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                                      填海區復雜環境下地鐵盾構施工技術

                                      鐘國輝
                                      (廣東省基礎工程集團有限公司
                                      1工程及地質概況
                                          深圳地鐵2號線土建2203標段項目,建設場地于2002年后由填海而成,屬新近填海區,早期處于海水之中,場地原始地貌為大沙河三角洲及海灘或海沖積潮間帶,后采用吹砂或填土石等方法填海造陸;場地第四系砂層厚度大,含水性好,地下水位較高,補給來源豐富,海潮引起的動壓水對盾構施工影響很大;地鐵區間隧道多處穿越建筑密集區,穿越濱海大道,穿越填海區以及巖層起伏較大、地層軟硬不均、局部存在微風化球狀體的地層;局部隧道位于全斷面淤泥和砂層,地層穩定性差。本標段包括兩站兩區間,即登良站、登后區間、后海站、后科區間(如圖1),兩區間隧道采用盾構法施工,隧道內徑5.4m,兩區間各設1座聯絡通道和廢水泵房,聯絡通道采用礦山法施工。
                                       
                                         根據鉆探資料揭示,覆土表層為人工填筑的素填土(或石、砂),其下為第四系全新統海積淤泥、礫砂(含淤泥)、沖洪積粘土、礫砂,第四系上更新統沖洪積淤泥質粘土、粘土、礫砂,中更新統殘積礫(砂)質粘土,下伏基巖為燕山期粗;◢弾r。場地地下水主要由松散土層孔隙潛水和基巖裂隙水組成,其中孔隙潛水主要賦存在第四系全新統粗砂(含淤泥)、礫砂,上更新統礫砂層中,此外粘性土、殘積礫(砂)質粘性土、全風化巖也有賦存。地下水位埋深1.7~3.9m,水位高程-0.78~1.05m。地下水主要補給來源為大氣降水,其排泄以徑流為主,場地原始地貌為濱海潮間帶,現已填海造地。
                                      2填海區復雜環境下盾構施工技術
                                      2.1盾構選型
                                          區間隧道穿越的地層為填海區工程地質及水文地質異常復雜的地層,既有全斷面礫砂層,又有礫砂與礫質粘土混合的地層,局部存在中微風化粗;◢弾r,因此對盾構選型進行了如下綜合考慮:
                                          ⑴盾構敞開式和閉胸式比選。根據地層自穩性差且對地表沉隆要求較高,選擇閉胸式盾構機。
                                          ⑵土壓平衡盾構與泥水平衡盾構的選擇。對隧道洞身范圍內的土質及其滲透水性進行分析,結合盾構掘進中平衡模式與地層滲透系數的經驗關系圖,同時考慮其他各方面施工條件因素的影響,確定本標段地層選擇土壓平衡盾構優于泥水平衡盾構。
                                          ⑶刀盤設計及刀具配置。在掘進填海區特殊地層時,既會碰到硬巖地層也會碰到軟巖地層,更有可能是上軟下硬的地層,所以刀盤設計需要重點考慮重載時刀盤的剛度和強度。根據廣深地區的施工經驗,結合本標段特殊巖層,刀盤設計成面板式,刀具種類包括中心雙刃滾刀、單刃滾刀、中部小刮刀、邊緣刮刀等。
                                          ⑷螺旋輸送機、渣土改良系統、加壓系統的適應性選擇。為有效防止噴涌現象的發生,選擇了中心軸式螺旋,增加了螺旋帶的耐磨強度,同時增大了螺旋機直徑和扭矩,既滿足了盾構快速掘進的要求,又能有效防止大塊的粗;◢弾r卡死螺旋機現象的出現。渣土改良系統解決了應對各種地層獨立注入泡沫劑、膨潤土、聚合物、分散劑等各種材料的要求,加壓系統滿足在特殊情況下需開倉檢查、更換刀具的帶壓進倉作業的要求。
