盾构法施工区间隧道已广泛用于地铁施工中, 而面对地层渗透性较大、下穿河道的区间往往采用泥水盾构。本区间作为某市地铁工程首个泥水盾构区间, 在施工过程中经历带压开仓维修碎石机、下穿故黄河等一系列高风险施工内容, 本文就施工中的一些问题、经验进行总结。

区间隧道左线平面设置2条半径R=1 200m和R=700m的平曲线, 左、右线间距12.000~16.000m, 隧道拱顶覆土8~20m。线路两侧均为农田, 昆仑大道车流量较大, 地下管线较密集, 区间现状地理位置如图1所示。区间采用圆形标准型管片, 环宽1 200mm, 管片外径6 200mm, 内径5 500mm, 厚350mm, 采用错缝拼装。

本段地貌类型为废黄河高漫滩, 浅部14~24m以上由黄河冲积的粉土、粉质黏土以及含黏性土粗砾砂堆积而成, 其下为河流冲洪积老黏土, 下伏基岩为白垩系上统王氏组粉砂岩、砾岩, 地层走向北东, 倾向北西, 倾角约10°。

本工程场地内地下水主要为浅部第四系粉土层中的孔隙潜水———弱承压水及基岩裂隙水。本工点范围内河道为古黄河废河道, 现处于淤积状态, 不存在冲刷。本工点区间隧道于里程K23+270—K23+600段下穿故黄河及其支流河道, 废黄河区域分布有厚层 (2) _5-3砂质粉土, 渗透性较好, 是地下水与地表水的良好联系通道, 两者水力联系密切。

区间主要沿昆仑大道南侧防护绿地内布设, 沿线主要建 (构) 筑物为故黄河及其支流、故黄河桥等。穿越主要管线有:DN425燃气管, DN200, DN300, DN800, DN1000给水管, DN400, DN1200排水管等。

本区间隧道要穿越故黄河故道及支流河道, 河道底标高约32.250m, 故黄河 (河面宽160m) 及其支流河道共宽约300m, 水深2~4m, 支流河道水深1~2m。左线隧道距离故黄河桩基最小距离约9.0m, 隧道顶板距离河底约12m。地表水、地下水水力联系密切, 砂质粉土层透水性强、易坍塌、风险较大。该段为特殊地段, 盾构机需满足以下要求: (1) 有效保证盾构过故黄河段开挖面的稳定和严格保证故黄河河道及黄河桥桩的沉降; (2) 盾构机要能及时应对过故黄河段地层的喷涌; (3) 盾构机掘进效率要高, 保证快速、平稳、有序地通过故黄河及支流河道。

通过对施工技术难度及风险进行分析, 最终选用带有气垫仓的泥水平衡式复合盾构机。

刀盘采用四辐条+四面板的复合式设计, 刀盘开孔率38%, 开挖直径6 500mm, 并根据本区间的地质工况, 对刀盘刀具进行优化, 滚刀全部更换成撕裂刀, 刀盘刀具调整如表1所示。

盾构机自车站西端头井始发出加固土体后, 掘进速度始终较低, 后经操作发现碎石机出现问题暂无法使用, 同时由泥水仓排出的循环泥浆不稳定, 推测可能由于盾构机在黏土地层掘进, 大块黏土被格栅阻挡, 碎石机无法工作, 导致进浆口格栅有效工作面积减小, 致使掘进效率降低。

因气垫仓内碎石机右侧存在漏油, 无法继续使用, 盾构目前在粉质黏土层中推进, 推进速度极为缓慢, 且出渣易堵, 判断为掘进过程中粉质黏土泥团较多, 安全门与格栅之间容易堵塞造成排浆受阻导致掘进出渣困难, 严重影响掘进。为保证盾构顺利穿越故黄河支流及主河道, 决定提前处理盾构机碎石机故障, 采取带压进仓更换破损液压管路、拆除格栅作业。

