卵石地层中盾构下穿盾构隧道的设备改造及施工控制

马文辉, 杨成永, 彭 华, 程 霖, 刘君伟, 王永刚

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院, 北京 100044; 2.北京京港地铁有限公司, 北京 100068;3.中铁一局集团有限公司北京分公司, 北京 100176)

0 引 言

盾构法在北京地铁施工中得到了广泛应用, 随着地铁网络规模的扩大, 盾构施工穿越既有地铁隧道的案例逐年增多。北京的地层以东部的粉质黏土地层和西部的卵石地层为典型代表, 卵石地层中的盾构选型至关重要, 尤其是刀盘型式和刀具布置尤为关键[1]。

学者们针对土压平衡盾构选型及盾构施工对周边建筑物影响规律开展了一定研究: 陈学军等[2]以深圳地铁2号线盾构穿越滨海大道施工为背景, 采用数值模拟方法预测了地表沉降规律, 提出了控制盾构土仓压力、推进速度、掘进姿态和注浆参数等措施; 江华等[3-4]以北京大粒径砂卵石地层盾构施工中现场试验数据为基础, 研究了盾构掘进效能、关键参数的地层适应性及刀具磨损情况; 冯欢欢等[5]以大连地铁2号线盾构施工为依托, 论述了复合硬岩地层长距离小半径掘进时的盾构选型和盾构始发技术; 晏启祥等[6]以成都地铁工程大规模穿越市域富水砂卵石地层为背景, 总结了盾构选型和道具配置的对策;侯凯文等[7]以南宁地铁2号线穿越上软下硬地层及岩溶地层等复杂地层施工为背景, 研究了土压平衡盾构动力设备及刀盘、刀具选型, 提出了优化螺旋输送机、同步注浆的设计方案; 王国富等[8]以兰州地铁1号线富水大粒径砂卵石地层盾构试验段施工为背景, 从盾构掘进参数、施工难点及监测数据等方面对比了泥水平衡和土压平衡两种盾构工法的不同及盾构选型依据; 王全华等[9]以苏州地铁2号线盾构隧道穿越黏土、粉细砂地层施工为背景, 从安全性、适应性等方面出发, 比选了加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构; 周帅等[10]以成都地铁3、7号线为背景, 修正得到了预测砂卵石地层盾构施工影响下地表沉降的经验公式; 王呼佳等[11]以佛山地铁2号线盾构穿越淤泥质土及粉细砂地层施工为背景, 研究了地表沉降规律。 然而针对北京地区卵石地层条件下盾构选型和穿越施工对既有盾构隧道影响方面的研究鲜有报道。

基于此, 本文依托在北京西部典型卵石地层中的地铁16号线双线盾构近距下穿既有4号线盾构隧道工程, 讨论了卵石地层盾构机的选型设计, 分析了双线盾构先后穿越施工影响下既有隧道的沉降规律, 总结了控制沉降的盾构施工参数经验, 为类似工程提供参考。

1 工程背景

新建地铁16号线西苑站—万泉河桥站为双线盾构区间, 自西苑站向南沿万泉河快速路下敷设, 以向下25‰的坡度下穿既有地铁4号线盾构隧道。如图1所示, 地铁4号线隧道外径6.0 m, 管片厚0.3 m, 左右线间距14.5 m, 覆土13.5 m。16号线隧道外径6.4 m, 管片厚0.3 m, 左右线间距17.0 m,覆土23.7 m。

图1 穿越施工平面图Fig.1 Planar graph of traversing construction

如图2所示, 既有隧道位于⑥2粉质黏土层， 而盾构施工穿越了卵石层, 卵石最大粒径100 mm, 一般粒径40～60 mm, 粒径大于20 mm的颗粒含量为总质量的65%～75%, 亚圆形, 母岩成分主要为石英砂岩、灰岩、安山岩、白云岩, 中粗砂充填, 夹粉细砂⑦2透镜体。卵石层与粉土、泥岩等相比, 力学性质不稳定, 卵石颗粒流塑性差导致土压平衡不易控制, 盾构机刀盘、刀具易磨损。

图2 地质剖面图Fig.2 Geological section map

穿越段的盾构隧道平面曲线半径为350 m, 而盾构在卵石地层中小半径掘进时, 隧道轴线控制难度大、纠偏困难, 管片容易出现位移、侵限、错台和破损, 地面容易产生较大沉降。在此背景下, 既要实现盾构4.0 m近距施工下穿既有隧道, 又要确保既有地铁运营安全, 可谓难上加难, 由此可见， 盾构机的选型和施工参数的控制极其重要。

2 盾构机的选型设计

施工所采用的土压平衡盾构机曾承担南宁地铁1号线某标段的施工作业, 其技术参数适合粉土、泥岩等地层的掘进。为了使盾构机适应卵石地层的掘进, 盾构机整体性能需要改造提升, 盾构刀具类型、刀盘开口率、主驱动功率、渣土改良、密封性能需要重新设计改造。