                                          ⑸對幾項重要參數的復核計算。根據地質的各項物理力學參數,按照最不利情況對盾構機推力、扭矩、出土能力、同步注漿能力進行了復核計算,確保最不利情況下盾構能順利掘進。
                                      2.2盾構掘進參數控制
                                          區間隧道穿越的地層為填海區富水動水砂層,地下水水頭高,滲透系數大,大部分地段為軟硬交界面復雜地層;在隧道穿越的上覆層存在3~8m填石層,因此對盾構掘進參數采取了如下控制技術:
                                          ⑴掘進參數的計算分析
                                          a.土倉壓力:土倉壓力控制值主要受地下水壓力及隧道埋深的影響,土壓越高,推力越大,此類地層噴涌的幾率也越高。由于基巖段進行了適當加固,使地層具有一定的自立性,并在盾構掘進的同時,隧道兩側進行降水,將地下水位盡可能降低并保持穩定,所以土場壓力計算的理論值我們根據現場實測地下水位取值,并略為提高。
                                          b.扭矩:刀盤扭矩一般情況下主要受設備性能控制,但是實際操作中需與地層情況相協調,本工程根據經驗數據并保守考慮不大于2000kN·m。
                                          c.推進速度:根據勘察情況基巖面突入隧道開挖限界最大3.8m,盾構開挖限界6.28m,取堅硬巖在掌子面面積占比60%,軟弱地層在掌子面面積占比40%;考慮前期砂層掘進速度取60mmmin,根據調查類似強度全斷面硬巖掘進速度取15mmmin,刀盤轉速1rabmin,IAB=[IA(aIA+bIB)]IA=11mm。
                                          d.參數分析:土壓盾構需要控制的參數主要包括掘進模式、土艙壓力、刀盤轉速、推進速度、泡沫用量、注漿壓力及注漿量等,在初始掘進期間,根據理論數據和以往經驗設定相關參數,再根據地表監測數據和推進效率對初始參數進行適當調整,使之適應于盾構施工。始發時,受始發平臺、反力架的限制,推力不宜過大,為保持洞門周邊地層的穩定,同時因土體已經加固,可降低土壓力,以欠壓模式推進。穿過加固體后,在確保洞門圈穩定的情況下,參照地面沉降監測結果,逐步調高土艙壓力至合適數值。
                                          ⑵主要掘進參數的確定
                                          a.土倉壓力:當土質滲透系數較大時,土艙壓力可采用水土分算,即P0=Pc+Pw=K(0g′H+q)+rwH,式中Pc為土壓力;Pw為水壓力;K0為土的有效內摩擦角,K0=1-sinj′;H為盾構工作面中心處深度;g′為土的有效重度;q為地面超載。當土質滲透系數較小時,土倉可以采用水土合算,即P0=K0gH,式中g為土的飽和重度。后科區間右線因土質滲透系數較小,主要參照水土合算,同時根據左線經驗,應適量調低理論數據。
                                          b.掘進模式選擇:后科左線需要過濱海大道等重要建(構)筑物,在此期間選擇土壓平衡模式掘進,控制地表沉降,過濱海大道后荒地段可以采用氣壓輔助模式推進。
                                          c.出土量控制:理論出土量為pD2L4=46.4m3環,砂質粘性土的松散系數在1.1~1.3之間,盾構推進出土量控制為51~60m3環。
                                          d.推進速度:砂質粘性土地層中正常推進速度在2~4cmmin之間,過低則應分析原因,避免盲目掘進導致刀盤刀具的損壞等意外事故發生。
