复合地层中盾构过江风险及对策.pdf

广东建材 2 0 0 8 年第 6 期图 2右线新造海地质剖面图图 1左线新造海地质剖面图4#联络通道及废水泵房里程Z C K 2 2+8 7 9.0 0 03#联络通道里程Z C K 2 2+3 7 5.0 0 0新造海4#联络通道及废水泵房里程Z C K 2 2+8 7 9.0 0 03#联络通道里程Z C K 2 2+3 7 5.0 0 0新造海广州地铁 4 号线首通段盾构需四过珠江，分别过黄浦涌、仑头海、官洲河及新造河，4 号线盾构过江参建技术人员通过地铁 2 号线盾构过江出现的事故案例和风险。对盾构过江进行充分的风险分析，先后两次邀请国内知名专家对盾构过江方案进行审查，制订了风险对策，建立了工程过江风险清单。本文以风险清单为基础，结合盾构过新造海过程中遇到的问题及处理对策，对盾构过江风险进一步论证，为以后广州地铁工程盾构过江积累了宝贵经验。1 盾构过新造海工程概况盾构要成功穿越新造海，不但要面对新造海段水压力大、隧道覆土厚度变化大、洞身范围内地层软硬不均、变化频繁，盾构机在江底掘进容易扰动地质，出现江底塌方、涌水灾害的风险。隧道中 混合花岗岩地层，强度高，石英含量大，刀具磨损快，要频繁换刀给施工安全带来较大的风险。1.1 新造海底地质条件新造海位于里程 Z(Y)D K 2 2+3 6 3 Z(Y)D K 2 2+8 7 4）范围内，平面设计为直线，剖面分别设计了 4.2 1、3 3.9 的两个纵坡。新造海段隧道顶部覆盖土层较复杂，覆盖地层有淤泥、淤泥质黏土 与 、粉细砂 、中粗砂 、砂质粘性土 、砂质粘性土 、混合岩全风化 、地层，隧道洞身范围内主要为砂质粘性土 5 Z 2 、混合岩全风化 6 Z 、混合岩强风化 7 Z 、混合岩中风化 8 Z 、混合岩微风化9 Z 地层（详见图 1 和图 2），实际施工中发现勘测不够准确，新造海区间地质揭示 9 Z 混合岩约占 3 0%，给盾构在海底施工增加了很大的难度。1.2 工程选用的盾构设备本工程两台盾构机由于是不同厂家制造生产，其刀盘外形及刀具布置形式都不一样，海瑞克盾构机刀盘直径为 6 2 8 0 m m，刀盘开挖直径为 6 3 0 0 m m，刀盘开口率3 1%，刀盘进渣口 8 个；刀盘配置中心刀 4 把，单刃滚刀3 1把，滚刀直径 1 7寸，滚刀伸出刀盘面的高度为1 7 5 m m，齿刀 6 4 把，齿刀伸出刀盘面的高度为 1 4 0 m m，刮刀 8 把，超挖刀 1 把；另一台日本小松盾构机刀盘直径为 6 2 0 0 m m，刀盘开挖直径为 6 2 1 0 m m，刀盘开口率4 0%，刀盘进渣口 1 2 个；刀盘配置中心刀 8 把，单刃滚刀2 0 把，滚刀直径 1 7 寸，滚刀伸出刀盘面的高度为 1 1 0 m m（为保护刀盘刀座，在刀盘表面加焊钢板保护，降低刀具伸出高度），齿刀 1 0 6把，齿刀伸出刀盘面的高度为7 5 m m，刮刀 3 6 把，先行刀 3 0 把。2 盾构过江中出现的风险及措施2.1 盾构过江施工存在的风险及对措盾构过江施工存在的风险、风险因素及施工对策如表 1 所示。两台不同的盾构过江，在江底施工出现的风险各不相同。