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超大直径盾构施工主要风险与对策2018-10-10 11:18



    超大直径盾构施工主要风险与对策


    钟长平,谢小兵,刘  智,周  斌 


    (广州轨道交通建设监理有限公司,广东  广州  510010)


    摘  要:随着国内城市基础建设的快速发展,采用盾构法建设隧道面临直径更大、埋深更深、距离更长以及地质条件更加复杂的情况,中国已经应用不同的超大直径盾构完成了多个工程。本文统计了国内外超大盾构工程案例,通过南京长江隧道、扬州瘦西湖隧道和春风隧道等项目,针对工程特点和施工难点,总结了超大直径泥水盾构隧道穿越诸如淤泥质粉质粘土、硬塑膨胀性粘土、粉细砂与砾砂( 岩) 、上软下硬复合地层等复杂地层的关键技术;研究分析了盾构选型、盾构适应性改造、洞门密封泄漏和始发、江中带压开仓换刀、江中浅覆土段冒顶塌方等主要风险,并结合工程案例提出了解决风险的对策,对超大直径盾构的施工具有重要参考价值和指导意义。

    关键词:超大直径盾构;盾构施工;风险;对策

       

    0  前言

    过去的二百多年里,盾构施工技术随着生产实践应用得到不断完善和改进。仅仅是最近的一二十年间,盾构隧道外径以及盾构机直径的大小被不断刷新,盾构隧道正朝着超大直径的方向迈进。

    超大直径盾构隧道一般应用于公路或公路与轨道交通合建项目,其边界很难界定。20年前,直径10~11m的盾构被认为是最大的,可以满足单层2车道需求; 而近10年来,随着我国城市化进程的发展及交通需求量的增长,14 m及以上直径是当前的主流,可以满足双层4/6车道或单层3车道需求。目前我们所说超大直径盾构均为直径14 m以上。

    国际上,1994年首次采用?14.14 m盾构进行日本东京湾隧道施工;国内2004年在上海上中路隧道引进荷兰绿色心脏?14. 87 m盾构进行施工。截至 2016年,直径14 m及以上的盾构隧道项目有36 例(含在建项目),其中,国外有15例,国内有21例。 国内外项目的简况如以下所示。国内直径14 m及以上的隧道主要应用于经济发达地区,已建成项目11项,在建项目10 项。采用泥水平衡式盾构工法的17项,采用土压平衡式盾构工法的 4项。公路隧道19项,公路隧道与轨道交通隧道合建 2项(上海长江隧道和武汉三阳路隧道)。

    1  国内外超大直径盾构发展历程

    目前,盾构机已从单一模式盾构发展到泥水、土压平衡复合盾构,盾构机的尺寸也从中小盾构发展到直径可达17m的超大直径盾构。部分国内外超大直径盾构工程实例如图1所示,见表1、2。

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    图1  国内近年超大直径盾构工程分布情况


    表1  国内超大直径盾构工程实例

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    表2  国外超大直径盾构工程实例

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    2  施工主要风险分析及对策

    2.1盾构机选型风险

    地质是基础,盾构机是关键,人是根本。

    隧道建设成功与否同盾构机的选型息息相关。由于盾构法施工主要依靠盾构设备这个载体,因此盾构设备选型是施工成败的一个重要环节,是盾构施工的关键。

    盾构机选型所需要考虑的因素包括:

    工程地质和水文地质条件、岩土性质;开挖面稳定性能; 隧道埋深、地下水位;设计隧道的断面;环境条件、沿线场地( 附近管线和建构筑物及其结构特性);衬砌类型;工期、造价等。

    盾构机选型好等于工程成功了一半,选型不好严重影响工程开展。

    2.1.1世界最大盾构“伯莎”施工情况

        “伯莎”是为美国西雅图市SR99公路隧道服务的土压平衡盾构机,日立造船株式会社制造,开挖直径达到17.5m,价格为8000万美元,如图2所示。

        2013年8月,完成组装的“伯莎”在一片欢呼声中开始了工作,按计划,“伯莎”每天能推进10m,整条隧道应在16个月后贯通。“伯莎”最初的表现还是不错的,一切都在有条不紊按计划推进,然而在12月初“伯莎”已经前进了300m时突然停了下来,原来这时施工方发现“伯莎”无法前进,感觉像是遇到了神秘不明物体。