2.1 刀盘及刀具布置

为了适应Φ6 400 mm管环, 盾构机的前盾、中盾、尾盾和铰接密封、盾尾刷等盾体附件重新制造, 其中前盾直径Φ6 650 mm, 中盾直径Φ6 640 mm, 尾盾直径Φ6 630 mm。辐条刀盘开挖直径为

Φ6 680 mm, 为了改进刀具的布置及受力, 选择六牛腿、六辐条结构, 以提高结构强度、刚性和耐磨程度。同时刀盘的开口位置在盘面上均匀布置, 开口率由40%提高至60%, 以提高渣土流动性, 便于进渣和土仓压力向开挖面传递, 从而减少刀具的磨损。由于卵石对刀盘磨损较大, 刀盘面板及外圈梁采用耐磨复合板覆盖, 耐磨性能优于HARDOX500板; 未焊接区域、大圆环的前端以及搅拌棒表面焊接耐磨网格; 刀盘圈梁靠近切口环处镶焊保护刀具, 增强耐磨性能。面板有4个泡沫改良口、2个膨润土改良口和2个磨损检测点。

如图3所示, 刀具采用牙形交错排列方式分4层布置, 使得切削轨迹布满开挖全断面, 切削效率高, 刀具的使用寿命增大, 更换次数减少: 第1层, 刀盘中心1把鱼尾刀, 高度400 mm; 第2层, 刀盘正面及边缘区域布置38把焊接撕裂刀, 其中两把刀具高度240 mm, 其余高度175 mm; 第3层, 刀盘正面及边缘区域布置17把焊接撕裂刀, 高度145 mm; 第4层, 刀盘正面及边缘区域布置刮刀, 60把正面刮刀采用宽250 mm的重型刀, 而6把边刮刀高度130 mm。同时配置1把仿形超挖刀, 超挖量55 mm。

图3 刀具布置Fig.3 Layout of shield cutter heads

2.2 主驱动设计

盾构机主驱动继续使用Φ3 061 mm主轴承的原主驱动, 但为了提高盾构机在卵石地层中的脱困性能和防水性能, 新增了1组发动机和1组减速机, 达到9组发动机, 额定扭矩由6 000 kN·m提高至6 650 kN·m, 脱困扭矩由7 200 kN·m提高至8 100 kN·m, 最高转速3.35 r/min; 同时增加主驱动外密封至4道, 内密封至3道。

2.3 螺旋输送机设计

螺旋机继续使用内径800 mm轴式叶片的原螺旋机, 螺距630 mm, 最大出渣尺寸Φ300 mm×560 mm, 最大扭矩210 kN·m, 最高转速25 r/min。

为适应卵石地层的长距离掘进, 提高螺旋机耐磨性能, 螺旋轴取土端的外壳焊接耐磨合金条, 螺旋叶片边缘焊接硬质合金块, 叶片受渣土摩擦的一侧堆焊接硬质合金条纹, 如图4所示。

图4 螺旋输送机耐磨设计Fig.4 Wear resistant design of screw conveyor

2.4 泡沫系统设计

对于卵石地层, 仅凭加泥措施改善切削土体的流动性, 盾构机刀盘容易磨损, 甚至堵塞, 不能正常掘进; 而如果增大加泥量, 则会降低掘进效率, 延长施工周期, 很难达到最佳效果。为此, 盾构机增添4路单喷口泡沫注入系统, 注入能力为300 L/h。泡沫系统采用单管单泵方式, 每路泡沫均可独立工作, 不受土仓压力和管道阻力的影响。泡沫采取预混合方式, 增强发泡效果, 降低泡沫消耗量。

2.5 同步注浆系统设计

如图5所示, 除了常规的两侧布置4用4备注浆管外, 针对卵石地层, 盾尾上方增设了2根注浆管, 使注浆管达到4用6备, 注浆能力为20 m3/h。

图5 注浆管布置Fig.5 Layout of grouting pipes

充足的注浆管路适用于渗透性大的地层, 通过直接的拱顶同步注浆, 减小甚至抑制工后沉降。

盾构每环掘进将形成的理论空隙计算公式为

V空=π(D2-d2)×L/4,

(1)

式中:V空为每环管片的理论注浆量,m3;D为刀盘直径,m;d为管环外径,m;L为环宽,m。

每环同步注浆量

V浆=K×V空,

(2)

式中:V浆为同步注浆量,m3;K为注浆系数。考虑到卵石地层渗透性大,为更好地控制地面沉降,避免盾构漏浆,K取1.8, 即每环注浆量取理论注浆量的180%, 即6.21 m3。盾构机通过设计改造, 主要参数见表1。