右线海瑞克盾构在江底较顺利克服了新造底岩层硬度高对刀具磨损大，地下水极为丰富掘进中喷渣严重的困难，经过 7 7 天顺利地穿过了新造海。而左线小松盾构历时 2 4 6 天，经历了江底 1 4 次带压作业、右线开小洞室进行左线盾构刀盘修复、江底接应盾构钻爆法隧道施工涌水，更换盾尾尾刷等典型案例方通过新造海。下面主要对左线小松盾构机在江底的施工风险事故及采取措施进行分析。2.2 新造海底江底塌方，小松盾构被“卡死”，脱困左线小松盾构机从从江边进行换刀，盾构在 5 1 0 m宽的新造海底掘进 1 5 0 环后，在上软下硬的地层中（洞复合地层中盾构过江风险及对策郭广才(广州轨道交通建设监理有限公司)摘要：在广州地铁 4 号线盾构通过新造海的工程是事先充分分析了盾构过江诸风险，制订风险预案和风险清单后，再以实际盾构施工过程中遇到的问题及实施的对策，总结出盾构过江的风险及应对措施。关键词：复合地层；盾构；风险识别；风险清单；对策措施工艺与设备2 1 2-广东建材 2 0 0 8 年第 6 期表 1盾构过江施工风险、风险因素和对策风险因素施工风险风险对策地层对盾构施工引起的风险层软硬不均，变化频繁，且普遍上软下硬。硬岩强度较高，石英含量较大，刀具磨损较快。盾构掘进参数设置不合理，如推力过大、渣土改良差；刀具磨损较快，但由于地层上软下硬，换刀安全风险较高；容易发生江底塌陷、盾构喷涌；盾构掘进中，水压大，容易发喷碴、涌水事故。提前对地层进行预加固后进行换刀；带压换刀；土压平衡掘进、控制出渣量、进行渣土改良；严格控制施工参数，动态控制土仓压力。提高盾构轴承密封、铰接密封和盾尾的密封等级，并采取措施延长其寿命。盾构螺旋机上双闸门，并在裂隙发育地带或人为导水通道地层中掘进，向碴土中添加高分子聚合物进行碴土改良，有效控制喷涌。隧道穿越的水道深度普遍较深，且深度变化快。新造海段层中含水地层主要为第四系砂层、和中风化混合岩带 ，在新造海段 、层分布不太广泛，厚度较薄，但与地下水体具水力联系，故其涌水量较大。盾构施工中发生的风险盾构掘进参数设置不合理，如推力过大、渣土改良差。刀具刀盘变形；渣土改良差，掘进时发生喷涌；刀具磨损没有及时更换。开挖直径变小，盾构壳体被卡；开挖速度慢、推力大，刀盘变形。盾构设备没有注意保养维修，密封设备损坏较快。盾构密封泄漏、涌水；注浆不密实以致施工喷涌等恶性循环。身大部分为 8 Z 中风化岩、9 Z 微风化岩、上部为 6 Z 全风化岩、7 Z 强风化岩、5 Z-2 砂质粘性土）掘进刀具迅速磨损，边刀严重磨损（实测最大 1 8 m m），使开挖直径逐步变小，盾体与隧道围岩中的磨擦逐步变大，盾构推力逐步变大，掘进速度逐渐减低。盾构掘进到 4 4 2 环推力已达 2 5 0 0 T，速度只有 3 5 m m/m i n，出碴量变大，4 4 2 4 5 1环出渣量超过 9 0 立方，出渣并伴随“喷涌”，渣土中发现黑色淤泥等江底淤泥层，刀盘响声也较大，结合江底声纳探测数据分析，江底有约 2 m 深，直径约 1 5 m 的塌陷坑(见图 3)。到 4 5 1 环，由于围岩卡住盾体和间隙被坍塌下淤泥填充密实，形成“真空吸盘”增大磨擦力，盾构推力大于 3 0 0 0 T 已没有掘进速度，盾构被“卡死”。