摘 要】以上海地铁9号线二期2标段源深路中间风井盾构进出洞为例,介绍土压平衡盾构机在遇到超深埋、承压水层、冰冻法、小曲线半径、盾构沿曲线轨迹在风井内平移以及盾构近接重要建(构)筑物等技术难题时,通过方案优化,制定切实可行的对策:强化洞门止水、采用切线进洞和补偿法出洞、提前对近接建筑物加固等措施,安全顺利地完成盾构进出洞施工。
【关键词】盾构;复杂地质条件;进出洞;超深埋;承压水层;小曲线半径;冰冻法;油溶性聚氨酯
引言
随着城市轨道交通建设的不断深入,盾构技术在地下工程领域的应用越来越广泛,同时,地下管网和已建隧道越来越密集,盾构施工所面临的环境及地质条件也更复杂,盾构施工难度和风险越来越大。国内对隧道及复杂地下工程建设项目的风险防范与技术管理无论是理论研究还是实践应用都取得了长足的进步,但与西方发达国家相比,目前还处于学习和消化阶段,取得大的创新和突破的实例还不多。文献[1]提到的上海地铁4号线修复工程,文献[2]提到的大直径泥水盾构洞门土体加固和进出洞施工,文献[3]提到的泥水平衡盾构穿越冻结加固区等,都是在某一方面取得突破的成功案例,不过这些大都主要应对一两个重难点或风险点。在遇到地质条件异常复杂、施工风险和技术难点极端集中的隧道工程,只有通过前期充分调研、现场模拟试验、施工方案经专家多次评估论证和优化,最后采用可靠的技术措施和组织措施才能确保施工的顺利完成。源深路中间风井盾构进出洞施工实例,就是在风险和难点超常集中的情况下经过精密策划、严格管理、科学施工,最后成功地完成风险防范与技术管理的跨越。
1、概述
1．1工程概况
上海地铁9号线二期民生路—世纪大道站区间盾构隧道,从民生路站西端头井出发,沿杨高中路向西,穿越断面5m×10m的饮水箱涵、直径3m的电力隧道后,盾构过源深路风井向北转世纪大道,下穿与之垂直净距仅1. 74m的运营地铁2号线,掘进大约700m后上跨净距2.39m的运营地铁4号线,最后到世纪大道站东端头井。上海地铁9号线线路示意图见图1。
1. 2工程地质条件
盾构在源深路中间风井东端进洞,过风井平移至西端后再次始发出洞。风井段隧道主要地层为⑤1-2粉质黏土层、⑥粉质黏土层,底部为⑦1-1层砂质粉土及⑦1-2层粉砂,其中⑦1-2层粉砂层承压水水位埋深为8. 79~10. 13m,水压较大。根据盾构推进总体筹划,本区间上下行线盾构机将会以同样的工况在该风井共要经历4次进出洞,工程施工具有极大的风险和难度。
2、进出洞施工技术难点
1)盾构在超深埋情况下进出洞。源深路中间风井地下连续墙围护结构深达59m,基坑开挖深度为32. 73m,在上海地铁是排名第三深的基坑(文献[1]提到的上海地铁4号线修复工程基坑连续墙围护结构深65. 5m,基坑最大开挖深度41. 5m,文献[4]中提到的9号线宜山路车站地下连续墙围护结构深62. 5m,基坑开挖深度为29. 7m,文献[5]提到的M8线周家渡站—西藏南路站区间隧道风井基坑地下连续墙围护结构深52m,开挖深度为30. 6m)。盾构在如此超深地层进出洞,除对盾构机本身有很高要求以外,在盾构推进过程中的施工组织和各项技术参数也有极高的要求。
2)盾构在承压水层进出洞。风井结构底部土层为⑦1-1层砂质粉土及⑦1-2层粉砂,其中⑦1-2承压水层处在盾构洞门圈下半部,水压较大。盾构机进洞过程中,如果纵向渗漏水通道封堵效果不好或封堵不及时,短时间内洞口就将会与承压水层连通,造成洞门大量涌水、涌砂、地面沉陷,甚至基坑坍塌等严重事故。由于源深路风井位于浦东区杨高中路源深路口,南侧2. 8m是杨高路下立交,北侧20m是德隆大厦,西侧40m处就是车流量极大的世纪大道环岛,一旦发生事故造成的后果将不堪设想。
3)盾构在小曲线半径上进出洞。区间线路由民生路向西,在源深路中间风井向北转近90°弯后延伸向世纪大道,而源深路中间风井又正好在线路转弯处,处于曲线半径为349m的缓和曲线段上,故盾构机在风井处的进洞和出洞均在曲线上。盾构在小曲线半径处进洞,若盾构姿态控制不好,就会造成盾构进洞困难甚至进不了洞;若在盾构出洞时姿态控制不好,盾构一出洞就偏离设计线,将会造成隧道偏离设计中心线过大而改线,严重时甚至线路报废。盾构进洞后还要在风井中沿曲线方向平移至风井另一端,对于自身质量达300 t的盾构机来说,在接收基座上重心又高,直线平移已是相当难的工作,还要在平移过程中转向,更是一项既困难又极其危险的工作。www.tmgc8.com
4)盾构近接重要建(构)筑物进洞。源深路中间风井南侧紧临杨高路下立交,水平净距仅2. 8m。相对于近33m深的基坑来说两者相距太近。盾构在风井中进出洞如稍有不慎将造成基坑漏水漏泥砂,将直接威胁到杨高路下立交本身的安全和道路车辆的运行安全。单位的经济损失就不用说了,造成负面的社会影响也是非常大的。
