盾構(gòu)隧道淺覆土區(qū)域施工安全防范措施
2013-12-11
1 概述
xx水底隧道有五種主要的施工方法: 圍堤明挖法、氣壓沉箱法、巖鉆法、盾構(gòu)法和沉管法。盾構(gòu)法是修建隧道的一種重要施工方法, 尤其是在軟土地層中自從1843年第一條盾構(gòu)法隧道在倫敦泰晤士河下建成以來, 盾構(gòu)法隧道的設(shè)計和施工技術(shù)得到了很大發(fā)展, 出現(xiàn)了泥水加壓式和土壓平衡式盾構(gòu), 襯砌由鑄鐵轉(zhuǎn)向鋼筋混凝土或鋼材組成。
盾構(gòu)法施工的主要特點：可在盾構(gòu)的掩護下安全地進行土層開挖和襯砌的支護工作；進行水底隧道施工時, 不影響航道通航；盾構(gòu)推進、出土、拼裝襯砌等主要工序循環(huán)進行, 施工易于管理, 施工人員也較少；施工不受風雨等氣象條件影響。
盾構(gòu)法存在的一些問題是：當隧道曲線半徑過小時, 施工較為困難；在水下作業(yè)時, 覆土太淺則不夠安全；盾構(gòu)施工中采用全氣壓方法以疏干和穩(wěn)定地層時, 對勞動保護要求較高, 施工條件差；在飽和含水層中, 盾構(gòu)法施工所用的拼裝襯砌, 對達到整體 結(jié)構(gòu)防水性的技術(shù)要求較高。
2 淺覆土區(qū)域盾構(gòu)掘進時存在的安全問題
2.1 淺覆土易產(chǎn)生冒頂通透水流
為了減少線路的坡度，一般河底段覆土極淺。在淺覆土區(qū)域，在高水頭壓力情況下，大刀盤前方土壓平衡不容易建立。河水常從擾動土體的裂縫中經(jīng)大刀盤開口及盾尾進入盾構(gòu)機，造成盾構(gòu)淹水。這種機損人亡事故時有發(fā)生。
2.2 隧道上浮
水域下淺覆土中推進的盾構(gòu)，上下受到的力不均衡，盾構(gòu)姿態(tài)上揚，壓坡困難、隧道上浮，軸線難以控制。拼裝完成的隧道環(huán)脫開盾尾后，由于上部壓載及自重無法抵抗地下水引起的浮力使隧道上浮。如果不采取相應(yīng)加固對策，極易引起隧道局部開裂，漏水。
隧道穿越飽和土層，會受到水的浮力，當浮力超過隧道上覆土重量和隧道及隧道內(nèi)設(shè)備自重時，隧道將上浮。當管片脫離盾尾時，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，受到漿液的浮力比在飽和土中受到的浮力要大得多。同時，盾構(gòu)推進挖出土方導(dǎo)致地基卸載，拼裝好的隧道會受到地基回彈的作用向上偏離中心軸線。在浮力和地基回彈共同作用下，隧道上覆土產(chǎn)生隆起，若最大隆起值得不到有效控制，覆土層將被頂裂，產(chǎn)生透水裂縫，河水沿透水裂縫涌入盾尾將嚴重影響隧道和隧道施工的安全。
3 廣州地鐵三號線瀝～大區(qū)間盾構(gòu)淺覆土區(qū)域施工難點
廣州地鐵三號線瀝滘～大石北盾構(gòu)區(qū)間工程，共分為2個區(qū)間段構(gòu)成：大石北始發(fā)井~廈滘站，區(qū)間隧道長1429.791m；廈滘站~瀝滘站，區(qū)間隧道長1621.75m。共有2次xx。
其中，隧道在YCK13+780~YCK14+098處過三枝香水道，水道河面寬度約為300m。隧道包括左、右線各一條，采用2臺泥水加壓平衡盾構(gòu)機施工，先施工隧道右線，盾構(gòu)機由三枝香水道南岸往北岸方向推進，當右線盾構(gòu)推xx后，隧道左線由三枝香水道南岸往北岸方向推進施工。
隧道在過三枝香水道的斷面內(nèi)存在著強風化巖、中風化巖和微風化等粉砂質(zhì)泥巖的復(fù)合地層，拱頂以上主要為淤泥、淤泥質(zhì)細砂和粘土。xx段隧道總長約為312m，存在風化夾層，強度較高，巖體較為破碎，地表水與砂層及基巖裂隙水聯(lián)系較為密切，且隧道上方存在軟弱地層，對盾構(gòu)破巖能力及防冒漿的能力要求較高。盾構(gòu)機穿越三枝香水道，隧道洞身圍巖水文地質(zhì)條件受其影響較大。三枝香水道的水位主要受北江洪水和潮汐的影響，而且兩個相鄰的高潮或低潮的潮位和潮流歷時均不相等，一般歷年最高潮位多出現(xiàn)在汛期，最低潮位則 出現(xiàn)在枯期，漲潮歷時短，落潮歷時長，高潮平均水位為5.85m，低潮平均水位為4.33m。
