盾构过江隧道线覆土区域施工安全防范措施

过江水底隧道有五种主要的施工方法:围堤明挖法、气压沉箱法、岩钻法、盾构法和沉管法。盾构法是修建隧道的一种重要施工方法,尤其是在软上地层中。自从1843年第一条盾构法隧道在伦敦泰晤士河下建成以来,盾构法隧道的设计和施工技术得到了很大发展,出现了泥水加压式和土压平衡式盾构,衬砌由铸铁转向钢筋混凝土或钢材组成。

盾构法施工的主要特点:可在盾构的掩护下安全地进行土层开挖和衬砌的支护工作;进行水底隧道施工时,不影响航道通航;盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,施工易于管理,施工人员也较少;施工不受风雨等气象条件影响。

盾构法存在的一些问题是:当隧道曲线半径过小时,施工较为困难;在水下作业时,覆土太浅则不够安全;盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时,对劳动保护要求较高,施工条件差;在饱和含水层中,盾构法施工所用的拼装衬砌,对达到整体结构防水性的技术要求较高。

2浅覆土区域盾构掘进时存在的安全问题

2.1浅覆土易产生冒顶通透水流

为了减少线路的坡度,一般河底段覆土极浅。在浅覆土区域,在高水头压力情况下,大刀盘前方土压平衡不容易建立。河水常从扰动土体的裂缝中经大刀盘开口及盾尾进入盾构机,造成盾构淹水。这种机损人亡事故时有发生。

2.2隧道上浮

水域下浅覆土中推进的盾构,上下受到的力不均衡,盾构姿态上扬,压坡困难、隧道上浮,轴线难以控制。拼装完成的隧道环脱开盾尾后,由于上部压载及自重无法抵抗地下水引起的浮力使隧道上浮。如果不采取相应加固对策,极易引起隧道局部开裂、漏水。

隧道穿越饱和土层,会受到水的浮力,当浮力超过隧道上覆土重量和隧道及隧道内设备自重时,隧道将上浮。当管片脱离盾尾时,隧道被包围在壁后注浆的浆液中,受到浆液的浮力比在饱和土中受到的浮力要大得多。同时,盾构推进挖出土方导致地基卸载,拼装好的隧道会受到地基回弹的作用向上偏离中心轴线。在浮力和地基回弹共同作用下,隧道上覆土产生隆起,若最大隆起值得不到有效控制,覆土层将被顶裂,产生透水裂缝,河水沿透水裂缝涌入盾尾将严重影响隧道和隧道施工的安全。

3广州地铁三号线沥~大区间盾构浅覆土区域施工难点

广州地三号线沥滘~大石北盾构区间工程,共分为2个区间段构成:大石北始发井~厦滘站、区间隧道长1429.791m;厦滘站~沥滘站,区间隧道长1621.75m。共有2次过江。

其中,隧道在YCK13+780~YCK14+098处过三枝香水道,水道河面宽度约为300m。隧道包括左、右线各一条,采用2台泥水加压平衡盾构机施工,先施工隧道右线,盾构机由三枝香水道南岸往北岸方向推进,当右线盾构推过江后,隧道左线由三枝香水道南岸往北岸方向推进施工。

隧道在过三枝香水道的断面内存在着强风化岩、中风化和微风化等粉砂质泥岩的复合地层,拱顶以上主要为淤泥、淤泥质细砂和粘土。过江段隧道总长约为312m,存在风化夹层,强度较高,岩体较为破碎,地表水与砂层及基岩裂隙水联系较为密切,且隧道上方存在软弱地层,对盾构破岩能力及防冒浆的能力要求较高。盾构机穿越三枝香水道,隧道洞身围岩水文地质条件受其影响较大。三枝香水道的水位主要受北江洪水和潮汐的影响,而且两个相邻的高潮或低潮的潮位和潮流历时均不相等,一般历年最高潮位多出现在汛期,最低潮位则出现在枯期,涨潮历时短,落潮历时长,高潮平均水位为5.85m,低潮平均水位为4.33m。

