盾构始发、盾构姿态调整、管片上浮控制、过冲刷槽、开仓换刀等一直是过江隧道施工的重难点。本文以福州地铁泥水盾构穿越闽江为工程背景, 研究富水暗流砂层盾构始发、饱和软土地层管片上浮控制、低贯入度淤泥地层中盾构推进、下卧粉细砂层冲刷槽段施工中遇到的问题和控制措施。

福州地铁2号线金祥站—祥坂站盾构区间跨越闽江, 长约1 576m, 最小平面曲线半径450m, 最大纵坡为29‰, 覆土厚度12~30.6m。盾构机出金祥站沿金祥路向东行进至闽江大道后下穿融侨水乡别墅, 之后下穿闽江, 过江滨大道后进入祥坂盾构站, 区间隧道两侧主要为凯旋丹枫高层住宅、金汇豪庭高层住宅、融侨水乡别墅区、闽江、防洪堤、江滨大道高架桥基础等, 如图1所示。盾构区间采用中交天河直径6 500mm的泥水平衡盾构机掘进, 盾构机长10.85m。隧道工程管片采用通用楔形管片, 管片外径6.2m、内径5.5m、环宽1.2m, 管片楔形量为37.2mm。

闽江段地层情况较为复杂, 以流塑状淤泥质土为主, 期间夹杂含泥粗中砂、含粗砂粉质黏土。稳定水位标高为-1.890~9.020m, 含泥粗中砂中地下水由潜水转为承压水, 勘察时测得含泥粗中砂的水位埋深为4.06~4.11m, 且该层地下水与闽江直接相连, 靠近闽江附近的地下水受闽江涨落潮变化而变化。淤泥质土强度很低, 平均贯入度2.4, 地基承载力特征值为55k Pa, 快剪试验得到的黏聚力为21.1k Pa, 内摩擦角为2.1°。

1) 进出洞的地层条件较差, 基本都处在中粗砂和淤泥质土地层中, 地下暗流丰富, 盾头加固和洞门密封尤为重要。

2) 地层是以淤泥质土为主的软土地层, 含水量丰富, 管片极容易上浮, 影响隧道线型。

3) 穿越闽江段地层以流塑淤泥质土为主, 贯入度为2.4, 承载力低, 盾构姿态很难控制。

4) 浅覆土冲刷槽段, 地层厚度急剧变化, 需要合理盾构和泥水参数;下卧有泥质粉细砂层, 容易扰动超挖。

为了确保盾构出洞施工的安全和更好地保护线路附近建筑物, 盾构进出洞前必须对洞口土体进行加固和对洞门做良好的密封。

如图2所示, 端头加固长度范围12m, 宽度为隧道外边线2m, 深度范围为洞圈上下3m。采用三轴搅拌桩满堂加固, 配合高压旋喷桩。加固区远离端头井一侧为800mm厚素混凝土墙。端头井地层设3口降水井, 井深为洞圈向下3m, 用于端头井地层的降水固结。加固体中间设1口观察井, 井深为洞圈向下2m, 以检验加固区周边地下水情况。为了克服暗流等地下水的影响, 高压旋喷浆液改进为水泥水玻璃双液浆, 水泥浆水灰比1∶1, 水玻璃浓度30~40°Be', 水泥水玻璃浆液体积比1∶1, 并根据现场具体情况调整。

如图3所示, 端头井洞门预埋钢环设计为内径6.8m, 采用短套筒模式进行洞门密封, 密封结构为2道盾尾钢丝刷和1道帘布橡胶板。盾尾钢丝刷能拦挡泥砂流出, 帘布橡胶板配合折页板控制泥水的流出。在预埋钢环和密封环上分别焊接1道钢丝刷, 钢丝刷端部长10cm, 刷体部分长53cm, 2道钢丝刷间距50cm, 保证与盾构机外壳紧密接触。同时, 盾构机始发刀盘转动时, 不会刮蹭到钢丝刷以致其变形, 保证钢丝刷的密封效果。在2道盾尾钢丝刷之间的密封腔内加注盾尾油脂, 在洞门短套筒10:00~11:00, 1:00~2:00方向设置压力表, 观察油脂腔压力情况, 保障泥水盾构顺利建压。

