□ 張志恒

中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 合肥 230031

1 項目簡介

合肥市地鐵5號線5B標(biāo)段工程包含一站兩區(qū)間,其中區(qū)間段為三孝口站至阜南路站、阜南路站至北一環(huán)路站,采用盾構(gòu)法施工,襯砌采用強(qiáng)度等級為C50,抗?jié)B等級為P10的通用雙面楔形環(huán)混凝土管片,管片外徑為6 000 mm,內(nèi)徑為5 400 mm,環(huán)寬為1 500 mm。盾構(gòu)區(qū)間如圖1所示,盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計概況見表1。

表1 盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計概況

圖1 盾構(gòu)區(qū)間

2 工程條件

2.1 地質(zhì)條件

三孝口站至阜南路站、阜南路站至北一環(huán)路站區(qū)間屬河流一級階地和河漫灘。經(jīng)勘察,沿線場地在標(biāo)高-37.25 m范圍內(nèi)的覆蓋層由第四紀(jì)人工填土、第四紀(jì)全新世河流相沉積層、第四紀(jì)全新世河流相沉積層黏性土組成,下伏基巖為下第三紀(jì)定遠(yuǎn)組泥質(zhì)砂巖和侏羅紀(jì)周公山組地層泥質(zhì)砂巖。

區(qū)間盾構(gòu)穿越部分地層為上軟下硬地層,隧道斷面上部以全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主,中部以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主,下部為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖屬較軟巖至較硬巖區(qū)間,根據(jù)勘察報告及前期相鄰標(biāo)段基坑開挖顯示,這一地層的天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為31.08 MPa,飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為27.79 MPa,最大飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為55.20 MPa,干燥單軸抗壓強(qiáng)度平均值為33.90 MPa。區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 區(qū)間地質(zhì)縱斷面

2.2 水文條件

區(qū)間范圍的地下水主要為上層滯水、承壓水、基巖孔隙水、基巖裂隙水。淺部地下水主要賦存于人工填土中,以上層滯水為主,水量微弱。承壓水主要賦存于第②5層粉砂夾粉質(zhì)黏土和第④4層黏質(zhì)粉土中?？碧浇沂镜冖?層層頂埋深為5.2～12.0 m,標(biāo)高為2.15～8.33 m,第④4層層頂埋深為12.5～14.1 m?；鶐r孔隙水主要賦存于第⑨1層和第1層全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中,基巖裂隙水主要賦存于巖石強(qiáng)、中風(fēng)化帶中。基巖孔隙水和基巖裂隙水富水性、透水性受巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及裂隙發(fā)育程度等的影響,由于巖體的各向異性,加之局部巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,導(dǎo)致巖體富水性與滲透性不盡相同。在巖體的節(jié)理、裂隙發(fā)育地帶,地下水相對富集,透水性也相對較好。

2.3 周邊環(huán)境

區(qū)間隧道由南向北沿蒙城路敷設(shè),下穿安徽省博物館、壽春路下立交橋,以直線接至阜南路站,過阜南路站后以半徑500 m曲線沿蒙城路下穿蒙城路橋,最終以直線接至北一環(huán)路站。根據(jù)設(shè)計文件資料,結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)研,對隧道沿線周邊建構(gòu)筑物及管線進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示,現(xiàn)場作業(yè)場地狹小。蒙城路是合肥市區(qū)南北向的重要交通走廊,位于老城區(qū),地表建筑密集,地下環(huán)境復(fù)雜,沿線地塊基本已經(jīng)開發(fā)完成,周邊建設(shè)完善,用地性質(zhì)較為成熟,存在較多的建構(gòu)筑物,包括若干高中低壓燃?xì)夤芫€、雨污水管道、給水和供熱線路、10 kV高壓電纜管線等,并且下穿安徽省博物館、壽春路下立交橋、蒙城路橋等。