隧道过三枝香水道是在YCK13+780~YCK14+098处,河面宽约312m隧道洞身岩层全部为岩石全~微风化带,地质均匀,地下水亦较为丰富,且过江段覆土厚度较薄,土层软弱,江中水压较高,故盾构掘进时风险较大。

三枝香过江段地质条件复杂多变、风险极大,过江段覆土厚度较薄(仅为7.4m),江底780环到840环覆土厚度一般都在6~7m的范围内,即使是最厚处也仅有8.6m,略大于1倍盾构直径,地质条件极差,上部为透水性差的砂质土;840环附近风险最大,隧道顶部全部为稳定性极差的淤泥层,容易塌方,盾构机容易抬头,稍有不慎,将导致喷涌,江底塌方、江水灌入隧道等重大安全事故,后果不堪设想。而且受潮汐等影响,隧道稳定难度大。过江段是关键地段,直接影响到盾构施工的成败,为了保证盾构机顺利穿越难度极大的三枝香水道,在整个施工过程中必须运用信息化施工,控制隧道变形,并对盾构掘进中的各类施工参数进行动态管理。

为确保过江成功,避免重大事故的发生,地铁总公司多次组织国内外著名地铁盾构施工方面的专家对《盾构过江专项方案》的安全性进行审查、论证、分析和研究。经过与会专家科学、严肃、认真地论证,提出了“护头保尾”、“过江监测”、“作业预案”、“管片不浮监测”等有针对性的意见。

施工单位在过江前对盾构机进行了检修保养并更换了刀具,避免了江底换刀的风险。在施工过程中,采用感应器法和声纳法的监测技术,保护了河道的安全。此外,还结合实际制定了过江应急预案,确保万无一失。

4江底浅覆土区域盾构掘进安全防范措施

4.1防止盾尾漏浆(防漏)措施

(1)提高同步注浆质量与管理

每环推进前,对同步注浆的浆液进行小样试验,严格控制初凝时间,初凝时间为13~15s。在同步注浆过程中,合理掌握注浆压力,注浆出口压力=切品水压+60~100kPa,使注浆量,注浆流量和推进速度等施工参数形成最佳匹配。

(2)加强盾尾舱的管理

在推进过程中,因设备故障和操作失误往往引起切口水压的波动,在每次调高切口水压后,必须进行试推进,并安排专人观察盾尾漏浆情况,确定无漏浆后再正式调高切口水压,进行正常掘进。同时还应注意盾构机本身要增加盾尾刷保护及其严格控制盾尾油脂的压注;在使用时对盾尾舱进行定期检查,平均每30环全面检查一次;并且在管片拼装前必须把盾壳内的杂物清理干净,以防对盾尾刷造成损坏。

(3)盾尾漏浆对策

发现盾尾漏浆情况比较严重时,则配制初凝时间较短的双液(A、B液)进行衬砌(管片)壁后注浆,压浆部位为后5~8环,并适当调低切口水压,但调整量不大于0.5kg/cm2。若此时漏浆情况仍得不到有效控制,则在后6~8环处用聚氨酯进行压注予以封堵。为了防止在隧道内的漏浆和漏水、积水情况的发生,在隧道内加大型抽水水泵,以备必要时使用。

4.2防止江底地层沉降措施

(1)控制切口水压稳定性

在推进过程中,按设计值设定切口水压,更重要的是还要根据推进时潮位的不断变化情况对其进行相应的调整。因此,在盾构机推进过程中,要严格控制好切口水压的波动范围,一般控制在设定值的±5%以内,以保证切削面稳定。特别是在盾构机穿越覆土厚度仅为7.48m的江中段时,应采用手动控制切口水压,并设定切口水压值为120kPa。必要时采用人工调整施工参数,对开闭VE阀、转旁路状态时的切口水压上、下限控制参数进行设定,并做好记录。每天推进施工前,先检查VE阀开,闭情况和PLC系统工作状态。在确定系统对切口水压上、下控制的工作情况良好的前提下,再进行掘进。同时拟定在设计隧道线就近进行潮位测量,平时每隔20min记录一次潮位,在潮位变化较快的涨急、落急时段加密至10min,以保证潮位资料的准确性。

