盾构穿越珠江的工法及保护措施摘要:在广州地铁三号线珠江新城站至客村站盾构区间隧道工程施工过程中,两台盾构机先后四次穿越珠江,在穿越过程中,遇到较为复杂的地质条件,施工过程十分困难。本文结合盾构穿越珠江实际情况,阐述了盾构穿越珠江的工法及相应措施。关键词:施工;保护措施;解决办法1 工程概况 广州地铁三号线珠江新城站至客村站盾构区间工程,为左、右线内径为5400mm的圆形隧道,包括珠江新城站至赤岗塔站、赤岗塔站至客村站两个区间,采用盾构法施工,单台盾构机将两次穿越珠江。 本工程北起珠江新城站南端(里程桩YDK4+136.15),南至客村站北端(里程桩YDK5+429.2),左右线各一台盾构机先后从珠江新城站始发,中间空载过赤岗塔站,最后到达客村站。珠江新城站至赤岗塔站单线长度为1292.35m,赤岗塔站至客村站单线长度为1040.8m,即单线总长为2333.15m,双线总长为4666.30m。 盾构过江所遇到的地层为:全风化~中风化夹杂综合岩带⑥～⑧,中风化带⑧及微风化带⑨,详见表1所示。2 盾构机主要特点 本工程采用德国海瑞克公司生产的土压平衡盾构机S181和S182(型号)进行施工。每台盾构机的刀盘上均布置了中心滚刀6把、正面滚刀和边缘滚刀13把、正面刮刀64把、边刮刀32把。刀盘开口率为28%。盾构机的最大总推力为34210kN,刀盘转速为0～6.1 rpm。采用螺旋机、皮带机出渣和电瓶车泥斗水平运输、龙门吊垂直提升的方式出土。在盾构机螺旋出土机的出口处设置安全闸阀,防止珠江水突然涌入盾构机。 盾构机过江掘进模式与参数选择详见表2。
3 盾构过江施工难点及解决措施3.1 地下水过大问题 S181盾构机(右线)于2004年5月15日开始穿越北珠江段时,当时发现地下水较大。地下水与盾构机密封仓内的渣土搅拌合成很稀的泥浆水,从盾构机的螺旋机出土口喷出并掉落在盾构机底部(盾尾处),需花很长时间由人工进行清理,严重影响正常拼装管片。为了克服该困难,在掘进过程中采取了以下措施使问题基本得到解决: (1)进行二次双液补压浆,减少后方管片外侧空隙地下水进入开挖面的可能; (2)盾构掘进前,往土仓里面加气,把土仓里面的水从螺旋机出土口处逼出来; (3)同时加大了注入发泡剂和PL(水溶性聚胺脂)等办法。3.2 “结泥饼”现象的处理 为了提高盾构机的掘进速度,在地下水很大的情况下,进行了诸如调整盾构掘进模式(硬土和软土)及掘进参数等的各种尝试,但是,盾构机掘进速度仍然没有明显提高。根据以往经验,这是不正常的。通过仔细检查喷出的泥浆,发现其粘性很强而固体颗粒极少,跟原状岩石相差太远。推断可能是盾构机刀盘结泥饼,造成盾构机掘进缓慢。但这种推断必须待打开盾构机密封仓进行检查后,才能得到证实。为此,待缓慢推进到地下水减少时,停机打开密封仓检查发现,盾构刀盘中央部分被坚硬的“泥饼”堵塞;几把滚刀前沿圆弧已被磨平约5mm,呈“割线”状,说明滚刀不转动。通过采取以下措施解决并减少了该现象: (1)采取多次正、反转刀盘及人工进仓清除刀盘上堵塞的“泥饼”。 (2)拆除刀盘上磨损的滚刀和刮刀,更换新刀。刀盘清理和刀具更换后,推进速度明显提高(10～20mm/min),说明清理刀盘和更换刀具是有效的。 (3)采用土压平衡方式掘进,严格控制出土量,土仓内压力的加入量保持在1.8bar左右,增加泡沫剂,改善土体的流动性,减少了刀盘结泥饼现象。 (4)在开挖面稳定的前提下,人工进入土舱清洗刀盘上面的泥饼。3.3 喷涌事件的处理 盾构机从珠江下穿越时,四次发生开挖面喷涌事件。四次喷涌事件中,都有大量的水及砂从盾构机螺旋出土机涌出,盾构机密封仓内的水压力最高达到2.2kg/cm2左右,表明盾构开挖面已经在某种程度上与珠江河底的砂层穿通(即冒顶)。其中,两处喷涌事件中,有许多花岗岩石块从盾构机螺旋机出土口中出来。喷涌发生后,立即把螺旋机出口安全闸阀关闭,然后把盾构密封仓的土压力迅速提高至2.0kg/cm2左右,保证了盾构开挖面的安全。但是,盾构机推进的速度则变得非常缓慢(刀盘扭矩几乎处于满负荷状态),因此,在工作中采取了以下办法,基本控制了再次喷涌的发生: (1)采用土压平衡模式掘进,关闭螺旋输送器及出土口,提高土仓内的土压及推进速度。 (2)在土仓中添加聚合物,改善渣土性状,减小水的流动性。 (3)同步注浆时,加入速凝剂,加快管片周围土体的固结,减小管片的沉降量。 (4)提前采用气压平衡模式掘进,严密监视和分析渣土成分,及时判断地质情况并根据掘进情况及时调整掘进参数。3.4 江底塌方预防及处理措施 盾构机掘进过程中,假如一旦发生塌方事故,可以采取以下技术措施进行处理: (1)盾构机掘进时,关闭螺旋机输送器,停止出土,保持土仓土压力,防止塌方继续扩大。 (2)加大注浆量,并保证注浆压力在1.5～2.0bar,加固塌方区,确认塌方己停止后,盾构机尽快通过塌方区。 (3)如果塌方区扩大并与地表江水连通,首先找到地表连通处,抛掷沙包堵水,然后再加固处理。3.5 铰接密封及盾尾漏水的处理措施 (1)如绞接密封漏水,首先调整绞接油缸行程及盾构机姿态,必要时启用紧急密封。 (2)盾尾严重漏水时,在盾尾刷加注油脂止水。 (3)及时进行二次双液注浆,并加入速凝剂,加快管片周围水土体的固结,阻止盾体后部的水流向土仓。 (4)加强盾构机掘进姿态控制,避免大幅度的调整盾构机姿态,每环盾构机姿态调整控制在±6mm以内,减小铰接油缸长度差,尽量将长度差控制在30mm以内。4 总结 (1)涌入盾构开挖面的地下水量很大,是事前难以估量的,客观上对盾构施工造成了较大的难度,也是影响盾构施工进度的主要原因。笔者认为可以从以下途径寻求有效的解决办法: ①加大盾构机刀盘扭矩并合理配置刀具,使切削下来的渣土呈碎块状的占绝大多数。这样,渣土流动性不至于太大,不容易发生喷涌现象。因此,建议在类似地层条件下,刀盘扭矩值可大于500 t.m。 ②尽量提高盾构机掘进速度。如本工程中,按实际地下水量为1000m3/天计算,只要盾构机掘进速度达到30～50mm/min,就可以大大降低渣土中水的比例,改善出土状态。 ③出土螺旋机设置螺旋芯轴。 ④前面三者相结合,则可以在出土螺旋内形成“泥浆塞”,起到抑制喷涌的效果。 ⑤去掉出土皮带机,把螺旋出土机加长,使其出土口伸至泥斗车的上方,具体须在盾构机设计时作全面考虑。 ⑥对于粘性强的地层,尤其是在稳定性比较好的岩层中,除合理配置刀具以外,刀盘开口率也应适当增大。类似本工程的岩层中,建议开口率不小于30%～40%。 (2)土压平衡盾构最终安全穿越珠江,证明防淹闸阀是有效的安全措施。 (3)由于缺乏可以对珠江河床进行精细变形观测的手段,因此珠江下所发生的喷涌事件都具有突然性,难以事前预料,对此,须有充分认识。 盾构过珠江施工是本盾构工程施工中的重点难点之一。[珠～客盾构区间]过江段由于采用了先进的德国设备及相关施工工艺,严格按设计及有关施工技术规范的要求进行施工,事前做好各项技术准备及应急方案,盾构机顺利通过珠江,右线盾构于2004年8月3日,左线盾构于2004年9月13日完成穿越珠江,隧道质量达到预期理想的目标,满足地铁通车的要求。
3 盾构过江施工难点及解决措施3.1 地下水过大问题 S181盾构机(右线)于2004年5月15日开始穿越北珠江段时,当时发现地下水较大。地下水与盾构机密封仓内的渣土搅拌合成很稀的泥浆水,从盾构机的螺旋机出土口喷出并掉落在盾构机底部(盾尾处),需花很长时间由人工进行清理,严重影响正常拼装管片。为了克服该困难,在掘进过程中采取了以下措施使问题基本得到解决: (1)进行二次双液补压浆,减少后方管片外侧空隙地下水进入开挖面的可能; (2)盾构掘进前,往土仓里面加气,把土仓里面的水从螺旋机出土口处逼出来; (3)同时加大了注入发泡剂和PL(水溶性聚胺脂)等办法。3.2 “结泥饼”现象的处理 为了提高盾构机的掘进速度,在地下水很大的情况下,进行了诸如调整盾构掘进模式(硬土和软土)及掘进参数等的各种尝试,但是,盾构机掘进速度仍然没有明显提高。根据以往经验,这是不正常的。通过仔细检查喷出的泥浆,发现其粘性很强而固体颗粒极少,跟原状岩石相差太远。推断可能是盾构机刀盘结泥饼,造成盾构机掘进缓慢。但这种推断必须待打开盾构机密封仓进行检查后,才能得到证实。为此,待缓慢推进到地下水减少时,停机打开密封仓检查发现,盾构刀盘中央部分被坚硬的“泥饼”堵塞;几把滚刀前沿圆弧已被磨平约5mm,呈“割线”状,说明滚刀不转动。