3 工程難點

第一,盾構(gòu)機(jī)穿越建構(gòu)筑物及重要管線。

區(qū)間沿線周邊建構(gòu)筑物較密集,管線沿蒙城路敷設(shè),地表交通繁忙,盾構(gòu)施工可能對建構(gòu)筑物及管線等造成一定影響。尤其是近距離下穿蒙城路橋,該橋為拱形吊桿橋,橋梁全長96 m,橋梁樁基距隧道頂板僅2.1 m,拱形橋梁結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)變形極為敏感。加之該橋危情較多,狀態(tài)差,對盾構(gòu)機(jī)下穿施工技術(shù)要求極高。同時,盾構(gòu)機(jī)穿越橋梁段巖石破碎,并且基巖裂隙水極其豐富,下穿期間不僅需要關(guān)注對橋梁結(jié)構(gòu)變形的控制,而且需要克服螺旋機(jī)噴涌。

第二,盾構(gòu)機(jī)通過軟硬不均地層。

區(qū)間穿越地層有全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等,地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖性多變,巖面起伏變化較大,同時存在局部基巖凸起的特點。不同隧道段或隧道的同一開挖斷面存在上下左右軟硬不均的現(xiàn)象,這些軟硬不均地層給盾構(gòu)機(jī)施工帶來很大的困難。

第三,盾構(gòu)機(jī)在全、強(qiáng)風(fēng)化巖及黏土層掘進(jìn)對泥餅的控制。

隧道區(qū)間穿越殘積土、全風(fēng)化巖等土層,切削后的黏粒易形成刀盤盤面泥餅、土倉中心泥餅。需要通過防止刀盤結(jié)泥餅設(shè)計、渣土改良等施工措施,減小泥餅風(fēng)險,確保盾構(gòu)隧道順利施工完成。

4 盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)施工首先需要選用盾構(gòu)機(jī)的類型。盾構(gòu)機(jī)按結(jié)構(gòu)模式分為泥水式盾構(gòu)、敞開式盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)四類。

敞開式盾構(gòu)一般用于整個地層穩(wěn)定、透水率低、涌水不需要其它輔助措施就可以被控制的區(qū)段。硬巖盾構(gòu)一般用于硬度較大、能夠自穩(wěn)、涌水較少的巖石地層開挖。

土壓平衡盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu)都通過控制推進(jìn)速度和出料速度使推進(jìn)所產(chǎn)生的壓力與掌子面的土體壓力保持平衡,從而達(dá)到維持掌子面穩(wěn)定,繼而維持地面沉降和隆起在允許范圍內(nèi)的作用。泥水式盾構(gòu)需配置昂貴的泥漿制備和分離設(shè)備,將泥漿通過管道注入盾構(gòu)機(jī)混合倉內(nèi),與開挖出的渣土進(jìn)行混合,通過泥漿泵將混合后的渣土抽至地面后進(jìn)行分離處理,泥漿再循環(huán)利用。土壓平衡盾構(gòu)不需要進(jìn)行分離處理,尤其是當(dāng)土體穩(wěn)定性較好時,甚至可以不需要帶壓出土,實現(xiàn)在土倉無壓力條件下工作。在涌水較大,透水率不超過一定數(shù)值,且掌子面不穩(wěn)的地段,才需要使用土壓平衡開挖模式。當(dāng)然,土壓平衡盾構(gòu)也不需要專門的分離設(shè)備進(jìn)行渣土分離。

簡而言之,泥水式盾構(gòu)及配套設(shè)施價格較為昂貴,需占用較大的施工場地,而土壓平衡盾構(gòu)適用土質(zhì)范圍比較廣泛,占地面積較小,價格適中。

在地鐵隧道施工過程中,不同地區(qū)及城市,地質(zhì)條件千差萬別,既有像華北、西北地區(qū)含水量小的單一軟土地質(zhì),也有像上海地區(qū)含水量高的單一軟土地質(zhì),還有像華南地區(qū)復(fù)合地層等,因此,在選擇盾構(gòu)機(jī)這一隧道掘進(jìn)的關(guān)鍵施工設(shè)備時,首先應(yīng)充分考慮盾構(gòu)機(jī)是否有利于開挖面的穩(wěn)定,其次還需要重點考慮周邊環(huán)境與場地、施工工期、使用性價比等限制因素,并對宜用的輔助工法加以考慮。