                                          ⑶盾構掘進的技術措施
                                          a.在不同地層采用不同的掘進模式,有利于消除土艙及刀盤泥餅,提高推進效率;
                                          b.土倉壓力采取設定掘進速度、調整排土量或設定排土量、調整掘進速度兩種方法建立,并應維持切削土量與排土量平衡,以使土倉內壓力穩定平衡。
                                          c.盾構機的掘進速度主要通過調整盾構推進力、轉速(扭矩)來控制,排土量則主要通過調整螺旋輸送機的轉速來調節。在實際掘進施工中,應根據排出的碴土狀態,以及盾構機的各項工作狀態參數等動態調整優化,通過碴土改良措施增加碴土的流動性和止水性。
                                          d.通過理論分析計算,采取了低轉速、低貫入度、低扭矩等掘進參數,同時在施工過程中根據實際地質情況和地面監測數據不斷局部調整各項掘進參數,采取對應的施工控制技術措施,以及結合盾構施工遠程實時監控系統,對盾構施工中各系統的參數進行嚴密監控,在掘進過程中合理控制參數,成功實現了一次性成功通過長38.4m的基巖隆起段,在隨后的刀具檢查中未發現非正常損壞或磨損超限的情況。
                                      2.3刀盤刀具配置及換刀技術
                                          ⑴刀盤設計S-471盾構機刀盤是海瑞克公司專門為本段區間地層設計的,適用于軟土地層,其主要特點如下:①刀盤、刀具有專門耐磨保護,例如刀盤面上焊有hardox板,外圈上有耐磨格條(如圖2),盾構機出洞后發現刀盤面并無多大磨損,只是耐磨格條磨損了部分,真正起到了保護刀盤的作用;②大碴土出口利于碴土流動,28%的開口率,保證切削下的碴土能順利地進入土倉,不在刀盤正面滯留過久,造成刀盤、刀具的過多磨損;③4條獨立的泡沫注入管(刀盤上有8個泡沫噴嘴),刀盤切削土體時注入泡沫用于碴土改良以降低刀盤及刀具的磨損,如后科區間右線完成掘進后,共用泡沫劑25罐,降低刀具的磨損量。
                                       
                                          ⑵刀具配置S-471盾構機在后科區間右線掘進前刀具配置為:中心5把貝殼刀+1把羊角刀、刀盤面上14把滾刀、輻臂1、3、5、7上共64把小刮刀、刀盤邊緣上內外各16把邊緣刮刀。
                                          ⑶刀具磨損情況和換刀位置預測經過半個區間的掘進(約610m),后科區間右線范圍內刀盤切削的土層以〈8-2〉、〈8-3〉砂質粘性土為主,又由于在切削素連續墻時造成刀盤正面齒刀和小刮刀(大半徑處)刀頭的磨損,到聯絡通道開倉檢查刀具時發現10把正面齒刀和內16把邊緣刮刀刀頭部分已基本磨蝕,6把中心羊角刀尚無較大磨損,部分輻臂上靠外的小刮刀磨損較嚴重,如圖3所示。
                                       
                                          ⑷切割樁底部、拔除剩余鋼板樁因35t履帶吊的起吊高度有限,不可能一次性將鋼板樁拔出地面,第1次拔除鋼板樁盡可能按12m長控制,超過12m長的部分再進行第2次拔除。拔出鋼板樁后,采用氧割在溝槽以上20cm位置割除,以方便作業為原則。
                                          ⑸拔除下一根鋼板樁遵循以上施工步驟⑵~⑷,直至將全部樁拔除為止(與B區相連的一側暫不拔除,作為B區基坑支護的一部分)。
                                          ⑹樁孔回填拔除一部分樁后應及時回填樁孔,采用人工回填砂,考慮樁孔較小,可采用水灌砂的方法進行回填;靥钔戤吅髮㈤_挖的溝槽繼續回填、平整,再用人工打夯機多次夯實地面。