隧道過三枝香水道是在YCK13+780~YCK14+098處，河面寬約312m。隧道洞身巖層全部為巖石全~微風化帶，地質(zhì)均勻，地下水亦較為豐富，且xx段覆土厚度較薄，土層軟弱，江中水壓較高，故盾構(gòu)掘進時風險較大。
三枝香xx段地質(zhì)條件復(fù)雜多變、風險極大，xx段覆土厚度較?。▋H為7.4m），江底780環(huán)到840環(huán)覆土厚度一般都在6～7米的范圍內(nèi)，即使是最厚處也僅有8.6米，略大于1倍盾構(gòu)直徑，地質(zhì)條件極差，上部為透水性差的砂質(zhì)土；840環(huán)附近風險最大，隧道頂部全部為穩(wěn)定性極差的淤泥層，容易塌方，盾構(gòu)機容易抬頭，稍有不慎，將導(dǎo)致噴涌、江底塌方、江水灌入隧道等重大安全事故，后果不堪設(shè)想。而且受潮汐等影響，隧道穩(wěn)定難度大。xx段是關(guān)鍵地段，直接影響到盾構(gòu)施工的成敗，為了保證盾構(gòu)機順利穿越難度極大的三枝香水道，在整個施工過程中必須運用信息化施工、控制隧道變形，并對盾構(gòu)掘進中的各類施工參數(shù)進行動態(tài)管理。
為確保xx成功，避免重大事故的發(fā)生，地鐵總公司多次組織國內(nèi)外著名地鐵盾構(gòu)施工方面的專家對《盾構(gòu)xx專項方案》的安全性進行審查、論證、分析和研究。經(jīng)過與會專家科學(xué)、嚴肅、認真地論 證，提出了“護頭保尾”、“xx監(jiān)測”、“作業(yè)預(yù)案”、“管片上浮監(jiān)測”等有針對性的意見。
施工單位在xx前對盾構(gòu)機進行了檢修保養(yǎng)并更換了刀具，避免了江底換刀的風險。在施工過程中，采用感應(yīng)器法和聲納法的監(jiān)測技術(shù)，保護了河道的安全。此外，還結(jié)合實際制定了xx應(yīng)急預(yù)案，確保萬無一失。
4 江底淺覆土區(qū)域盾構(gòu)掘進安全防范措施
4.1 防止盾尾漏漿（防漏）措施
?。?）提高同步注漿質(zhì)量與管理
每環(huán)推進前，對同步注漿的漿液進行小樣試驗，嚴格控制初凝時間，初凝時間為13～15秒。在同步注漿過程中，合理掌握注漿壓力，注漿出口壓力＝切口水壓+60～100KPa，使注漿量、注漿流量和推進速度等施工參數(shù)形成最佳匹配。
（2）加強盾尾艙的管理
在推進過程中，因設(shè)備故障和操作失誤往往引起切口水壓的波動，在每次調(diào)高切口水壓后，必須進行試推進，并安排專人觀察盾尾漏漿情況，確定無漏漿后再正式調(diào)高切口水壓，進行正常掘進。同時還應(yīng)注意盾構(gòu)機本身要增加盾尾刷保護及其嚴格控制盾尾油脂的壓注；在使用時對盾尾艙進行定期檢查，平均每30 環(huán)全面檢查一次；并且在管片拼裝前必須把盾殼內(nèi)的雜物清理干凈，以防對盾尾刷造成損壞。
?。?）盾尾漏漿對策
發(fā)現(xiàn)盾尾漏漿情況比較嚴重時，則配制初凝時間較短的雙液（A、B 液）進行襯砌（管片）壁后注漿，壓漿部位為后5~8環(huán)，并適當調(diào)低切口水壓，但調(diào)整量不大于0.5 Kg/cm2。若此時漏漿情況仍得不到有效控制，則在后6~8環(huán)處用聚氨酯進行壓注予以封堵。為了防止在隧道內(nèi)的漏漿和漏水、積水情況的發(fā)生，在隧道內(nèi)加大型抽水水泵，以備必要時使用。
4.2 防止江底地層沉降措施
（1）控制切口水壓穩(wěn)定性
在推進過程中，按設(shè)計值設(shè)定切口水壓，更重要的是還要根據(jù)推進時潮位的不斷變化情況對其進行相應(yīng)的調(diào)整。因此，在盾構(gòu)機推進過程中，要嚴格控制好切口水壓的波動范圍，一般控制在設(shè)定值的±5％以內(nèi)，以保證切削面穩(wěn)定。特別是在盾構(gòu)機穿越覆土厚度僅為7.48m的江中段時，應(yīng)采用手動控制切口水壓，并設(shè)定切口水壓值為120KPa。必要時采用人工調(diào)整施工參數(shù)，對開閉VE閥、轉(zhuǎn)旁路狀態(tài)時的切口水壓上、下限控制參數(shù)進行設(shè)定，并做好記錄。每天推進施工前，先檢查VE閥開、閉情況和PLC系統(tǒng)工作狀態(tài)。在確定系統(tǒng)對切口水壓上、下控制的工作情況良好的前提下，再進行正常掘進。同時擬定在設(shè)計隧道軸線就近進行潮位測量，平時每隔20min記錄一次潮位，在潮位變化較快的漲急、落急時段加密至10min，以保證潮位資料的準確性。