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                     (a)组装                                      (b)严重破坏

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              (c)跟换新轴承、密封件                                  (d)完成掘进

    图2  世界最大盾构“伯莎”(外径?17.45m)

        调查工作随即开始,到2014年 1月初,问题似乎有了眉目,人们认为是一根埋在地下的35m长、直径20cm的钢管阻碍了“伯莎”的脚步,施工方认为它卡在刀盘辐条中间导致刀盘无法正常旋转。

        经过紧张工作,到1月底,钢管剩余部分终于被清理出来,“伯莎”经过调试又可以工作了。但不幸的是,仅仅前进了1.2m,“伯莎”再次停了下来。原来控制室内发出了过热警报,靠近刀盘的位置出现了140度的高温。随后的检查发现刀盘的开口已经被泥饼糊住,更重要的是主轴承密封件已经遭到严重损坏。只有更换密封件才能将隧道掘进进行下去。

        “伯莎”的刀盘被进一步分解以接受评估,随后人们发现“伯莎”的状况比预想的还要糟糕。原本以为只有主轴承的7个橡胶密封圈被沙子和水堵塞破坏,后来发现保护密封圈的钢筒也发生了破损,一些碎片进入了传动齿轮导致齿轮的破坏。

        在长达四年半的时间里,“伯莎”土压盾构历尽千辛,且经历繁杂的维修过程。其中,修理费用高达1.43亿美元,比“伯莎”本身价格还要高。这是盾构机选型失败的典型例子。

    2.1.2广深港客运专线大盾构遇到的问题

        2011年10月31日,深圳福田梅林路与梅村路交界处突然发生塌陷,出现近百平方米大坑。此前与事发地一墙之隔的中康生活区地面出现四次塌陷,均因地下的广深港客运专线施工所致,如图3所示。

        该大盾构采用常规刀盘,带压进仓换刀,费时费钱,工期延误较多。该盾构机选型方面也存在一些问题。

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    图3  广深港客运专线盾构施工造成多次地陷

    2.1.3伊斯坦布尔博斯布鲁斯海峡隧道施工情况

        “伊斯坦布尔海峡公路隧道工程”是博斯布鲁斯海峡下第一次应用盾构施工的隧道,采用直径为13.66m的超大直径泥水平衡盾构(常压刀盘)进行掘进。本项目隧道全长3.34km,线路最深点在海平面以下106m,工作压力高达13bar,盾构掘进16个月后贯通。该盾构机选型正确,进展顺利,如图4、5所示。

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    图4  盾构下穿博斯布鲁斯海峡


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    图5  伊斯坦布尔海峡公路隧道13.66m盾构(常压刀盘)

    2.1.4南京长江隧道盾构选型

        南京长江隧道根据其穿越的江中砾砂复合地层且水压较高的透水地层性质,采用德国海瑞克公司设计制造的泥水加压式盾构机,如图6所示。盾构机的刀盘为中心支撑、辐条面板式,6个辐条内部分刀具可以更换,便于检修。刀盘上共有118把刮刀,其中71把可以在常压下进行更换。盾构机具有泥浆舱和气压调节舱两个压力舱,气压舱的压缩空气为压力舱施加泥水压力,实现带压进舱检修;同时为方便技术员进入到压力舱的内部进行检修还设有人闸、主舱和副舱。该盾构机较适应本项目地层的掘进。

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    图6  南京长江隧道泥水盾构机构造简图

    2.1.5春风隧道盾构选型

        春风隧道工程起于上步立交东侧,沿滨河大道进入地面,下穿滨河红岭立交、地铁九号线、布吉河、海关宿舍楼、渔景大厦、大滩大厦、广深铁路股道及深圳站等建(构)筑物;于北斗路东侧归入沿河南路,新秀立交以南穿出地面,在新秀立交西侧与东部过境高速公路市政连接线配套工程相接。

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    图7  工程地理位置平面图

        盾构段全长3.583km。盾构段最小水平曲线半径R750m,最大纵坡49‰,凸形竖曲线最小半径为2800m,凹形竖曲线最小半径为7500m。盾构区间覆土厚度为8m~46m。最大埋深位于罗湖车站附近,站埋深46.58m。盾构机从位于于滨河污水处理厂北侧的西始发井始发,在位于沿河路与北斗路交叉口的东接收井吊出。