管片上浮是富水软土地层中盾构施工的通病, 应合理设定同步注浆、二次注浆、盾构掘进参数, 将管片线位偏差控制在±50mm。

根据盾构机开挖直径与管片外径计算, 每环理论空隙约为3.59m³, 考虑到地层中浆液的扩散及收缩, 依据地表的沉降监测数据, 淤泥质土地层将浆液的扩散系数定为1.38, 砂层扩散系数为1.67, 复合地层取值在两者之间。同步注浆采用注浆量与注浆压力双控来保证隧道间隙的饱满。盾尾有4个注浆孔, 如图4所示。调整注浆点位, 上部注浆孔注浆量为下部注浆孔的2倍, 利用注浆扩散压力来下压管片。

根据区间地质情况以及其他城市类似地质的施工经验, 选用了4种配合比的同步注浆浆液进行试验和改进, 优化出适合福州地层的同步注浆浆液, 如表1所示。当1m³同步注浆浆液中水泥的含量增加到200kg, 同步注浆液凝固时间减小, 早期强度得到提高, 该浆液具有较好的流动性, 固结后体积变化小、泌水率小、和易性和可泵性好, 并具有良好的充填性能, 浆液在固结后具有一定的抗压强度, 有效减少隧道管片成环后隧道及地面的后期沉降。

后方注浆在推进过程中与同步注浆同时进行, 注浆位置为脱出盾尾4环, 两环一注, 浆液水灰比1∶1, 注浆量0.2~1m³, 水泥浆与水玻璃体积比1∶1, 注浆位置在隧道顶部或者隧道周围。采用管片开孔注浆方式, 水泥水玻璃双液浆初凝时间控制在20s左右, 对管片形成环箍抑制管片上浮, 同时不至于前窜影响盾尾钢刷。

盾构机开始掘进后, 即同步开始壁后注浆, 同步注浆的速度与盾构机推进的速度相匹配。同步注浆量为5~5.5m³, 最大注浆速度为0.4m³/min, 注浆时间最短控制在16min, 理论推进速度<75mm/min, 实际推进速度控制在30~60mm/min。为保障管片被浆液固结稳定, 每日掘进环数不超过8环。根据各地层管片的上浮量, 盾构机推进轴线高程降至设计轴线下20~50mm, 以抵消管片自身的上浮量。

可以在管片内部添加配重的方式, 增加管片的总体质量, 克服管片上浮。极端情况下, 也可以考虑通过管片底部吊装孔放掉部分同步浆液, 但是浆液流到隧道内易污染、喷涌风险大。

盾构机重心靠前, 在软土中掘进时盾构机栽头是一种普遍现象。据此调整盾构机掘进姿态, 通过设定盾构机分区压力和铰接伸出量来控制掘进时的姿态。

如图5所示, 盾构机共装备有32根油缸, 每根油缸的推力为1 300k N, 总推力为41 600k N。盾构机共有16组千斤顶, 分为上、下、左、右4个区, 可简化为4个点, 通过设定分区压力差形成纠偏扭矩调整盾构机的垂直和水平姿态。纠偏力矩与盾构机的俯仰角和方位角、加速度有很好的相关性。

隧道设计轴线发生偏转时, 盾构机需要相应的偏转扭矩去适应线型的变化。设计轴线左转时, 提高右区油缸推力;设计轴线右转时, 加大左区油缸推力, 如图6所示。同样方法, 设计轴线上坡和下坡, 分别提高下区油缸和上区油缸压力。地层的不均一性也会影响区压对盾构机姿态的作用结果。

地层的不均质性、盾构机操作不合理等因素会引起盾构滚动角的变化。盾构机滚动角变化<0.1°时, 可以通过反转盾构机刀盘的方式提供反向扭矩纠偏。滚动角变化>0.1°时, 可以通过在拼装机上相反侧悬挂管片的方式提供反向扭矩纠偏。当滚动角持续变大时, 在油缸撑靴底部垫钢楔块控制盾构机的滚动。

根据施工情况, 总结了福州淤泥质土地层盾构纠偏原则:盾尾间隙控制为主, 线型控制为辅, 间隙不好, 盾构机姿态很难控制;油缸行程差超过50mm, 管片容易刮蹭盾尾, 影响盾构姿态;根据管片结构, 掘进过程中一次纠偏量不应超过7.2mm, 即油缸行程差应控制在37mm以内, 否则容易出现管片跟不上盾构的情况;在圆曲线和缓和曲线段靠近圆心侧预留10~40mm的偏移量, 以抵消转弯时盾构机外移。