采用液压动力颚式碎石机, 碎石机润滑是自动的, 通过控制板可以方便地进行控制^[1]。配置有2个冲洗喷嘴, 防止阻塞或者在碎石机区域的大量沉积。油管接头和活塞杆采用特殊设计。同时破碎机设计有摆动搅拌功能, 摆动模式是一种搅拌工作模式, 破碎机油缸同方向动作, 即一缸伸一缸缩, 交替进行实现搅拌的目的^[2]。当其中1只油缸的有杆腔和另一只油缸的无杆腔压力达到程序设定值时, 换向阀换向, 油缸向另外一个方向摆动。由于本区间无硬岩, 操作采取摆动搅拌功能, 可有效降低底部渣土的堆积。

在破碎机后部设计有格栅装置, 通过格栅对渣土粒径进行选择, 保证通过渣土粒径满足排浆泵能力要求。格栅正面焊有硬质焊接保护材料。同时, 在格栅处也设计有2个冲刷喷口, 可有效降低格栅堵塞的几率。

通过张开、闭合吸浆口处的碎石机鄂板粉碎吸浆口处的大块碴土或堆积物, 保证排渣顺畅。盾构掘进时, 堆积物有可能会大于鄂板的有效范围, 可通过单独开启气垫仓下部排浆口处的进浆管, 增加冲刷压力或循环时间来将排浆口处的堆积物清理干净。

2016年11月11日, 新加坡地铁某项目, 泥水盾构抵达风井出洞, 对碎石机清理检查, 发现碎石机右侧情况较好, 左侧问题严重。

左侧油缸与齿板连接螺栓 (10M20) 全部断裂 (见图3) 。暂不清楚该处螺栓是何时断裂及断裂原因。油缸伸出时, 连接法兰撞击到切口环, 致使变形。试验伸缩油缸时, 发现油缸从密封处漏油。

盾构机掘进到656环, 碎石机又发现损坏。2017年7月21日凌晨, 210盾构机破碎机油缸与和油缸连接的底座螺栓在P2.1采石箱被发现后, 立刻停机, 上报业主 (LTA) 并申请进仓检查。2017年7月22日开始清理气垫仓。2017年7月23日发现隧道掌子面不太稳定, 且现在向前掘进4环就到达隧道联终通道加固区;现场根据情况, 将破碎机油缸与和油缸连接的底座之间的螺栓用高等级 (12.9) 的短螺栓连接 (去掉螺栓套) 。将油缸与鄂板间的连接销轴与销轴上的端盖之间的连接螺栓去除后, 让连接销轴自由转动。

目前盾构掘进至47环, 刀盘里程K23+582.83, 埋深10.5m。为确保泥水盾构能安全顺利穿越故黄河支流及主河, 拟定在穿越支流前实施开仓作业工序, 对格栅进行割除及修复破碎机管路。

1) 根据对故障情况判断, 目前已确定为右侧存在漏油故障。

2) 进仓人员先找到漏油位置, 根据损坏情况初定更换方案。

3) 若为油缸损坏不能当场修理, 则留下影像资料, 寻求专业维修人员处理。

1) 首先对安全门下部滑槽内渣土进行清理;安全门区域务必清理干净后再关闭。

2) 根据实际情况确保格栅周围泥水低于格栅一半 (隔板底部泄压排浆阀放浆) , 采取砂轮机对格栅进行割除 (见图4) 。

3) 对较大部分进行分解, 带出仓外。

4) 检查仓内是否遗留工具, 专人确认后, 加泥浆保压恢复。

目前停机位置从上至下依次为:1.94m回填土、0.8m (2) _5-2砂质粉土, 7.76m (2) _5-3砂质粉土、刀盘面范围内从上至下:0.98m (2) _5-3砂质粉土、3.08m (2) _4-3粉质黏土、0.5m (5) _3-4黏土、1.8m (5) _3-4B砂质粉土, 如图5所示。

因本区间处于含水丰富地段, 地层自稳能力较差时, 必须由盾构机泥水仓内部来提供使地层稳定的支撑压力, 这种情况下需要采用带压进仓方式进行仓内所需的各项作业。

气压作业的关键控制在于保持刀盘仓内的气压稳定, 如果气压骤变, 不仅会造成掌子面土体失稳坍塌, 还会导致仓内工作人员产生气压病, 并危及作业人员的生命安全。根据盾构带压作业特点分析^[3], 刀盘仓内气体主要有以下几个逃逸通道: (1) 掘削面向周围地层漏气; (2) 盾尾及管片接缝处漏气; (3) 盾壳周围地层漏气; (4) 盾构设备本身密封不严造成漏气^[4]。