    隧道主要穿越地层为粗粒花岗岩、构造碎裂岩、片岩、变质砂岩、凝灰质砂岩、糜棱岩,少量卵石,砾砂地层,隧道全断面岩层约占80%,存在部分上软下硬、断层破碎带地层。中微风化岩层抗压强度普遍在50MPa--100MPa之间,最大强度为173.7MPa

    春风隧道工程主要特点:

    1)长距离、大断面,区间长度3583m,开挖直径达到φ15.8m;

    2)大埋深、高水压,最大净水头压力达到5.9bar;

    3)高岩石强度,最大岩石强度173.7MPa;

    4)岩层较破碎,总共11条断层破碎带,总长度约为431m;

    5)小曲线、大坡度,最小水平转弯半径R750m,最大坡度49‰;

    6)下穿大量重要构建筑物;

    7)始发段和接收段覆土较浅,存在上软下硬地层。

    本标段隧道主要穿越中微风化岩层,破碎地层多,水压较大。从破岩和刀具消耗来讲,常规刀盘具有一定的优势,但是由于地层常压下的稳定性具有不确定性,从检查刀具方便性和换刀安全性来说,常压刀盘优更有势。根据工程地质条件和周边环境分析与评价,以及刀盘的对比分析,决定采用常压刀盘。

    2.2盾构机适应性改造风险

    扬州瘦西湖隧道借鉴南京长江隧道工程经验,为节约成本,选用南京长江隧道所用盾构机。为适应长距离、全断面硬塑膨胀性粘土地层,针对盾构机刀盘容易结泥饼、排浆管容易堵塞的问题,对盾构机刀盘冲刷和环流系统两方面进行改造,如图8所示。

    刀盘冲刷系统改造:增加 6个主刀臂冲刷,每个刀臂4个冲刷口;中心孔6个喷口分别布置在泥水及碴土汇流集中处;中心刀替换为鱼尾刀,增加3个鱼尾刀冲刷口。

    环流系统改造:增加高压冲刷系统。

    高压冲刷系统采用直径250 mm专用高压管道从地面清水池开始敷设,采用2台压力 10bar的加压泵在地面加压,到达盾构机后分成4根100支管,每个支管分别连接一台压力 14~18 bar的增压泵,再用60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20高压喷头正对出浆管吸口进行高压冲刷,使刀盘切削下的碴土,及时通过排浆吸口带走。

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    图8  刀盘刀具改造示意图

    2.3洞门密封泄漏和始发风险

    2.3.1洞门密封泄露风险

    盾构进出洞的安全是盾构法隧道施工一个非常重要的环节,目前,国内盾构法隧道多起事故均发生在盾构进出洞上,主要表现在盾构进出洞端头地层的加固效果不良、盾构进出洞时洞口涌水、盾构姿态的控制困难、良好的泥水平衡没有尽快建立、洞口密封破坏等方面。洞门密封效果不佳,将导致大量泥水外溢及涌砂等后果,因此,洞门密封也是工程的风险点之一。

    南京长江隧道工程洞门密封防水措施如图9所示,其中2道帘布橡胶板随盾构前进方向翻转,由于其下缘被拉伸而紧贴盾构外壁,形成一道密封止水带。此外,外侧的翻板也向内侧翻转而顶住帘布橡胶板,防止出现因前方水土压力过大而导致帘布橡胶板逆向翻转的情况出现,是目前运用较多的盾构、顶管机出洞密封装置。

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    图9  洞门密封防水措施布置图

    2.3.2盾构始发风险

        盾构法隧道施工中,端头土体加固是盾构机始发、到达技术的一个重要组成部分,端头土体加固成功与否直接关系到盾构机能否安全始发、到达。盾构进出洞端头地层处理不当,盾构机在进出洞时工作面可能会产生涌水、涌砂,不能及时形成压力平衡,容易导致地面大幅度沉陷、盾构机被掩埋、工作井周边构筑物损坏等事故。南京长江隧道盾构机始发段的土层为淤泥质粉质黏土,洞门前方0~18m区间采用高压旋喷桩加固地层,加固深度23m,宽度23m。为了更好地增强土体强度及密封性,保证加固土体可靠地封水,在高压旋喷桩加固土体和端头地下连续墙之间设计一道宽1.6m的冻土壁,通过人工制冷工艺形成的冻土壁将高压旋喷桩加固区和地下连续墙胶结,使旋喷加固土体与冻结壁共同抵抗水土压力,以确保洞门破除和盾构机始发的安全。