盾构被“卡死”后，经带压进仓检查，4 把双刃滚刀都发生偏磨量达到极限，8把单刃滚刀（1 7、1 8、3 3、3 4、3 5、3 6、3 7、3 8#单刃滚刀）磨损到极限，同时刀盘中心滚刀出现严重变形，分析盾构卡死的主要原因：上软下硬的复合地层使刀具迅速磨损，隧道开挖直径变小，盾构与围岩的磨擦力影响了盾构有效推力，再加上受地质钻孔影响，掘进时喷涌影响了地层的稳定，坍塌下来的淤泥增大盾体的磨擦力，同时造成换刀困难。地层客观因素是不能改变的情况下，必须通过换刀隔断连锁反应产生的盾体被“卡死”问题。工程中采取地质加固，带压换刀等系列技术措施成功解决盾体被“卡死”难题，具体措施如下：洞内注浆加固，从盾构前体的 1 5 个超前注浆孔进行了注浆，确保刀盘前方土体稳定和稳压的条件；在刀盘稳定后，带压进仓检查和换刀，由于考虑到此位置地层条件较差，先换 4 把双刃滚刀，3 把单刃边刀，剩余刀具待盾构脱困后到稳定地层进行更换（再次换刀选择在 5 1 0 环刀盘修复时进行）；脱困过程中主要采用铰接油缸和推进油缸，铰接最大伸出量为 7 0 m m，推进油缸总推力为2 5 0 0 T 3 6 0 0 T、推进速度为 1 3 m m/m i n，刀盘扭矩 1 0%，日均掘进一环，到 4 5 7 环（盾体被卡的范围等于盾构主机长度，约 6 环）推力已经降到 2 5 0 0 T，盾构基本脱困。但由于刀具变形在恶劣的条件下无法及时更换以致推力过大，导致刀盘变形和刀盘中心被岩石磨损，盾构掘进速度较慢（5 m m/m i n），在后续施工中进行 2 次换刀，并对变形的刀盘进行修理。地层软硬不均的地层，盾构刀具磨损及地质钻孔引起“喷涌”，出渣过多引起发层扰动造成此次江底塌陷。从盾构掘进位置来看，该处位于 M D X C 3-X X-0 3 6和M D X C 3-X X-0 3 8 钻孔范围，而此间还存在一个补充钻孔Z K 3 6（塌陷位置就在该处），从 4 4 2 4 5 1 环掘进的出渣情况来看，渣土较稀、喷渣且有黑色淤泥、臭味、烂木头等，很明显，盾构已与江底贯通。可以说，该处地质钻孔封堵质量较差或根本上没进行封堵是造成此次江底塌陷的最主要原因。江底塌方无法回填，钻孔也无法封堵，但必须解决盾构掘进“喷涌”，快速通过钻孔，同时通过注孔后加强注浆封堵盾构后方的“水头”，使盾构恢复正常掘进。同时启动盾构保压泵渣装置，尽快建立土仓压力平衡模式掘进，使螺旋输送机形成“土塞”效应，达到控制盾构“喷涌”和掌子面的目的。另外水压力高、渣土中含水量大新造海M D C 3-X X-0 3 6-4.8 5降低坍塌处（D K 2 2+6 1 6）M D C 3-X X-0 3 8-6.5 1Z K 2 6f c=7.8 71 3.9 0图 3江底塌方图工艺与设备2 1 3-广东建材 2 0 0 8 年第 6 期图 8加固区域及修理洞室平面图Z K 2 4M D X C 3-X X-0 3 6Z K 2 57.54 9 54 9 04 8 54 8 04 7 54 9 54 9 04 8 54 8 04 7 524421 3刀盘修理洞室加固区域目前刀盘位置修理洞室开挖通道图 4磨损的滚刀图 5完好的小松刀盘图 6小松刀盘破损概况，阴影为磨损带图 7联络通道加固法右线隧道袖阀管注浆孔直径 8 9 管棚有效加固区域左线隧道2220.7 3=2.10.4 3=1.20.7 0.2 6=1.2A 1A 1时，向渣土中添加高分子聚合物进行碴土改良。