?。?）提高注漿量
若發(fā)現(xiàn)江底沉降量較大（>5cm）時，則適當?shù)脑黾油阶{量，必要時更要進行襯砌（管片）壁后補注漿。注漿量爭取達到理論建筑空隙的130%以上。
4.3 防止隧道上浮措施
?。?）嚴格控制盾構(gòu)機和管片姿態(tài)
在盾構(gòu)掘進過程中，加強隧道監(jiān)測是防止隧道上浮的積極措施，對盾構(gòu)機和管片進行姿態(tài)控制，能夠有效的控制隧道上?。?br />
a 對盾構(gòu)機的掘進方向進行自轉(zhuǎn)測量，自轉(zhuǎn)角度控制在0.3度；
b 利用千斤頂行程儀對千斤頂進行測量，并對測量數(shù)據(jù)作演算處理、方向修正值的解析和對千斤頂?shù)倪x擇；
c 測量垂直、平面位置，為了能準確測量盾構(gòu)機的位置，在每推進2環(huán)進行一次檢查和修正，不斷的將現(xiàn)行的位置設(shè)置在新 坐標的已知點上。盾構(gòu)機的垂直、平面偏差控制在±50mm以內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過大、過頻。推進時不急糾、不猛糾，多注意觀察管片與盾殼的間隙，以減少盾構(gòu)施工對盾尾密封效果的影響；
d 管片姿態(tài)須嚴格控制，高程和平面偏差控制在±50mm以內(nèi)，每環(huán)相鄰管片平整度控制在4mm以內(nèi)，縱向相鄰管片平整度控制在5mm以內(nèi)。
?。?）管片選型具體責任化
利用盾構(gòu)機的導(dǎo)向系統(tǒng)以及人工測量的方法，精確的測量出盾尾和最后一環(huán)管片之間的間隙值，該盾尾間隙值分別從上、下、左、右四個方向測出，在盾構(gòu)xx時，嚴格控制每一個值均要控制在＜40mm，然后把測得的數(shù)據(jù)結(jié)合導(dǎo)向系統(tǒng)的隧道線路數(shù)據(jù)，從而選擇下一環(huán)的管片類型，確保管片姿態(tài)跟隨盾構(gòu)機的姿態(tài)，并與盾構(gòu)機盡可能的在同一條軸線上。
（3）提高同步注漿質(zhì)量
提高注漿與盾構(gòu)推進的同步性，使?jié){液能及時充填建筑空隙，同步注漿的位置在第四環(huán)管片的11點和5點、1點和7點的位置，具體注漿的順序可根據(jù)對管片測量的結(jié)果來確定，當注漿充填量＜110%時,采用二次補壓雙液注漿的措施，補壓漿要求均勻，壓漿后漿液成環(huán)狀，注漿范圍5～8環(huán)。
4.4 防止形成泥餅
（1）中央控制室人員強化責任制
通過現(xiàn)有的地質(zhì)資料，詳細預(yù)先分析泥餅形成的可能地段，并在盾構(gòu)掘進至該地段時，要求中央控制室人員嚴格監(jiān)測盾構(gòu)機的各種參數(shù)，若發(fā)現(xiàn)有異常情況（排泥比重增大、流量減少，送泥壓力增加和推力、扭矩的變化情況），及時判斷有無形成泥餅。
（2）嚴格控制操作規(guī)范
嚴禁單純?yōu)榱诉M度，實行野蠻操作，嚴格按操作規(guī)范科學(xué)合理地進行中央操控，在掘進時，特別是在泥餅形成的可能地段，需控制好泥漿的比重，以防止降低泥餅的形成。
?。?）技術(shù)措施
如發(fā)現(xiàn)有異常苗頭，應(yīng)及時降低泥漿比重并利用高壓水進行沖擊，及時降低泥餅形成的機會，并化解已初步形成的泥餅。
5 結(jié)束語
淺覆土區(qū)域施工是盾構(gòu)xx隧道工程成敗的關(guān)鍵，制定嚴密的施工方案，加強施工過程的信息化管理，并重點控制防漏、防沉、防浮和防磕等四個方面，可以確保淺覆土段施工的安全。2004年7月17日廣州地鐵三號線線瀝滘～大石北盾構(gòu)區(qū)間工程順利穿過三枝香水道，近30天的施工過程中沒有出現(xiàn)重大安全問題。此次盾構(gòu)穿越三枝香水道難度之大、速度之快實乃全國罕見。瀝～大區(qū)間盾構(gòu)工程左線和右線要兩次xx，此次成功xx為下一階段盾構(gòu)穿越517米寬的南珠江水域打下了良好的基礎(chǔ)，也對三號線2006年全線開通具有十分重要的意義。