    2.4始发段超浅覆土掘进的风险

    由于受线路控制影响,南京长江隧道工程盾构始发段(K3+600~730)属于超浅埋,最浅覆土厚度为5.5 m,仅为 0.37D(D为盾构机直径),主要穿越地层为流塑状的淤泥质粉质黏土地层,施工技术难度非常大。盾构在浅覆土施工易产生以下问题:

    (1)由于竖向压力较小,盾构推进时姿态控制困难;

    (2)由于覆土层薄,给切口水压控制增加了难度,泥水易窜出地面“冒浆”,破坏泥水平衡;

    (3)土质松软,端头土体易发生失稳、涌水涌砂、地层塌陷等恶劣后果。

    本工程盾构机在此段施工时,采取了严格的地表沉降监测、泥浆压力控制,并结合室内和现场泥浆劈裂试验等措施,设置了合理的盾构掘进参数,使盾构机安全通过了超浅覆土的始发段。

    2.5粘土地层泥水环流系统难点及对策

    春风隧道工程为应对可能存在的粘土地层刀盘前面滞渣问题,配置独立P0.1增压冲刷泵,可向刀盘正面提供最大2000m3/h冲刷流量。刀盘中心面板区域设有7路横向冲刷,中心进渣通道设有6路开口冲刷口,刀盘主梁周边面板区域设有6路横向冲刷,降低刀盘滞渣可能性。同时,冲刷通道可实现组合分区控制,包括:中心面板区冲刷、刀盘左半区冲刷及刀盘右半区冲刷,减低喷口堵塞概率,如图10所示。

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    图10  刀盘前大流量分区高压冲刷设计

    2.6江河大堤沉降、开裂的风险

    南京长江大堤起着防洪的重要作用,处于航道局严密监控之内,在盾构机通过长江大堤时,如何防止大堤沉降也是一个施工风险。盾构机2次穿越长江大堤时,其中浦口岸穿越地层为淤泥质粉质黏土地层。由于大堤防洪等级高,地表沉降控制要求必须控制在+10~-30 mm,且由于该处地面覆土厚度变化明显,盾构掘进施工技术参数控制难度极大。

    本工程盾构机穿越长江大堤时主要穿越淤泥质粉质黏土地层,为了降低对土层的扰动,适当减小了刀盘转速,控制切口压力在较小的范围内波动,同时严格按照设计量进行同步注浆,及时回填开挖空隙,以减小大堤的沉降。

    同步注浆为水泥砂浆(单液浆),其胶凝时间为 3~10 h,固结体强度一天不小于0.2 MPa(相当于软质岩层无侧限抗压强度),28 d不小于2.5 MPa(略大于强风化岩天然抗压强度);壁后注浆体固结收缩率<5%;注浆压力设定为 0.3~0.6 MPa,并根据监控量测结果作适当调整;实际注浆量为建筑间隙的 110%~130%,即为 23.42~28.47 m3/环(每环理论注浆量为:V =π/4×(14.962-14.52)×2 = 21.29 m3)。

    施工时的大堤沉降监测显示,大堤出现小裂缝,随即采用深层搅拌桩对大堤进行加固,有效地防止了大堤的沉降和稳定性,并在大堤上游侧建造防渗帷幕,保障了大堤安全。

    2.7膨胀性粘土泥水盾构开挖面稳定控制技术

    因盾构施工需要,扬州瘦西湖隧道泥水盾构在掘进过程中有过几次停机,在停机过程中出现了三次开挖面失稳塌方事故,表现为近似圆桶形竖向塌方,三次塌方均发生在停机后第 6 天左右。针对停机时在确保开挖面支护压力不降低情况下,仍然发生了多次开挖面塌方的问题。通过深入研究后,认为粘土的膨胀性是开挖面失稳发生的主要原因。

    随着盾构开挖扰动,开挖面前方具有裂隙性的膨胀土裂隙开展,渗透系数增大,加速了泥水入渗。由于泥浆入渗,膨胀土因含水率增加发生一定量的膨胀,向泥水舱内部发生挤入,并且其强度将会降低。由于盾构停机时间较长,这种现象持续发展,导致开挖面极限支护压力比增大,开挖面稳定性降低。