高分子聚合物能增加水的稠度、吸收渣土中的水并改善渣土的结构，对于防止喷涌有一定效果。2.3 新造海底开挖洞室及盾构刀盘修理左线小松盾构为土压盾构，刀盘（图 5）配置 4 把中心双刃滚刀，2 0 把单刃滚刀，1 0 6 把切刀，3 6 把弧形刮刀。负责施工穿越“新造海”隧道（珠江支流，水面宽约5 1 0 m，一般水深 5 1 5.0 m，最深 1 7.1 m）。该段隧道洞身范围内地质主要为：5 Z 2 （砂质粘性土）、6 Z 7 Z 8 Z 9 Z （全、强、中和微风化混合岩），普遍上软下硬，软硬不均，变化频繁。在江底掘进中，由于掘进参数修正滞后于地质改变，再加上刀具密封性能不佳，多次发生刀具非正常磨损，刀具磨损降低掘进速度，随之加大地层扰动，引发江底塌方，塌方又妨碍了换刀作业。如此恶性循环，最终由于刀具的失效导致了刀盘本体的严重磨损（图 4），1 3-1 5,1 4-1 6 号中心刀的严重损坏造成了刀盘环状磨损带，最大磨损量达到 1 3 0 m m，磨损宽度为6 8 0 7 0 0 m m（图 6），刀盘中部泡沫管路损毁，刀盘面临着结构解体的危险。刀盘修复面临风险“A 2、B 3、C 4、D 3、E 2 和 F 3”。具体工况：围岩裂隙发育，下部硬岩需要爆破；由于处在主航道，水深大，水面加固方案较难实施。对策：选择盾构前方一个地层相对稳定位置（图8，4 9 1 4 9 5 环）地方为加固区，利用先期已经贯通的临近隧道（右线）对左线实施洞内管棚注浆加固（图 7）。要绝对避免管棚侵入盾壳范围内，并且管棚不能过多偏离盾体，偏差不得大于 1 0 c m，注浆浆液为单液超细水泥浆，理论的水灰比为 1:1。注水泥浆结束后，补充注入聚氨脂充填微细裂隙。利用该段围岩较为稳定的有利条件，用矿山法实施联络通道作业，从右线 4 9 5 4 9 6 环中部掘 2 2 m 通道至左线，在左线中下部形成 2 2 m 洞室，左线洞室施工至离盾构机计划停机处 2 m。待盾构机到达小洞室前2 m 的加固区域进行降压试验，试验成功后再人工开挖剩余部分，打通洞室至刀盘，开始进行修补及更换刀具作业。截至 2 0 0 5 年 7 月 1 3 日，该方案成功修复磨损刀盘钢结构、钢结构内部的泡沫管路和更换刀具，最终保证了盾构隧道贯通。经验和体会：江底加固和通道开挖，坚持取芯、探水工作，严防透水事故的发生。隧道管片切割，要避开管片主筋位置。提前制定应急预案，现场按预案要求准备到位，如特殊事故发生，立即启动预案组织抢险。施工现场要备足够功率的抽水设备，在出水量较大的情况下，能及时把隧道内的水排出洞外，为抢险撤离工作留下充足的时间。工艺与设备2 1 4-广东建材 2 0 0 8 年第 6 期2.4 新造海底钻爆法隧道施工涌水事故结合小松盾构在新造海底缓慢掘进情况和新造海北岸地质情况，经研究计划在左线里程 Z D K 2 2+3 2 9 4 1 1.5 的硬岩段（隧道范围内大部分为 8 Z、9 Z 地层，隧道上部有少量 7 Z 岩层）采用钻爆法开挖隧道接应盾构通过。