按照合肥地鐵5號線5B標(biāo)段工程的地質(zhì)水文情況,這一標(biāo)段構(gòu)造裂隙和節(jié)理相對發(fā)育,大部分區(qū)間隧道埋置于泥質(zhì)砂巖中,巖體裂隙和節(jié)理發(fā)育,地下水相對富集,透水性也相對較好,可以選取土壓平衡盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu),排除敞開式盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)。施工時若存在不穩(wěn)定的強(qiáng)透水層,發(fā)生突水現(xiàn)象,則選取泥水式盾構(gòu)比較符合地層開挖安全的要求。該工程始發(fā)接收段均處于交通要道蒙城路中央,場內(nèi)可用地極其狹窄,難以滿足泥水式盾構(gòu)的配套場地需求。同時按照國際知名盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)商和國內(nèi)制造商的經(jīng)驗、試驗,復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)可以通過添加輔助材料,如膨潤土、泡沫、水、阻水材料等,來改善渣土的性狀,擴(kuò)展土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍,從而在高透水地層可以使用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行開挖,不至于使泥漿從出料口噴涌而出,大量損失地層水。以上思路可以解決復(fù)雜地層、狹小場地的盾構(gòu)施工設(shè)備選型問題,既能滿足大部分巖體開挖,又能安全通過富水且透水率高的砂層。

綜合分析,在這一標(biāo)段中選用T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)是我國大多數(shù)城市地鐵隧道施工的主要盾構(gòu)類型,通過加強(qiáng)刀盤耐磨設(shè)計、優(yōu)化刀具配置與布局、配置先進(jìn)的渣土改良,以及可靠的關(guān)鍵部件密封與潤滑等手段,大幅度拓展了傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用范圍。

5 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性分析

該工程具有周邊建構(gòu)筑物較密集、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且軟硬不均、易形成刀盤盤面泥餅及土倉中心泥餅等特點,為適應(yīng)復(fù)雜地層,選用T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu),以下進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性分析。

5.1 推進(jìn)系統(tǒng)

T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)油缸一共有20個,均為單缸。所有油缸可以單獨工作,可以根據(jù)實際情況任意分組控制,使盾構(gòu)機(jī)的操控性能得到進(jìn)一步提升,便于盾構(gòu)姿態(tài)控制。為便于監(jiān)測推進(jìn)速度,將內(nèi)置式行程傳感器和速度傳感器按區(qū)分布在推進(jìn)油缸中。盾構(gòu)機(jī)最大總推力為40 000 kN,滿足設(shè)計方案中對盾構(gòu)機(jī)總推力應(yīng)在21 000 kN以上的要求。盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動扭矩如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動扭矩

5.2 鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)配備主動鉸接系統(tǒng),共配置16個液壓油缸,分四個區(qū),每區(qū)安裝一個行程傳感器。鉸接系統(tǒng)最大推力為29 680 kN,行程為200 mm,滿足區(qū)間隧道的小曲線半徑施工要求。

5.3 主驅(qū)動系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)選擇直徑為3.13 m的耐高壓、耐負(fù)荷、大壽命三排三列滾柱軸承主軸承,配備九臺液壓馬達(dá)驅(qū)動,額定扭矩為6 650 kN·m,對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1.76 r/min時,脫困扭矩可以達(dá)到8 320 kN·m,均滿足工程掘進(jìn)施工要求。

推進(jìn)系統(tǒng)和鉸接系統(tǒng)的液壓油缸分布分別如圖4、圖5所示。

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)液壓油缸分布

圖5 鉸接系統(tǒng)液壓油缸分布

5.4 防刀盤結(jié)泥餅設(shè)計

為適應(yīng)地層施工,有效降低刀盤結(jié)泥餅風(fēng)險,改造加大刀盤的開口率,達(dá)到綜合開口率為34%,中心區(qū)開口率為40%。優(yōu)化刀盤格柵布置,刀盤中心區(qū)域次輻條每兩道格柵去除一道,刀盤外圈區(qū)域次輻條每三道格柵去除一道,重新設(shè)計布置位置。刀盤設(shè)計七路單管單泵的渣土改良注入孔,正面為六路,周邊徑向為一路。噴口采用新式防堵塞設(shè)計,具有較好的防堵功能,可以在洞內(nèi)對噴口進(jìn)行維修和更換。刀盤上焊接有噴口保護(hù)刀,對噴口進(jìn)行保護(hù)。刀盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 刀盤結(jié)構(gòu)