    根据塌方发生的原因和机理,提出了如下的控制措施: 

    (1)控制开挖参数,尽量平稳匀速开挖,减少开挖面扰动,尽量避免开挖面前方膨胀土裂隙开展,减少泥浆入渗通道;

    (2)减少非必要停机时间,如因特殊情况需要停机检修,可以采用“多次短停”的方式进行,如停机两天,开挖五环再次停机。防止因停机时间过长,开挖面前方土体强度不足而导致坍塌;

    (3)适当提高泥水支护压力,防止因为开挖面极限支护压力比增加而发生破坏; 

    (4)停机时适当增加泥浆密度和粘度,选用低渗透性能的泥浆,减少泥浆入渗量。通过采取开挖面稳定性控制措施之后,再无塌方事故发生,取得了显著的效果。

    2.8对易燃易爆混合气体的对策

    意大利Sparvo隧道位于博洛尼亚(Bologna)与弗洛伦萨(Florence)山脉,工程面临地层复杂和富含易燃易爆气体等挑战。Sparvo隧道采用德国海瑞克公司制造的直径为15. 55 m的土压平衡盾构施工。

    针对地层内富含易燃易爆气体的特殊情况,螺旋输送机与皮带运输均采用双层密封进行封闭(图11),防止开挖土体中的易燃易爆气体逃逸。

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    图11  旋输送机与皮带运输通道密封设计

    亚平宁山脉富含易燃易爆的硝酸甘油和甲烷气体,是Sparvo隧道面临的难题与挑战,因此盾构装备的设计必须考虑这一点。如螺旋机就是密封在管道内以防止气体逃逸,同时安装了相应的感应与监测装置,以防止易燃易爆气体累积。

    沼气的监测工作分包给一家专业公司(Collins),每个班组均由专人负责监测。每个断面设10个监测点和2个备用监测点,当沼气含量超过规定的限值时盾构将关闭电源停机。

    发生沼气爆炸的沼气含量的限值为5%,在不同的断面设定不同限值,盾构内沼气含量严格限制在0.35%,隧道内则为3%。当隧道内沼气含量高于1%时,盾构司机将降低掘进速度,否则机器将自动停机。

    在盾构内设置了类似交通信号灯的沼气报警系统,,由绿、蓝、黄、红4种颜色组成,绿色意味着正常水平,红色代表所有工作人员应立即撤离。出土皮带系统设置双层保护罩,层间充满高压气体以防止沼气逃逸;与此同时,对通风系统也做了特殊考虑,盾构司机可将送风量最高调到25 m3/s。盾构通风系统设计如图12所示。

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    图12  盾构通风设计

    2.9穿越江中砾砂等复合地层的风险

    南京长江隧道从K4+462 开始进入江中粉细砂和砾砂层混合地层,其中还穿越长约370 m、厚0.0~3.9m圆砾层和强风化钙质泥岩地层,地层岩性上软下硬,性质差异明显,同时卵石地层还容易造成开挖舱阻塞、损坏刀具等,盾构掘进控制技术难度大,施工风险高。地层渗透系数高达10~2cm/s,且地层大于2 mm的粗颗粒占整个地层含量的40%左右,黏粒含量很少。

    此种情况对泥水盾构在开挖面上形成泥膜非常不利,极易出现因泥浆大量滤失而无法建立开挖面的压力平衡的事故,如瑞士苏黎世的Her-metschloo污水隧道,采用泥水加压盾构穿越渗透系数为3×10-3m/s的高渗透性地层,以膨润土泥浆支护开挖面掘进时,由于泥浆大量渗入地层而导致多次开挖面失稳、地层坍塌等事故的发生。

    已建成的两条长江隧道,上海沪崇苏隧道地质情况单一,几乎全部为淤泥质地层,武汉长江隧道只穿越很短的复合地层,同时这2座隧道的最大水压为 0.50~0.55 MPa,而南京长江隧道盾构机工作最大压力约0.65 MPa。这也大大增加了盾构机越江的风险,对盾构机本身和施工过程也是一个考验。

