穿越建筑群[7－9]后洞身地層處于風(fēng)化泥巖中，綜合考慮刀盤采用四輻條＋四輻板復(fù)合式設(shè)計(jì)，開口率38%，材料采用Q345C高強(qiáng)度鋼板，配備中心雙刃滾刀4把，正面單刃滾刀30把，邊緣單刃滾刀 11把，切刀28把，邊刮刀16把，超挖刀1把。設(shè)計(jì)的刀盤見圖2。

圖2 刀盤

針對(duì)軟硬相間地層，為減少開倉換刀次數(shù)，盾構(gòu)刀盤滾刀采取扁齒滾刀和光面滾刀混合使用，刀盤外周刀線速度快同時(shí)小半徑轉(zhuǎn)彎，容易磨損，將刀盤周邊11把光面滾刀優(yōu)化為加密扁齒滾刀，扁齒滾刀合金保證了在硬巖地層中仍能有良好的耐磨性，同時(shí)母材韌性達(dá)到了普通光面刀圈的數(shù)倍。正面滾刀采用厚刃25 mm光面滾刀，保證了長(zhǎng)距離掘進(jìn)的耐磨性。

盾構(gòu)配有兩套渣土改良系統(tǒng):泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)。

泡沫系統(tǒng)為單管單泵，為防止切削下來的灰?guī)r粉末和泥巖堵住刀箱和刀盤中心開口，將渣土改良系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，刀盤中心增加兩路高壓水沖刷系統(tǒng)，在臺(tái)車上單獨(dú)增加一臺(tái)5.5 kW的增壓泵提供動(dòng)力。

3.3 主動(dòng)查刀和設(shè)置換刀點(diǎn)

根據(jù)武漢其他同類地層施工經(jīng)驗(yàn)，中低硬度和軟硬不均地層施工時(shí)，參數(shù)變化規(guī)律性差，時(shí)常上一環(huán)是相對(duì)正常的掘進(jìn)參數(shù)，下一環(huán)掘進(jìn)參數(shù)直接異常，部分刀具已經(jīng)磨損嚴(yán)重，巖層掘進(jìn)需要根據(jù)地面條件等主動(dòng)檢查刀具。

為避免在房子底下進(jìn)行被動(dòng)開倉換刀，進(jìn)房子前20 m附近適當(dāng)位置進(jìn)行開倉檢查刀具，由于房屋底下地層無條件勘察，地層存在不確定性，在房屋之間的空地上或者小區(qū)的便道上設(shè)置檢查換刀點(diǎn)，經(jīng)過前2次開倉檢查刀具情況，摸索出刀具磨損的規(guī)律和掘進(jìn)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，后續(xù)適當(dāng)延長(zhǎng)檢查刀具環(huán)數(shù)。刀具更換統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 刀具更換統(tǒng)計(jì)

3.4 優(yōu)化水平運(yùn)輸

由于穿越段處于28‰的大下坡，同時(shí)采用環(huán)寬1 500 mm的管片，盾構(gòu)水平運(yùn)輸電機(jī)車每環(huán)需重載連續(xù)爬坡，普通鉛酸電機(jī)車存在溜車安全風(fēng)險(xiǎn)，為確保施工安全和施工功效，采用55 t大噸位鋰電池電機(jī)車進(jìn)行水平運(yùn)輸，同時(shí)將電機(jī)車剎車系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將原來的雙氣路制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化為三氣路制動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于氣源利用更加充分，加強(qiáng)制動(dòng)效果；增加斷電自動(dòng)剎車，電機(jī)車在運(yùn)行過程中如果突然變頻器斷電，空氣制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)剎車，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

3.5 掘進(jìn)參數(shù)及姿態(tài)控制

(1)掘進(jìn)參數(shù)

①掘進(jìn)速度

區(qū)間地層軟硬相間且下穿建筑群，掘進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)地層及時(shí)調(diào)整，灰?guī)r及硅質(zhì)巖段速度控制在3～8 mm/min，其余地層20～35 mm/min。

②刀盤轉(zhuǎn)速

掘進(jìn)斷面完整地段刀盤轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1～1.2 r/min，軟硬不均地段刀盤轉(zhuǎn)速為0.9 r/min，減少刀具撞擊導(dǎo)致的損壞。

③掘進(jìn)土壓

④出渣量

每環(huán)理論出渣量為49 m3，考慮土質(zhì)松散系數(shù)，出渣量應(yīng)控制在52～55 m3以內(nèi)，每環(huán)出渣量結(jié)合渣土箱數(shù)量和門吊稱重雙控。

(2)姿態(tài)控制[10－12]

軟硬相間地層掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)受力不均，易引起盾構(gòu)施工的實(shí)際軸線偏離設(shè)計(jì)方向，糾偏充分利用主動(dòng)鉸接的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)入曲線前提前將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)到曲線內(nèi)側(cè)10 mm左右，始終沿著曲線內(nèi)側(cè)掘進(jìn)，管片選型適當(dāng)超前，姿態(tài)在可控范圍內(nèi)，糾偏以盾尾間隙為主。

