朱文美
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)
成都平原發(fā)源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8個沖積扇重疊聯(lián)綴而成的復(fù)合沖積扇平原[1],地形地質(zhì)形成了自身的特點(diǎn)??傮w上成都地基土均勻性較差,自穩(wěn)性差,地層存在以下特點(diǎn):
(1)卵石含量高:卵石層粒徑一般以20~100mm為主,最大粒徑100 mm以上,卵石含量均大于50%。
(2)含水量高:地下水主要賦存于卵石層中,為松散巖類孔隙潛水,主要受地下徑流及大氣降水補(bǔ)給,其泄水方式主要以地下徑流及蒸發(fā)為主。
(3)土質(zhì)松散,自穩(wěn)性差:卵石間充填物以中、細(xì)砂為主,次為泥質(zhì)。
各巖土層圍巖基本分級如表1所列。
表1 典型的巖土層圍巖基本分級表
頂管法具有安全、快速、高效、對施工周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),在城市隧道施工中被廣泛采用。
機(jī)械頂管法前端采用頂管機(jī)掘土,頂管機(jī)是集機(jī)械、液壓、電控等為一體的自動化程度較高的地下隧道施工機(jī)械[2]。主要由工具管、刀盤、刀盤驅(qū)動、螺旋輸送系統(tǒng)、管段拼裝等系統(tǒng)組成,配備了機(jī)電一體化的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、工業(yè)空氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、泡沫設(shè)備、膨潤土注入設(shè)備及激光導(dǎo)向等設(shè)備。在主控室內(nèi)可對工具管的掘進(jìn)姿態(tài)實(shí)時監(jiān)控,還可在地面監(jiān)控室對頂管作業(yè)實(shí)時監(jiān)控。
頂管機(jī)作為頂管法施工的核心機(jī)械設(shè)備,其選型的合理與否不僅關(guān)系到頂管施工的成本和效益,還關(guān)系到頂管施工的質(zhì)量與安全。機(jī)械頂管機(jī)應(yīng)具備以下功能:掘進(jìn)、防坍塌、出泥和導(dǎo)向等,根據(jù)給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[3],其分類如表2所列。
表2 頂管機(jī)基本分類表
國內(nèi)常用的頂管機(jī)有泥水平衡式、土壓平衡式及氣壓平衡式。氣壓平衡式機(jī)械頂管投資大,一般用于長距離頂管,對每隔約200 m就需設(shè)置通風(fēng)井的電力隧道不具有經(jīng)濟(jì)性,本文僅對泥水平衡和土壓平衡這兩種平衡方式進(jìn)行比選。
泥水平衡式機(jī)械頂管的優(yōu)點(diǎn):
(1)適用的土質(zhì)范圍比較廣;在地下水壓力很高,以及變化范圍較大的條件下也能適用;對管道周圍的土體擾動較小,引起的地面沉降也較小。
(2)與其他類型頂管比較,泥水平衡頂管施工時的總推力較小,尤其是在粘土層則表現(xiàn)得更為突出,所以適宜于較長距離頂管。
(3)由于泥水輸送棄土的作業(yè)是連續(xù)不斷地進(jìn)行的,所以作業(yè)進(jìn)度比較快。
泥水平衡式機(jī)械頂管的缺點(diǎn):
(1)棄土的運(yùn)輸和存放比較困難,運(yùn)輸成本較高。
(2)管徑越大,泥水處理量也就越多,適用管徑受限。
(3)如果遇到覆土層過薄或滲透系數(shù)特別大的砂礫、卵石層,作業(yè)容易受阻。
土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)一般用來進(jìn)行中大口徑的管道施工,可在覆土較淺的條件下正常工作。
土壓平衡式機(jī)械頂管的優(yōu)點(diǎn):
(1)最淺覆土深度僅為0.8倍掘進(jìn)機(jī)外徑,這是其他形式頂管無法做到的。
(2)土壓平衡式機(jī)械頂管能保持挖掘面的穩(wěn)定,可以使地面變形極小。
(3)適用的土質(zhì)范圍廣,是全土質(zhì)的頂管掘進(jìn)機(jī)。
(4)棄土的運(yùn)輸、處理都比較方便,不需要泥水式的泥水循環(huán)系統(tǒng),操作更方便、安全。
(5)設(shè)備相對比較簡單。
土壓平衡式機(jī)械頂管的缺點(diǎn):
(1)刀盤動力和扭矩較高,切削刀損耗較大。
(2)土層含砂量超過一定限度時,土體流性明顯變差,土艙內(nèi)的土體易發(fā)生堆積、壓密、固結(jié),可導(dǎo)致碴土難以排送,頂管推進(jìn)被迫停止。
(3)為解決碴土排送困難,需要向土艙內(nèi)注水、空氣、膨潤土或泥漿等材料,并需連續(xù)攪拌以提高土體的塑流性。
成都電力隧道主要穿越砂卵石地層,卵、礫石成分以灰?guī)r、砂巖、石英巖等為主,呈圓形、亞圓形,粒徑大小不一,分選性差。成都地鐵土壓平衡盾構(gòu)的現(xiàn)有設(shè)備配置雖然證明可以在高富水、高卵石地質(zhì)條件下施工,但存在刀具消耗成本大、換刀困難等諸多問題[4]。為了解決這些困難,在施工前應(yīng)針對不同種類的平衡方式,刀盤布置,渣土處理,降低刀頭磨損方法等特點(diǎn)進(jìn)行方案比選(見表3),比選方案的前提條件是成都的高含水卵石土地質(zhì)。
表3 土壓平衡式與泥水平衡式對比表
為充分考慮內(nèi)因、外因和不可抗力對選型的影響,可以通過量化各項(xiàng)指標(biāo)來為方案比選提供更直觀的依據(jù),量化表格如表4所列。
表4中的權(quán)重是為了進(jìn)行量化比較,其取值的邏輯如下:
(1)土質(zhì)與石塊直徑和排泥管道的阻塞對方案選擇的影響最為重大。因?yàn)檫@兩個因素會直接決定施工的可行性和設(shè)備的正常運(yùn)作。所以假定權(quán)重較大。
(2)其次,挖掘距離、地面設(shè)施與覆土深度對決策者的影響稍弱,因?yàn)檫@三項(xiàng)因素可以通過細(xì)節(jié)的改進(jìn)來克服,但需要額外經(jīng)濟(jì)上的投入。
(3)小權(quán)重因素主要涉及到施工細(xì)節(jié)和成本的控制,所以權(quán)重相對最低。
綜上所述,在實(shí)際施工過程中泥水平衡式頂管由于卵石含量大,存在破碎機(jī)破碎量大、掘進(jìn)速度慢、泥水管路非常容易堵塞等困難,與土壓平衡式頂管相比更不適合于成都的地質(zhì)條件,應(yīng)選用土壓平衡式。
表4 泥水平衡式和土壓平衡式方案比選表
通過以上分析得知,頂管機(jī)的選型是機(jī)械頂管工程成敗的關(guān)鍵,土壓平衡式頂管更適合成都地區(qū)電力隧道的施工。
[1]四川省地質(zhì)工程勘察院.蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道巖土工程勘察報告[R].成都:2011.
[2]馬保松,等.非開挖工程學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2008.
[3]沈世杰,等.給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.
[4]王國義.成都富水砂卵石地層盾構(gòu)設(shè)備配置探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(1),34-39.