                                          ⑺設置A區鋼板樁拔起便道,目前A區周邊及頂板已回填土方,場地條件滿足35t履帶吊機行走,局部場地狹窄,履帶吊機一側需要頂板上的覆土面行走時,應覆土面上鋪設鋼板(1200×4000×20),減小頂板的壓應力,保證頂板安全?拷嚨酪粋茸鳂I時,需要聯系有關方面,暫時借用相鄰混凝土路面作為履帶吊機的臨時作業面。
                                          經開倉換刀,將中心5把羊角刀更換為中心貝殼刀(10#~12#未更換);10把正面齒刀均更換為雙刃滾刀,其中19#~20#、29#~31#兩把更換為海瑞克公司生產的雙刃滾刀,另外8把更換為武漢產帶合金粒雙刃滾刀,此外還更換了5把內邊緣刮刀和9把小刮刀。按照整體策劃,選定在聯絡通道位置進行開艙換刀,可以滿足掘進需要。始發前實際測量刀盤各刀具的有效長度,并編號記錄;推進過程中注意泡沫等添加劑的有效使用,降低刀具的磨損,在當前軟土地層中,可確保刀具有效使用到目前預定開艙位置;在開艙位置實測各刀具的長度,確認本地層對刀具的磨損量,預測下次換刀位置,判斷是否需要再次換刀。區間右線采用滾刀為主進行掘進后,經過400環推進,順利切削掉聯絡通道加固處的素連續墻,開艙后發現海瑞克滾刀有明顯偏磨,鑲合金滾刀均勻磨損,換刀位置預測準確,實施效果良好。
                                      2.4下穿交通主干道及建筑群地段盾構控制
                                          登后區間左右線隧道上軟下硬,存在雜填土、淤泥質粘土和礫砂層等不穩定地層,這種土層主要分布在洞頂部位且厚度變化很大,掘進時如果控制不當(土倉壓力)易導致土體坍塌變形。登后區間尚有2個排水渠和3個污水管涵,所處地層均為軟弱地層,土體的坍塌變形會影響地下排水渠和污水管的安全。后科區間則全斷面在礫(砂)質粘土層中掘進,隧道埋深較大,洞頂地層較穩定,且變化較小。隧道上方臨近濱海海濱立交,穿越濱海大道除此之外無重要建(構)筑物臨近隧道。隧道施工時主要應防止隧道坍塌和失水引起地面過大的沉降而對建筑物造成損壞,采取相應的技術措施。
                                      3結語
                                          本項目的鋼板樁拔除施工工期共20d,共拔除拉森型鋼板樁612根,平均每天完成拔樁約31根。鋼板樁在拔樁過程中也發生了樁身加強板扭曲等現象,但總體來說施工還是較為順利。通過本項目施工實踐,對于超長鋼板樁拔除的施工總結出一些施工經驗,可供同類項目參考。5.1對于樁側摩阻力的計算,入土深度最大的樁受到的側摩阻力并非一定是最大的,它跟樁所處的地質以及該地質下各土層分層的厚度有關。因此要對整個鋼板樁區域內,凡是有鉆孔柱狀圖的,其附近入土深度最大的樁都應進行樁側摩阻力計算,比較選出最大樁側摩阻力。側摩阻力僅是表示樁側受土體的摩擦力大小,而鋼板樁的實際受力應根據現場實際情況,如土體的擾動情況、樁鎖口與鄰樁鎖口之間的摩阻力等進行綜合分析,才能得出最終的抗拔力值。
                                          5.2對于機械設備選型,在技術方面拔樁設備必須滿足抗拔力的要求,同時起重設備應達到拔樁所需的高度;在經濟方面需要綜合考慮拔樁時機械臺班費用及人工費用,做到滿足安全與質量的前提下,費用最低。
                                          5.3拔樁過程根據沉樁時的情況確定拔樁起點,拔樁的順序最好與打樁時相反。某些樁在有兩根鄰樁的情況下起吊力加載至額定值仍未能拔起,拔起后大多是樁的鎖口發生嚴重變形扣死,甚至在樁尖位置的樁身被拉扁,其解決方法是先拔除鄰邊的樁,讓該樁只有1根鄰樁時拔除或使其成為單根樁的形式后再進行拔除。
                                          參考文獻:中國知網

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