(2)提高注浆量

若发现江底沉隆量较大(>5cm)时,则适当的增加同步注浆量,必要时更要进行衬砌(管片)壁后衬注浆,注浆量争取达到理论建筑空隙的130%以上。

4.3防止隧道上浮措施

(1)严格控制盾构机和管片姿态

在盾构掘进过程中,加强隧道监测是防止隧道上浮的积极措施,对盾构机和管片进行姿态控制,能够有效地控制隧道上浮:

a对盾构机的掘进方向进行自转测量,自转角度控制在0.3℃;

b利用千斤顶行程仪对千斤顶行测量,并对测量数据作演算处理、方向修正值的解析和对千斤顶的选择;

c测量垂直、平面位置,为了能准确测量盾构机的位置,在每推进2环进行一次检查和修正,不断将现行的位置设置在新坐标的已知点上。盾构机的垂直、平面偏差控制在±50mm以内,盾构姿态变化不可过大、过频,推进时不急纠、不猛纠,多注意观察管片与盾壳的间隙,以减少盾构施工对盾尾密封效果的影响;

d管片姿态须严格控制,高程和平面偏差控制在±50mm以内,每环相邻管片平整控制在4mm以内,纵向相邻管片平整度控制在5mm以内。

(2)管片选型具体责任化

利用盾构机的导向系统以及人工测量的方法,精确地测量出盾尾和最后一环管片之间的间隙值。该盾尾间隙值分别从上、下、左、右四个方向测出,在盾构过江时,严格控制每一个值均在<40mm,然后把测得的数据结合导向系统的隧道线路数据,从而选择下一环的管片类型,确保管片姿态跟随盾构机的姿态,并与盾构机尽可能地在同一条轴线上。

(3)提高同步注浆质量

提高注浆与盾构推进的同步性,使浆液能及时充填建筑空隙。同步注浆的位置在第四环管片的11点和5点、1点和7点的位置,具体注浆的顺序可根据对管片测量的结果来确定。当注浆充填量<110%时,采用二次补压双液注浆的措施。补压浆要求均匀,压浆后浆液成环状,注浆范围5~8环。

4.4防止形成泥饼

(1)中央控制室人员强化责任制

通过现有的地质资料,详细预先分析泥饼形成的可能地段,并在盾构掘进至该地段时,要求中央控制室人员严格监测盾构机的各种参数,若发现有异常情况(排泥比重增大、流量减少,送泥压力增加和推力、扭矩的变化情况),及时判断有无形成泥饼。

(2)严格控制操作规范

严禁单纯为了进度,实行野蛮操作;严格按操作规范科学合理地进行中央操控;在掘进时,特别是在泥饼形成的可能地段,需控制好泥浆的比重,以防止或降低泥饼的形成。

(3)技术措施

如发现有异常苗头,应及时降低泥浆比重并利用高压水进行冲击,及时降低泥饼形成的机会,并化解已初步形成的泥饼。

5结束语

浅覆土区域施工是盾构过江隧道工程成败的关键,制定严密的施工方案,加强施工过程的信息化管理,并重点控制防漏、防沉、防浮和防磕等四个方面,可以确保浅覆土段施工的安全。2004年7月17日广州地铁三号线沥滘~大石北擀构区间工程顺利穿过三枝香水道,近30天的施工过程中没有出现重大安全问题。此次盾构穿越三枝香水道难度之大、速度之快实乃全国罕见。沥——大区间盾构工程左线和右线要两次过江,此次成功过江为下一阶段盾构穿越517m宽的南珠江水域打下了良好的基础,也对三号线2006年全线开通具有十分重要的意义。