冲刷槽段为整个区间覆土厚度变化最大的区段, 且最大覆土厚度 (30.6m) 到江底暗流冲击的最小覆土厚度 (12m) 之间距离仅为130m。冲刷槽段设计线型为直线, 坡度为-4.9‰。通过优化泥浆参数、正确设定泥水压力、合理调整盾构机参数等, 保证快速顺利通过冲刷槽段。

淤泥质土地层具有较强的自主造浆能力, 随着掘进过程泥水密度、黏度会持续增大, 虽然密度和黏度的持续增大可以快速在刀盘掌子面形成质量较好的泥膜、泥皮, 但会严重增加泥浆泵站的负荷及管道内的流体压力, 造成泥水循环困难, 根据下穿经验泥浆密度控制在1.05~1.3g/cm³, 黏度控制在30s左右。

复合式泥水平衡盾构机正常掘进要保证掌子面处水土侧压力和设定的泥水压力平衡。泥水压力过大可能击穿江底, 过小会造成掌子面一定程度的塌方。过江隧道断面主要为流塑状淤泥, 泥水压力计算采用水土合算的方式。实际施工过程中采取静止土压力为泥水压力上限值, 主动土压力为泥水压力下限值。泥水压力的波动值控制在±5%。由于受江面水位变化及地层条件不确定性的影响, 泥水压力在计算值基础上及时根据现场情况进行适当调整, 泥水压力设定值如图7所示。停机保压气泡仓液位变化50mm以上时, 或出渣量异常时, 有必要重新校对泥水压力设定值。

冲刷槽段隧道区域为淤泥质土, 特别需要注意的是下卧层为粉细砂层, 容易引起超挖, 造成盾构机姿态恶化, 影响该区域地层的稳定性。

克泥效是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成的一种新型材料。在通过推进及铰接收放过程中, 将高浓度的克泥效与水玻璃以适当比例混合成高黏度塑性胶化体后, 配管压送到盾构机的前盾体下部, 混合后的流动塑性胶化体不易受水稀释, 且其黏性也不随时间而变化, 可以改善盾体下方土体承载力, 稳定粉细砂层, 同时还可以给予其一定的向上抬升力, 减缓盾构机的栽头趋势。克泥效∶水玻璃=20∶1 (体积比) , 水玻璃浓度为40°Bé, 混合液可达到牙膏状效果, 凝结时间4.5s, 黏度350d Pa·s。克泥效注入区域和作用效果如图8所示。

淤泥质土地层中掘进时, 盾构机垂直方向上相对于设计轴线留有5‰的向上趋势, 如图9所示。盾构机垂直姿态偏差控制在±50mm, 避免大的纠偏动作影响地层稳定, 如图10所示。盾构机泥水循环采取逆洗模式, 降低泥水循环对下卧粉细砂层的扰动。以调低转速、高速度、适当增加贯入度策略推进, 同时避免造成泥水仓渣土滞排影响气泡仓液位稳定。如图11, 12所示, 刀盘转速为0.8~1.2rad/s, 推进速度30~45mm/min, 贯入度在35~50mm, 刀盘扭矩700~900k N·m, 推力为14 000~22 000k N。

1) 富水砂层端头井采用了三轴搅拌桩+高压旋喷桩+混凝土塑墙加固方式, 为克服地下暗流的影响创造性地采用了水泥水玻璃高压旋喷的施工工艺, 达到了预期的加固效果。

2) 洞门密封由2道钢丝刷和1道帘布橡胶板组成, 起到阻砂隔水的效果, 并用压力表实时监控钢刷之间油脂压力情况, 顺利完成泥水建压。

3) 针对软土富水地层中盾构管片上浮问题, 提高同步注浆水泥掺量, 及时注射双液浆打环箍, 盾构机线下推进, 管片内堆压重物, 将管片上浮量控制在允许范围内。

4) 跨江段淤泥质土地层, 贯入度和地基承载力低, 盾构机采用仰头推进的方式, 相对于设计轴线留有5‰的垂直向上趋势。

5) 在下卧层为含泥粉细砂地层中推进时, 选用逆洗的环流模式, 合理设定泥水压力和参数, 实时监测出渣情况, 控制盾构机处于良好姿态, 快速、顺利通过该区域。