钻爆法接应段隧道开挖断面为圆形，开挖直径为7.1 m，初期支护形式 7 Z 岩段为超前小导管注浆+钢格栅+网喷砼，在 8 Z、9 Z 岩段采用锚喷支护。当钻爆法隧道在里程为 Z D K 2 2+3 7 5.2 4 左线隧道中线左侧 3.3 7 m 遇见一个钻探孔，孔径为 9 0 m m，从钻孔里突然往隧道里涌水。经技术人员反复翻阅图纸和计算，确认造成钻爆隧道涌水的钻孔为详勘 M D X C 3-X X-0 2 9 地质钻孔，地质勘探没有注浆封堵是造成涌水事故的主要原因。事故出现后，工程人员首先想从隧道内封堵涌水钻孔但由于水压大、涌水量也大，估计达到 2 0 0 m3/小时，而无法封堵。经现场紧急商定，采用了如下措施：钻孔漏水位置，对河床形成的一个 3 m 直径、深约3 m 的漏斗采取有针对性的用砂袋、片石等进行封堵（见图 9）。河床封堵后降低涌水压力，再在隧道里用比钻孔孔径稍小的钢管球阀开关外缠麻绳塞进钻孔里进行堵塞，堵塞紧之后再关闭球阀。在涌水得到控制之后，再对隧道内涌水钻孔前后5 m 范围采用长 3.5 m 的锚杆加锚固剂进行锚喷加固处理。2.5 江底进行盾构尾刷更换左线小松盾构经过 9 8 0 m 掘进，盾构尾刷完全磨擦损坏，同步注浆浆液大部分从盾尾流出来，盾构到新造海下钻爆法隧道内（里程 Z D K 2 2+3 3 8.6 4）具备盾构更换尾刷的条件，技术人员进行尾刷的更换，以确保盾构在最后的 2 2 0 m 顺利掘进。更换盾构尾刷的步骤如下：第一步，对盾构尾刷范围内的 1 0 环管片在纵向螺栓部位用角钢进行连接，并对盾尾内第一环管片环向进行钢支撑加固。在管片与盾构千斤顶之间垫 2 2 0 钢支撑，把管片推到盾壳最后一排尾刷位置。第二步，把磨损的钢丝刷清除，把新的尾刷安装上去，并把安装好的尾刷涂上盾尾密封油脂。第三步，拆除 2 2 0 m m 钢支撑和回收千斤顶，安装下一环管片，并做好与已安装好管片螺栓对位工作。本工程承包商仅更换一排盾尾尾刷（见图 1 0），盾构掘进过程中依然发生盾尾泄漏，原因是仅一排尾刷无法储存密封油脂和恒压，注入的密封油脂随压力流失，而安装新的尾刷没有密封油脂润滑，很快已损坏。因此，本次更换盾构尾刷作用较小，教训值得总结。3 过江风险小结右线盾构仅用 7 7 天就顺利通过新造海，而左线小松盾构历时 2 4 6 天才通过新造海，采用了江底十四次带压作业、右线开小洞室进行左线盾构刀盘修复、江底接应盾构钻爆法隧道施工涌水等系列措施方克服困难。通过对比，验证了“地质是基础，盾构是关键，人是根本”盾构技术理念。地质是客观存在，加强管理，选用适应性较好的盾构设备，可能有效回避施工风险。【参考文献】1 竺维彬,鞠世健，盾构施工泥饼(次生岩块)的成因及对策，地下工程与隧道 J ，2 0 0 3，（0 2）。2 竺维彬,鞠世健，广州地铁二号线旧盾构穿越珠江的工程难题及对策，土木工程学报 J ，2 0 0 4，（0 1）。3 袁敏正,鞠世健，广州地铁一号线和二号线盾构机适应性研究与探讨，现代隧道技术 J ，2 0 0 4，（0 3）。4 朱伟，隧道标准规范（盾构篇）及解说 M .北京:中国建筑出版社,2 0 0 1。图 9江底进行围堰回填钻孔图图 1 0隧道内更换盾尾图工艺与设备2 1 5-