    在本工程隧道施工中,为了解决高水压和强透水性下泥膜形成的问题,通过向膨润土与天然黏土的混合泥浆中添加2‰的NSHS-3制浆剂(增黏剂)调节泥浆的黏度(与泥浆的质量体积比,即1000mL泥浆中加入2g NSHS-3制浆材料)。室内泥浆成膜试验显示,密度为1.15~1.20 g/cm3、漏斗黏度20 s左右的泥浆在砾砂层中可以快速形成微透水的泥皮型泥膜。同时还总结了各地层泥膜的形成规律,为大直径泥水盾构穿越砾砂地层积累了宝贵的经验。

    2.10高压气焊接与更换刀具难点及对策

    刀盘作为盾构的核心部件,是决定工程成败和效率的关键,当刀盘磨损破坏非常严重且需要焊接修复时,无法实现常压条件下对刀盘的修复,也无法有效保证掌子面的稳定,此时就需要考虑带压进舱,在压缩空气条件下带压对盾构刀盘进行焊接修复,同时保证修复期间掌子面稳定和施工安全。

    南京长江隧道通过采用高水压、强透水性地层中大直径盾构开舱泥膜的形成技术,提出了渗透带加泥皮气压支护开舱的方法并首次成功运用。用浓度5%的泥浆在开挖面附近形成渗透带,用浓度12%,密度1.20的泥浆在开挖面形成泥皮,用气压置换部分泥浆,形成工作空间。采用低浓度的泥浆先形成渗透带型泥膜,渗透部分微泥浆粘粒进入粉细砂和砾石地层,有助于提高地层的粘聚力,然后再在开挖面形成状态优良泥膜达到封闭压力舱内的泥浆,也更加有利于封闭开舱进入时的高气压,更加有利于保证开挖面的稳定性。通过这一技术实现了在高压环境下进行的刀盘刀具的更换与焊接。

    扬州瘦西湖隧道工程中,在泥水平衡盾构机出洞掘进时,因全断面粘性土造成泥水环流系统排渣不畅,排浆管口堵塞的现象,掘进速度慢,刀盘易结泥饼,需要在原位高压气环境下进行停机焊接检修。但是国内因同时具备焊接技术与潜水能力的技术人员缺失,导致盾构原位高压缩环境下盾构机带压动火检修施工严重依赖德国潜水公司,但是国外报价高、时间长、技术垄断,在工期紧张的瘦西湖隧道中并不现实。

    针对这一难题,通过公开选拔焊接技术人员,由南京军区总医院进行高气压环境专业培训。通过试验确定压气环境下焊接时保护气体选择氩气与 2%氧气相结合的最佳焊接技术。最终实现在扬州瘦西湖隧道盾构机压气检修作业中,最大环境压力为4.2 bar的突破,打破了德国技术垄断(图13)。而且压气培训与高压焊接作业时间大幅减少,实现了高效率压气检修作业。


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    图13  原位高压气焊焊接作业

    2.11江中带压开舱更换刀具的风险

     南京长江隧道右线盾构机推进到655~659环时(K4+910~918,此时盾构机已经进入粉细砂和砾砂、圆砾的复合地层一段距离),刀盘扭矩值相比之前的掘进明显偏高,最高达到20 MN?m,推进速度急剧减小,同时排出的渣土中出现直径 20 cm 以上的卵石。通过对常压可更换刀具的检查,发现部分刀具磨损严重,出现了刀刃崩落的现象。

    盾构机停机位置,其所处断面上部约1/4为粉细砂地层,其渗透系数约为6×10-3 cm/s;下部约3/4为砾砂地层,其渗透系数约为3×10-2 cm/s。根据实际的地层条件,可以计算出盾构机顶部往下5 m处(气压作用面处,按气压面下端处埋深25.5 m,水深48 m计算)的静止土应力(k = 0.5)为 0.11 MPa,孔隙水应力为 0.48 MPa,总静止土压力为 0.59 MPa。在这样高渗透性高水压的地层中开舱,如何保证开挖面的稳定性成为工程中十分关注的问题。