通过采取以下措施解决并减少了该现象: (1)采取多次正、反转刀盘及人工进仓清除刀盘上堵塞的“泥饼”。 (2)拆除刀盘上磨损的滚刀和刮刀,更换新刀。刀盘清理和刀具更换后,推进速度明显提高(10～20mm/min),说明清理刀盘和更换刀具是有效的。 (3)采用土压平衡方式掘进,严格控制出土量,土仓内压力的加入量保持在1.8bar左右,增加泡沫剂,改善土体的流动性,减少了刀盘结泥饼现象。 (4)在开挖面稳定的前提下,人工进入土舱清洗刀盘上面的泥饼。3.3 喷涌事件的处理 盾构机从珠江下穿越时,四次发生开挖面喷涌事件。四次喷涌事件中,都有大量的水及砂从盾构机螺旋出土机涌出,盾构机密封仓内的水压力最高达到2.2kg/cm2左右,表明盾构开挖面已经在某种程度上与珠江河底的砂层穿通(即冒顶)。其中,两处喷涌事件中,有许多花岗岩石块从盾构机螺旋机出土口中出来。喷涌发生后,立即把螺旋机出口安全闸阀关闭,然后把盾构密封仓的土压力迅速提高至2.0kg/cm2左右,保证了盾构开挖面的安全。但是,盾构机推进的速度则变得非常缓慢(刀盘扭矩几乎处于满负荷状态),因此,在工作中采取了以下办法,基本控制了再次喷涌的发生: (1)采用土压平衡模式掘进,关闭螺旋输送器及出土口,提高土仓内的土压及推进速度。 (2)在土仓中添加聚合物,改善渣土性状,减小水的流动性。 (3)同步注浆时,加入速凝剂,加快管片周围土体的固结,减小管片的沉降量。 (4)提前采用气压平衡模式掘进,严密监视和分析渣土成分,及时判断地质情况并根据掘进情况及时调整掘进参数。3.4 江底塌方预防及处理措施 盾构机掘进过程中,假如一旦发生塌方事故,可以采取以下技术措施进行处理: (1)盾构机掘进时,关闭螺旋机输送器,停止出土,保持土仓土压力,防止塌方继续扩大。 (2)加大注浆量,并保证注浆压力在1.5～2.0bar,加固塌方区,确认塌方己停止后,盾构机尽快通过塌方区。 (3)如果塌方区扩大并与地表江水连通,首先找到地表连通处,抛掷沙包堵水,然后再加固处理。3.5 铰接密封及盾尾漏水的处理措施 (1)如绞接密封漏水,首先调整绞接油缸行程及盾构机姿态,必要时启用紧急密封。 (2)盾尾严重漏水时,在盾尾刷加注油脂止水。 (3)及时进行二次双液注浆,并加入速凝剂,加快管片周围水土体的固结,阻止盾体后部的水流向土仓。 (4)加强盾构机掘进姿态控制,避免大幅度的调整盾构机姿态,每环盾构机姿态调整控制在±6mm以内,减小铰接油缸长度差,尽量将长度差控制在30mm以内。4 总结 (1)涌入盾构开挖面的地下水量很大,是事前难以估量的,客观上对盾构施工造成了较大的难度,也是影响盾构施工进度的主要原因。笔者认为可以从以下途径寻求有效的解决办法: ①加大盾构机刀盘扭矩并合理配置刀具,使切削下来的渣土呈碎块状的占绝大多数。这样,渣土流动性不至于太大,不容易发生喷涌现象。因此,建议在类似地层条件下,刀盘扭矩值可大于500 t.m。 ②尽量提高盾构机掘进速度。如本工程中,按实际地下水量为1000m3/天计算,只要盾构机掘进速度达到30～50mm/min,就可以大大降低渣土中水的比例,改善出土状态。 ③出土螺旋机设置螺旋芯轴。 ④前面三者相结合,则可以在出土螺旋内形成“泥浆塞”,起到抑制喷涌的效果。 ⑤去掉出土皮带机,把螺旋出土机加长,使其出土口伸至泥斗车的上方,具体须在盾构机设计时作全面考虑。 ⑥对于粘性强的地层,尤其是在稳定性比较好的岩层中,除合理配置刀具以外,刀盘开口率也应适当增大。类似本工程的岩层中,建议开口率不小于30%～40%。 (2)土压平衡盾构最终安全穿越珠江,证明防淹闸阀是有效的安全措施。 (3)由于缺乏可以对珠江河床进行精细变形观测的手段,因此珠江下所发生的喷涌事件都具有突然性,难以事前预料,对此,须有充分认识。 盾构过珠江施工是本盾构工程施工中的重点难点之一。[珠～客盾构区间]过江段由于采用了先进的德国设备及相关施工工艺,严格按设计及有关施工技术规范的要求进行施工,事前做好各项技术准备及应急方案,盾构机顺利通过珠江,右线盾构于2004年8月3日,左线盾构于2004年9月13日完成穿越珠江,隧道质量达到预期理想的目标,满足地铁通车的要求。