表1 盾构机参数Table 1 Shield machine parameters

3 盾构施工参数控制及施工效果

3.1 参数控制

为了实时掌握穿越施工影响下既有隧道的变形规律及趋势, 及时判断风险, 既有隧道侧壁布置了16组自动化沉降监测点, 如图6所示。

图6 监测点布置Fig.6 Arrangement of monitoring points

新建左线盾构第196环(2016-05-21T16:32)～第246环(2016-05-26 T01:50)和右线盾构第179环(2016-06-05 T 08:45)～第229环(2016-06-10 T 12:00), 各50环(图1), 先后完成穿越施工影响范围内的施工。

既有隧道侧壁上的Y5、Z5、Y3、Z3等4组监测点的数据绘制成沉降曲线如图7所示, 其变形规律较为一致: 在盾构到达前, 既有隧道因其周围土层受到扰动, 即产生上浮或沉降; 在盾构穿越过程中, 变形量最大; 在盾构穿越结束后, 受盾尾建筑空隙以及注浆充填质量影响, 略有波动沉降趋势。受盾构施工参数变化的影响, 既有隧道变形程度存在差异, 同时既有隧道会随双线盾构先后穿越施工而产生明显的二次沉降。

盾构施工中, 通常通过顶推力和土仓压力的调控, 平衡刀盘前方水土压力, 维持掌子面稳定[11], 减小施工对周边环境的扰动。与此同时, 盾壳与管片间存在有建筑空隙, 通常通过同步注浆量和注浆压力的调控, 确保空隙充填密实, 以减小在管环推出盾尾后, 空隙引起的土体沉降。

选择既有隧道变形较为剧烈的左线盾构施工阶段作为分析对象, 绘制顶推力、土仓压力和注浆参数曲线如图8—10所示。结合图7， 不难发现, 盾构机到达前, 在顶推力和土仓压力的挤压作用下, 既有右线隧道产生了0.75 mm上浮。随后, 土仓压力略有减小, 而顶推力的均值从9 600 kN迅速降低至9 400 kN以下, 相应的既有左线隧道的前期上浮程度小于既有右线隧道, 仅为0.33 mm; 同步注浆量和注浆压力均有提高, 既有左线隧道工后阶段的沉降为0.12 mm, 小于既有右线隧道工后阶段的沉降0.29 mm。穿越施工中, 盾构机主要的施工参数见表2。

图7 隧道沉降曲线Fig.7 Settlement curves of existing tunnels

图8 既有隧道施工顶推力曲线Fig.8 Jacking force of the existing tunnel construction

图9 既有隧道施工土仓压力曲线Fig.9 Soil pressure of the existing tunnel construction

图10 既有隧道施工注浆参数曲线Fig.10 Grouting parameters of the existing tunnel construction

表2 既有隧道施工参数Table 2 Construction parameters of the existing tunnel construction

盾构穿越施工结束后, 在穿越影响范围内, 通过管片注浆孔向周边地层径向补浆。补浆浆液采用了水泥-水玻璃双液浆, 补浆时根据地层条件添加外加剂, 调节浆液可注性和凝结时间, 使得土层有良好的均匀性和自立性, 渗透系数小于1.0×10-6cm/s, 无侧限抗压强度大于0.8 MPa, 由此进一步抑制了既有隧道的工后沉降。

3.2 施工效果

通过盾构机针对性地设计改造, 实际施工中刀具切削能力好, 刀盘性能稳定, 掘进中未进行换刀作业。在盾构机接收后, 刀具磨损情况也不严重, 个别刀具更换后即满足继续施工要求,同时,实际施工中未出现大粒径卵石颗粒将螺旋输送机卡死的现象。

施工结束后, 采用地质雷达探测了穿越段管环背后地层密实度, 没有发现明显的疏松和空洞异常, 表明施工中的注浆和补浆效果较为理想。

通过盾构穿越施工中参数的调控, 以及施工结束后的径向补浆, 既有隧道最大沉降为1.91 mm, 确保了地铁的安全运营。

4 结 论

结合北京典型卵石地层中, 地铁盾构施工下穿既有盾构隧道的工程实例, 阐述了盾构机的选型设计, 结合穿越施工影响下既有隧道沉降规律, 讨论了控制沉降的盾构施工参数经验, 得到如下结论:

(1)为保证盾构在卵石地层中顺利施工, 盾构机需通过刀盘、刀具、螺旋输送机的设计改造提高掘进和耐磨性能, 通过主驱动及其密封系统的改进提高脱困和防水性能;

(2)既有隧道沉降可明确分为“盾构到达前”、“穿越过程中”和“穿越结束后”3个阶段, 受双线盾构先后穿越施工的二次影响显著;

(3)盾构施工参数应根据监测数据实时调控, 及时调整顶推力、土仓压力可有效地避免既有隧道在盾构到达前上浮; 适当提高同步注浆量及注浆压力可确保注浆质量, 结合穿越结束后的径向补浆可有效地减小工后沉降。