因隧道轉(zhuǎn)彎處于360 m小半徑，隧道內(nèi)通視條件較差，每推進(jìn)8～9環(huán)需要進(jìn)行一次測(cè)量換站，設(shè)置完新測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)后，加大復(fù)測(cè)力度，同時(shí)每隔兩次換站對(duì)盾體特征點(diǎn)和后視點(diǎn)進(jìn)行一次復(fù)核，從而保證數(shù)據(jù)的精確性。

3.6 注漿

同步注漿可以有效填充管片與土體之間的間隙，控制地表沉降，還可以確保管片襯砌的早期穩(wěn)定，但是注漿量過多或過少會(huì)造成管片的隆沉。盾構(gòu)下穿建筑群段地層軟硬相間和小半徑曲線，施工過程中嚴(yán)格控制同步注漿的質(zhì)量和數(shù)量，在正常掘進(jìn)段漿液配比的基礎(chǔ)上增加水泥用量、加大漿液稠度，使?jié){液和易性好，泌水性小，減小漿液的固結(jié)收縮，避免管片上浮，具體漿液質(zhì)量配比為:水∶水泥∶砂∶摻合劑∶膨潤(rùn)土 ＝2.25∶1∶3∶2.5∶0.4，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)一環(huán)理論建筑空隙為V＝π·(R2－r2)·L＝3.14×(6.442－6.22)/4×1.5＝3.58 m3；土質(zhì)松散系數(shù)按1.3～1.8計(jì)算，則每環(huán)理論注漿量為Q＝4.65～6.44 m3，實(shí)際施工過程中每環(huán)注漿5.5 m3。

區(qū)間基巖裂隙水在巖層中無規(guī)則竄動(dòng)，容易帶走漿液，造成管片背后空隙增多，管片上浮，為了盡量確保地面沉降在控制范圍內(nèi)，在穿越過程中，需及時(shí)跟進(jìn)二次補(bǔ)漿作業(yè)，在同步注漿的基礎(chǔ)上，進(jìn)行跟蹤二次注漿輔以環(huán)箍注漿，在脫出盾尾的第8環(huán)～第10環(huán)管片，采用雙液漿每間隔10環(huán)打好環(huán)箍，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，再在各環(huán)箍間進(jìn)行二次注漿。二次注漿過程中嚴(yán)格按照要求進(jìn)行跟蹤注漿，注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，防止管片上浮及地面沉降。出現(xiàn)管片上浮情況，二次注漿點(diǎn)位應(yīng)選擇15點(diǎn)/1點(diǎn)，2點(diǎn)/14點(diǎn)四個(gè)點(diǎn)位上，按照此順序依次調(diào)整注漿孔位，同時(shí)壓低掘進(jìn)垂直姿態(tài)，確保成型管片姿態(tài)。穿越完畢繼續(xù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)補(bǔ)漿處理，避免后期沉降。

中小企業(yè)應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身的實(shí)際情況設(shè)置企業(yè)的部門機(jī)構(gòu)，要盡量做到精煉有序，盡量實(shí)施一崗多能，如果公司的管理部門層次太多，管理人員繁雜，就會(huì)產(chǎn)生極大的管理成本和費(fèi)用，并且不利于部門之間的協(xié)調(diào)溝通。這樣既能提高工作效率，又減少了不必要的支出和浪費(fèi)。

3.7 施工監(jiān)測(cè)

在盾構(gòu)穿越期間，專人進(jìn)行建筑群變形觀測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總給施工技術(shù)部門，以便于施工技術(shù)人員及時(shí)了解施工現(xiàn)狀和變形情況，確定新的施工參數(shù)和注漿量等信息和指令，并傳遞給盾構(gòu)推進(jìn)面，及時(shí)作相應(yīng)調(diào)整，最后通過監(jiān)測(cè)確定效果，從而反復(fù)循環(huán)、驗(yàn)證、完善，確保建筑群安全和隧道施工質(zhì)量。經(jīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)，建筑物沉降都在10 mm以內(nèi)，最大沉降8 mm。

4 結(jié)語

武漢市軌道交通8號(hào)線二期工程第三標(biāo)段小洪山站～街道口站區(qū)間盾構(gòu)在軟硬不均地層及大下坡并小曲線半徑施工工況下，安全順利穿越建筑物群。

(1)合金扁齒滾刀具有良好的耐磨性及耐沖擊性，很好地解決了刀圈在軟硬相間地層掘進(jìn)時(shí)易整體斷裂問題，同時(shí)減少了開倉次數(shù)。

(2)主動(dòng)查刀是軟硬不均地層掘進(jìn)的基本原則。

(3)刀盤中心增加兩路高壓水沖刷系統(tǒng)，避免了刀盤結(jié)泥餅的可能。

(4)水平運(yùn)輸設(shè)備改造三氣路制動(dòng)系統(tǒng)和斷電剎保證了電機(jī)車在28‰大坡度的安全運(yùn)行。

(5)大下坡的同步注漿漿液往往達(dá)不到要求，必須二次注漿再輔以環(huán)箍注漿，使隧道縱向形成間斷的止水隔離帶，再在各環(huán)箍間進(jìn)行二次注漿，確保沉降在規(guī)定范圍內(nèi)。

(6)盾構(gòu)小半徑曲線穿越段姿態(tài)一直處于糾偏過程，通過采取預(yù)偏量，控制每環(huán)糾偏量不大于8 mm，以減少姿態(tài)調(diào)整對(duì)地層的擾動(dòng)。