5)盾构冰冻法进出洞。考虑到结构较深,搅拌桩、注浆、旋喷等方法加固不能保证土体均匀稳定,可能存在局部薄弱带;而冻结法形成的冻土墙均匀性好,强度高,地下连续墙与冻土墙胶结好,遇水被冻住,能有效的防止洞口漏水流砂,故决定对洞门土体采用冻结法加固方案。但是,从施工的角度分析,盾构冰冻法进出洞仍然具有很大的风险和难度,万一对土体的冻结效果不好(如盐水渗漏、土体本身严重不均匀、土层中存在不均匀的有害气体等等),将造成加固土体抗水压能力不够,在洞门打开后仍会发生涌水、涌砂事故,这样会严重危及周围的重要建构筑物;另外就是盾构在切削冻结加固体土体时,盾构机刀盘很容易被冻住。刀盘被冻住后将会是一个极其麻烦的事情,必然会对刀盘部分的冻土采取措施进行化冻,造成很长时间停止掘进,而往往这时洞门部分的地下连续墙混凝土已破掉大半,再加上如果化冻尺度把握不好,过度化冻同样会造成洞门涌水、涌砂甚至坍塌。
3、施工对策
针对上述技术难点,经过方案优化、评审和论证,制定了相应的对策措施。
3. 1熟悉地质资料和周围环境,加强方案的优化
由于很少遇到在如此深的工作井里盾构进出洞,项目部首先组织相关的施工和管理人员集中学习,认真熟悉风井范围的地质资料,掌握每一层土质的特性,彻底摸清周围建(构)筑物的情况和周边环境。针对如此深的地层,多次优化盾构进出洞施工方案,加强对盾构设备的检查维护,对盾构机局部结构进行改进以适应深地层施工,同时对盾构施工参数进行优化比选, 确定最合理的推进参数。施工前各项准备工作全面到位,也增加了施工人员的信心。
3. 2强化洞门止水措施
由于承压水水头较高,靠通常的高压旋喷桩加固
[6]、注浆法加固
[ 7]、搅拌桩加固
[8]、SMW工法桩和降水法加固
[9]等常规的土体加固方法已远远不能满足施工要求,必须针对特殊地质条件采取特殊的施工措施。
3. 2. 1洞门土体冰冻法加固
因施工现场地质状况较为复杂,且盾构隧道底部处于第7层承压水层,盾构进出洞对加固土体强度及堵水性要求很高,在参考文献[3, 10]的基础上采用垂直加水平冻结的方式进行土体加固。垂直冻结孔布置3排,孔距0. 8m,冻结孔总数45个,梅花形布置。为抵抗承压水,在洞门下半部还布置了1排9个水平冻结孔和2个测温孔。水平冻结是对垂直冻结措施的加强,布置于洞门圈下半部外周,进洞后封口并与井接头连在一起。冰冻施工技术参数见表1。
冻结法施工工艺的主要特点:冻结帷幕强度高,冻结范围可适当调整,但由此产生的冻胀和融沉会对施工环境造成不容忽视的影响,施工中需采取有效措施加以控制。通常的措施是减少冻土体积、改良土体特性和针对冻胀的卸压及进行融沉后注浆充填处理。因冻结土体的冻胀量与融沉量直接与冻结体的体积关联,所以在确保工程施工安全的情况下,优先采用局部冻结工艺,可大大减少土体冻胀和融沉量。
为了减少冻胀和融沉量,应做到:
1)精确计算冻结量,尽量选用制冷能量大、效率高的冷冻机组,并确保机组具有一定富余制冷能力。
2)冻结时应在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度。
3)掌握调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量。
4)冻结管拔除后,及时对冻结孔洞用砂土充填。
5)在后期融化期间及时对冻结区进行充填注浆,并加强地面及隧道内的沉降监测工作,以指导注浆施工,控制融沉的影响。www.tmgc8.com
3. 2. 2纵向渗漏水通道封堵
纵向渗漏水通道的封堵,是盾构在承压水层进洞施工的关键。以往的施工主要以二次进洞
[6, 8-9]进行间隙封堵,此方法对盾构第1次进洞堵水效果非常有效;但进洞经历的时间长,盾构在第2次进洞过程中可能对第1次硬化后的土体破坏,同样会造成漏水的风险,同时双液浆进入尾刷,将造成尾刷功能失效。根据以往盾构进出洞施工经验,结合风井特殊地质条件项目部决定在以往的进出洞堵水措施的基础上,附加高发泡率的油溶性聚氨脂进行纵向渗漏水通道的封堵。聚氨脂发泡后与盾构机形成柔性接触密封,可较好地封堵纵向渗漏水通道,同时整个盾构机进洞时间短,也更经济。
1)油溶性聚氨脂注入位置确定
根据聚氨脂发泡的特点,为让聚氨脂在有限的空间里面充分发泡,选在进洞前倒数第4环和第3环注聚氨脂,这2环正好处在冻结加固区域内,加固土体强度高,为聚氨脂的发泡和形成“瓶塞”提供条件。
2)压注量的计算公式
3)压入施工
当倒数第4环和第3环管片拼装完成以后,在这2环管片上的预留注浆孔上安装注浆球阀,待该环管片脱出盾尾以后,立即将注浆孔的外部保护层打穿,注油溶性聚氨酯。聚氨酯遇水膨胀形成止水塞,封闭隧道纵向渗水通道。油溶性聚氨脂注入效果如图2所示。
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