1) 盾构到达换刀地点前气密性保障 (1) 在预计的带压进仓作业点之前15m时, 提高泥浆质量; (2) 加强同步注浆量, 保证同步注浆管通畅, 能够同时注浆; (3) 加强管片接缝密封性, 防止压缩空气从管片接缝处向隧道内逃逸; (4) 检查盾构本身的气密性, 包括人仓、气垫仓门的密封性及各管路阀门关闭后的密封性, 防止因盾构设备本身密封不严而造成漏气。

2) 盾构到达换刀地点气密性封堵 (1) 盾构停机后进行泥浆循环, 对刀盘仓内进行泥浆充填^[5]; (2) 向盾尾注入高浓度泥浆; (3) 向中盾壁后注入高浓度泥浆。

3) 盾尾后管片封堵施工根据目前停机的里程及管片与盾尾的关系, 首先确定盾尾后管片注浆密封的具体环号。 (1) 在到达预定开仓位置前, 停机前3~5环, 提高管片的同步注浆量; (2) 将管片的二次注浆孔打通, 对管片背后进行二次注浆^[6]。

4) 刀盘舱内泥浆置换

泥水站拌制新鲜高浓度泥浆 (相对密度1.05~1.15, 黏度50~70Pa·s, 失水率≤15m L/30min, 胶体率≥96%) 利用盾构机的环流系统送至开挖仓内, 同时刀盘转动 (刀盘转速0.5~1r/min) , 让原有残留泥浆和新鲜泥浆充分搅拌均匀, 在仓内形成优质泥浆。

为增大泥膜厚度, 需要使泥浆尽量渗入土层中, 采用压力差的方式增加泥浆的渗透量。在盾构机内提高开挖面泥浆的设置压力, 使其较理论切口水压大0.02~0.04MPa, 并保持压力1h, 以使泥浆充分渗入土体而形成较厚泥膜。

工作安全分析JSA (job safety analysis) 是用来评估任何与确定活动相关的潜在危害, 保证风险最小化结构简单的方法。通过对本工程基本情况、带压开仓作业进行细致分析, 结果如表2所示。

1) 泥水仓压力控制在0.19MPa左右, 略高于掌子面水土压力计算值。

2) 为防止泥水仓压力击穿河底覆土层, 对河面采用堆载反压处理。

3) 提前与附近配备有高压氧仓的医院取得联系, 确保人员第一时间送医。

4) 建立受限空间作业许可、登记制度。

1) 带压进仓期间, 河面安排专人观察河面情况, 不间断查看河面冒气泡情况, 如有较大变化, 及时汇报。

2) 对空压机及储气罐数据进行实时监控, 确保压缩空气来源稳定。

3) 进仓前, 对发电机应急情况下的切换提前进行调试;每天上班前再次进行确认;并由设备部门熟悉应急切换的人员负责管理。

4) 作业人员随身携带照相机, 以便及时掌握仓内各种情况, 并做出分析和判断。

5) 进仓人员必须穿纯棉工作服, 不得穿化纤衣裤。

6) 事前配备氧气袋, 便于出仓人员应急供氧。

地表监测人员24h进行地表监测与观察, 仓外人员和主机室人员要随时观察气压、刀盘仓压力的变化情况, 如有变化或遇突发情况, 及时通知现场指挥人员, 及时通知作业人员全部撤离至人员仓并第一时间关闭泥水仓门, 然后通过减压程序出仓。带压开仓期间, 河面气泡稳定, 无剧烈变化。

1) 本区在恢复掘进后, 掘进总推力明显下降, 开仓前7环总推力平均值11 400k N, 开仓后恢复掘进的7环平均推力8 840k N, 降低了22.4%, 刀盘扭矩下降了11.5%, 速度增大了31.6%。而在通过故黄河段期间, 更是保持了高效、稳定的掘进状态。

2) 通过本次泥水盾构带压开仓作业的实施, 不仅提高了盾构掘进效率, 也为在故黄河河底掘进带来安全、高效的保障。