在刀盤牛腿及土倉中心區(qū)域各布置四路高壓水沖洗管道,當(dāng)中心開始形成泥餅時,采用高壓水沖刷迅速解除泥餅。高壓水系統(tǒng)配置流量為90 L/min,額定壓力為12 MPa。在刀盤背部安裝八個主動攪拌棒,與土倉內(nèi)部四根被動攪拌臂配合,主要用于攪拌土倉底部的沉渣。這一設(shè)計可以顯著優(yōu)化地層中土壓的控制,增大渣土的流動性,進(jìn)一步降低結(jié)泥餅風(fēng)險。

5.5 防噴涌設(shè)計

采用內(nèi)徑為850 mm的軸式葉片螺旋輸送機(jī),螺旋軸共設(shè)計有三道閘門,分別為螺旋輸送機(jī)前端的一道剪刀式閘門和螺旋輸送機(jī)后端的兩道出土閘門。剪刀式閘門如圖7所示,螺旋輸送機(jī)如圖8所示。在入口前部承壓隔板上安裝有剪刀式閘門,采用液壓油缸驅(qū)動,剪刀式閘門的運動由控制室進(jìn)行控制。出土閘門安裝在螺旋輸送機(jī)后端,裝有主、副兩道出土閘門,其中一道閘門配置氣動緊急封閉系統(tǒng)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過富水地層時,可以通過調(diào)節(jié)不同閘門開度來降低不利影響。螺旋輸送機(jī)上配備兩個土壓傳感器,根據(jù)觀察取排土量的關(guān)系及不同位置土壓傳感器的壓力變化,判斷螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土的流動性。配置有四個渣土改良口,用于改善渣土流動性,降低磨損。

圖7 剪刀式閘門

圖8 螺旋輸送機(jī)

鉸接密封采用凹字形密封,并預(yù)留緊急注入孔,以提高鉸接密封系統(tǒng)的安全性。

盾尾密封采用三道盾尾刷加一道止?jié){板,每兩道盾尾刷之間設(shè)有十路注脂管道。

5.6 密封和承壓適應(yīng)性

主軸承密封系統(tǒng)密封形式為唇形密封,采用耐熱性和耐磨損性能卓越的丁腈橡膠材料制成。采用可編程序控制器自動控制分級加壓模式,達(dá)到逐級減壓,最終確保土倉雜質(zhì)不進(jìn)入主軸承的目的。主軸承內(nèi)外徑密封均為這一工作模式,有效保證外界渣土等雜質(zhì)無法進(jìn)入內(nèi)部傳動系統(tǒng),延長主軸承的壽命,最大工作壓力為0.65 MPa。主軸承的選型及應(yīng)用成熟可靠,能夠滿足工程安全施工要求。

鉸接密封系統(tǒng)中,中盾與尾盾的連接采用被動鉸接設(shè)計,為凹字形密封,通過設(shè)置的12個油脂注入口持續(xù)注入2號極壓抗磨潤滑脂,起潤滑鉸接及密封的作用,這一形式的鉸接密封狀態(tài)優(yōu)越,鉸接密封耐壓為0.6 MPa。在涌水或橡膠密封損壞時,也可以使用緊急氣囊密封,完全可以滿足任意方向最小平面曲線半徑為250 m及最大豎曲線為1 000 m的施工需要。

盾尾密封系統(tǒng)中,盾尾殼體與管片之間的密封依靠焊接在尾盾上的三排金屬鋼絲刷、一道止?jié){板實現(xiàn)。三排密封之間形成兩圈環(huán)形空間,每個環(huán)形空間設(shè)有十路注脂管道,持續(xù)不斷進(jìn)行密封油脂填充。盾尾密封系統(tǒng)滿足工程施工要求。

由前盾、中盾、尾盾組成的盾體結(jié)構(gòu)按照承受0.5 MPa的靜水壓力進(jìn)行設(shè)計,對已挖掘但還未襯砌的隧道段起臨時支護(hù)的作用,承受周圍土層的土壓和地下水的水壓,并將地下水擋在盾殼外。