    本工程最终采用在开挖面上形成气密性良好的泥膜、气压支护开挖面的带压开舱方法,成功实现了江底更换刀具、修复刀盘。实验室内对使用膨润土与黏土的混合泥浆(密度 1.15 g/cm3,漏斗黏度25s)形成厚度为5 mm泥膜进行气密性模拟试验,结果表明该泥膜能够闭气的临界压力差(泥膜闭气值)为 0.12 MPa,如图14所示。实际工程上可采用的极限压气压力值应该是地层水压力+泥膜闭气值,也就是0.48+0.12 MPa,为0.60MPa,这一极限压气压力略大于开挖面上总静止土压力值,除抵消孔隙水应力以外,还可以抵消开挖面上的有效应力。从现场气压的稳定性及泥浆压力的变化情况来看,形成的泥膜致密性良好,开挖面处于稳定状态,可以满足短时间内开舱修复的安全性要求。0.6Mpa气压下焊接修复受损刀盘情况如图15所示。

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    图14  开挖面上形成的泥膜

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    图15  0.6Mpa气压下焊接修复受损刀盘

    2.12开挖面漏气应急处理

    带压作业漏气的原因主要有以下几个方面:开挖面漏气、盾壳周围地层漏气、盾构内部管线漏气和盾尾漏气等。一般来讲,开挖面与气体接触面积最大开挖面漏气为带压作业漏气的主要原因。

    地层漏气时,气体通过破损或老化的泥膜裂隙向地层渗透,逐步形成漏气通道。漏气过程为气压作用下泥膜破损的过程,泥膜破坏将进一步增大漏气量,形成恶性循环。

    开挖面漏气事例描述:

    2013年10月6日6点50分,完成降液位,通知带压进舱作业人员进舱作业。

    7点10分,人员进舱后发现刀盘未转到位,通知操作室转刀盘。

    7点20分,刀盘转动到位。

    8点15分至8点20分,空压机出口压力曲线骤降。

    8点20分至 8点35分,空压机出口压力降至与泥水舱压力基本一致。

    8点30分,立即通知舱内作业人员退回至盾构人闸内保压,并启动备用空压机供气。

    8点35分,空压机出口压力值回升,但并未达到设定压力值。

    8点40分,启动送泥泵,回升液位,空压机出口压力曲线恢复正常。

    开挖面漏气原因分析:

    本次换刀刀盘回缩5 cm,建膜后开挖面与滚刀刀刃之间的实际间距不到3cm。而新更换的滚刀刀刃较旧滚刀刀刃(滚刀磨损)高出3cm多,新刀刃与开挖面泥膜相接触。

    刀盘旋转时,新更换的滚刀切削开挖面泥膜,滚刀轨迹线区域的气密性仅依靠渗透带泥膜保持。7点20分至8点20分,空压机出口压力曲线正常,渗透带泥膜气密性可靠;8点20分,空压机出口压力曲线骤降,渗透带泥膜气密性失效,这与室内试验渗透带泥膜气密性不足1h的结论基本吻合。

    开挖面漏气应急处理:

    开挖面漏气应急处理的最佳方案为作业人员紧急撤出泥水舱后立即以最快的速度以最快的速度回升泥水舱内液位。升液位不仅可以减少漏气量,同时还可对受损泥膜进行修复。

    2.13长距离复合地层刀盘刀具磨损问题

    与南京长江隧道类似,武汉地铁8号线越江隧道江中段,盾构穿越长达1365m的复合地层,其中400m长度岩层超过断面的50%,穿越岩层为强风化砾岩、弱胶结砾岩和中等胶结砾岩,其中中等胶结砾岩强度可达24.4MPa。根据施工经验,在此地层中掘进时刀具的磨损速度极快,需要经过多次刀具更换才可完成复合地层掘进。

    合理的、针对性强的刀具布置方式、刀具设计形式,可以延长刀具的使用寿命,减少刀具更换次数。因此刀盘刀具的合理设计以及如何在高水压下安全高效的更换刀具将是本工程的重难点。

    针对复合地层,提出如下主要应对措施:(1)采用贝壳型先行刀和刮刀搭配的刀具体系,边缘区域布置一定数量的滚刀;(2)盾构刀具设置应有层次性,先行刀高出刮刀30 mm,先行破碎、疏松地层,为刮刀创造更好的工作环境;(3)采用可常压更换刀具设计:刀盘内部设计为中空,1 /3的刀具(轨迹覆盖掌子面)可以常压更换;(4)选择合适位置,及时常压对刀具进行检查更换,同时在复合地层中加强刀具磨损检测频率,避免出现刀具磨损后继需带伤作业;(5)确保盾构推进速度与出渣相匹配,减小地层中大颗粒在开挖舱中的堆积,避免刀具出现二次磨损;(6)全部滚刀均采用常压可更换设计,并能实现滚齿互换。

    2.14江中高水压、强透水地层长距离掘进风险

    南京长江隧道江中长126m的江中冲槽地段隧道顶面覆盖层厚度均小于14 m,不足1D,尤其是江中长30m范围覆盖层厚度仅为9 m,达不到0.7D,且上部水深达29m,隧道顶部覆土以宜液化粉细砂层为主,掘进断面为透水的粉细砂。

    武汉地铁8号线越江隧道盾构江中推进约1.5km。盾构隧道穿越江底浅覆土段,水压力较大,且浅部为松散粉细砂,透水性极强。隧道顶部距离最大冲刷包络线最小不足5m,长度约为400 m。在盾构掘进时需严格控制泥水的质量和泥水压力的设定,保证开挖面的稳定。在高压、富水、上软下硬复合地层中掘进,若盾尾密封失效将造成突泥、涌水、开挖面失稳坍塌等灾害性事故。

    提出如下应对措施: 

    (1)掘进过程中合理设置油脂注入量及注入压力,同时加强对油脂注入设备及油脂管路的检查,确保油脂腔始终处于饱满状态,确保尾刷安全;

    (2)控制好盾构姿态,确保盾尾间隙均匀。掘进过程中加强盾构姿态量测,勤测勤纠,避免大量的纠偏,杜绝急转急纠;

    (3)保证管片拼装质量,环缝平整度及纵缝张开量满足设计要求,避免出现大的错台; 

    (4)及时、足量注入保水性良好的水泥砂浆,在盾尾刷与水体间形成良好的隔离层,避免水压力直接作用在盾尾刷上。同时控制注浆压力,避免浆液击穿盾尾;

    (5)制定合理可行的盾尾刷更换及盾尾漏水专项处理应急预案。

    2.15江中冲槽浅覆土段冒顶、塌方风险

    南京长江盾构隧道在K5+988~K6+104 段,长126m的江中冲槽地段隧道顶面覆盖层厚度均小于14m,不足1D,尤其是K6+075~105段长30 m 范围覆盖层厚度仅为9 m,达不到0.7D,且上部水深达29 m,隧道顶部覆土以宜液化粉细砂层为主,掘进断面为透水的粉细砂。盾构机在高压平衡掘进过程中,极易发生掌子面失稳、地层隆陷、透水冒浆和局部扰动液化,施工技术难度和工程风险极大。

    本工程综合分析抛填与不抛填方法利弊,最终采用高黏度泥浆(漏斗黏度23~25 s)维护开挖面,控制开挖面泥水压力波动和泥浆流量,掘进过程中严格控制盾构姿态,确保注浆均匀充足,依照“优配泥浆质量、精细控制压力、严格控制姿态、强化参数匹配、平稳操控推进、快速管片拼装”的施工原则,迅速通过了江中浅覆土地段。

    3  结论

    本文回顾了国内外超大盾构发展历程,统计了超大直径盾构工程实例,针对某些典型工程案例进行重点分析,在盾构机选型风险、盾构机适应性改造、洞门密封泄漏与始发风险、江中带压开仓换刀风险、江中冲槽浅覆土段冒顶、塌方风险、穿越砂砾等复合地层风险的问题进行分析总结,提出对特定风险的针对性解决方法,对解决工程中所遇到的超大直径盾构技术难题具有重要的参考价值。

    4  展望

    从国内首条超大直径盾构隧道开始,中国14 m以上超大直径盾构数量已达25台,掘进里程累计超100 km。超大规模隧道工程的建设推动了新技术、新工艺、新材 料、新设备的引进、开发和应用。盾构法隧道在大直径、大深度、长距离和复杂地层掘进的应用技术在国内得到了长足发展。多条超大直径隧道工程的成功建成标志着我国在超大直径隧道建设领域内的技术已达到国际先进水平。

    从发展趋势来看,超大直径的城市道路隧道采用双层结构因断面利用率高而成为发展方向。单孔双层4车道和6车道已在国内外多项隧道工程中成功地得到应用。拟建中的白令海峡隧道工程将采用?19.2m盾构掘进机施工103km,在超大直径和超长距离盾构技术领域成为世界隧道工程史上的又一次新的挑战。


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