5.7 渣土改良系統(tǒng)

適合于土壓平衡盾構(gòu)開挖的渣土必須具有良好的塑性、低的透水率、良好的流動性等特點。目前常用的添加材料有膨潤土、泡沫、水、阻水材料等,添加材料的作用如下:① 減小刀盤切削的扭矩值,降低盾構(gòu)施工能耗;② 降低渣土對盾構(gòu)機(jī)刀盤和其它金屬材料的黏著性;③ 降低渣土的透水率。其中,泡沫具有其它材料不具備的很多優(yōu)點,包括:① 密度低,不占渣土體積,便于制備和運輸;② 相比其它材料更易于與渣土混合;③ 化學(xué)制劑的含量低,暴露在空氣中很快會發(fā)散。出于環(huán)保安全需要,選用泡沫作為添加材料對渣土進(jìn)行改良,可限制掌子面壓力的波動,更好控制掌子面的穩(wěn)定。同時,泡沫填補(bǔ)了被開挖土體的縫隙,使其可滲透性降低。

5.8 超前鉆探系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)配備有安裝在管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)部位的超前鉆探系統(tǒng),適用于軟、硬巖地層。超前鉆探系統(tǒng)最大可鉆孔徑為75 mm,最大鉆孔深度達(dá)60 m。超前鉆探系統(tǒng)滿足工程施工需求。同時,在盾構(gòu)機(jī)中盾周向上共設(shè)置14個外插的直徑為100 mm的超前注漿孔,在前盾的土倉隔板上設(shè)置兩個直徑為100 mm的超前鉆孔,也可以對開挖面前方進(jìn)行超前注漿或超前鉆探。超前鉆探系統(tǒng)布置如圖9所示。

圖9 超前鉆探系統(tǒng)布置

5.9 人艙

人艙用于進(jìn)入開挖室和隧道掌子面,以便在加壓下進(jìn)行維修操作,針對工程施工過程中可能需要進(jìn)行更換刀具及檢查、維修刀盤而設(shè)計。人艙配置有壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、通信設(shè)備、緊急照明設(shè)備、觀察窗口、控制面板、自動消防噴淋裝置、有害氣體實時監(jiān)測裝置等,同時還配置氧氣呼吸系統(tǒng),用于在緊急事件及卸壓時使用?？梢栽谌伺摽刂频侗P點動和刀盤旋轉(zhuǎn)。盾構(gòu)機(jī)人艙設(shè)計有兩個,分別有土倉入口,通過兩個入口可以在互不干擾的情況下分別進(jìn)入土倉。兩個人艙也可互為主副艙,每個人艙配置獨立的壓縮空氣系統(tǒng),均可實現(xiàn)獨立的加減壓操作。人艙滿足工程施工需求。

6 施工應(yīng)用

T6480復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用于合肥地鐵5號線工程隧道巖石破碎且基巖裂隙水豐富、上下軟硬不均的地層,在下穿南淝河及蒙城路橋時,橋臺沉降量僅為-0.72 mm,滿足設(shè)計及規(guī)范所要求的5 mm。隧道掘進(jìn)進(jìn)度統(tǒng)計見表2。

表2 隧道掘進(jìn)進(jìn)度統(tǒng)計

根據(jù)實際施工情況,驗證了研究結(jié)論。

(1) 盾構(gòu)機(jī)作為隧道掘進(jìn)的關(guān)鍵施工設(shè)備,選型時應(yīng)充分考慮有利于開挖面的穩(wěn)定,還需要重點考慮周邊環(huán)境與場地、施工工期、使用性價比等限制因素。

(2) 通過優(yōu)化刀具配置與布局、配置先進(jìn)的渣土改良,以及可靠的關(guān)鍵部件密封與潤滑等手段,可以克服富水地層隧道掘進(jìn)的噴涌現(xiàn)象,拓展了傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用范圍。

(3) 加大刀盤的開口率,優(yōu)化刀盤格柵布置,針對性設(shè)計刀盤防堵噴嘴,添加泡沫對渣土改良等措施,解決了類似地層的掘進(jìn)施工易結(jié)泥餅問題。