兰州地铁1号线是我国首座下穿黄河复杂地层并用于城市轨道交通的水下隧道工程, 主要穿越大粒径强透水砂卵石地层^[1,2]。由于兰州地处黄河上游, 黄河流经兰州段河道狭窄, 水流湍急, 故相比于北京、沈阳和成都地区砂卵石地层而言, 兰州地区的砂卵石地层具有更明显的卵石粒径大、漂石含量高、颗粒级配差、地层渗透性大的特点。特别是兰州地铁1号线部分区段按线路规划要横穿黄河^[3], 穿黄段区间最大覆土和水位埋深达到30m以上, 预设换刀区间间隔>200m。下穿黄河段盾构施工一直被视为兰州地铁1号线建设的控制性工程, 决定着工期, 关系着兰州地铁建设工程的成败。大埋深和高水位情况下如何实现盾构长距离安全快速掘进更是成为困扰本区段施工的主要问题。

从北京地铁施工遇到砂卵石地层开始, 国内学者对砂卵石地层中盾构掘进的控制问题就非常重视并开展了大量研究, 如乐贵平等^[4,5,6]针对北京地铁盾构穿越无水砂卵石地层施工情况, 从不同施工阶段面临的施工困难出发, 探讨了砂卵石地层施工应重点关注的若干问题, 为砂卵石地层施工盾构选型及刀具配制指明了方向;王岩等^[7]针对砂卵石地层土压平衡建立困难、刀盘刀具磨损严重、螺旋出土器出现抱死的情况, 分析了造成施工困难的原因并提出了渣土改良和刀盘改造等应对措施;宋克志等^[8]以北京市凉水河南岸污水盾构隧道工程为背景, 针对砂卵石地层对泡沫改良技术进行了室内试验研究和现场应用, 结果表明, 使用泡沫后, 开挖面土压平衡容易建立, 同时能大大减轻机械负荷和刀盘刀具磨损。叶康慨^[9]以沈阳地铁五里河—奥体中心盾构下穿浑河工程为背景, 介绍了无水砂卵石地层盾构选型、刀盘刀具的配备特点, 重点探讨了施工过程中掌子面稳定措施, 泥水处理思路以及换刀等关键技术的实施方法;杨书江^[10]根据成都砂卵石地层“地下水位高、卵漂石含量高、卵石强度高”的特点, 以成都地铁1号线盾构4标左线隧道施工为例, 从盾构选型、掘进参数选择、快速换刀、建筑物保护和监控量测等方面, 对土压平衡盾构在富水砂卵石地层中的快速掘进技术进行了初步探讨;章慧健等^[11]以成都地铁1号线盾构3标项目为背景, 对浅埋富水砂卵石地层条件下的土压平衡盾构带压换刀技术进行研究, 重点论述了带压换刀气压值设定与膨润土泥浆的制备问题。于跟社等^[12]从盾构机的改造、浆液配合比试验、渣土改良等几个方面论述了土压平衡盾构隧道长距离穿越砂卵石地层并穿越河流的施工技术。晏启祥等^[13]通过回顾成都地铁1号线一期工程前期盾构选型和施工的若干问题, 提出并总结了富水砂卵石地层盾构选型和刀具配置的一些具体对策, 为砂卵石地层盾构施工提供了相关技术指导。

由于地域原因, 目前包括兰州在内的很多西北城市地铁建设才刚刚起步, 今后在城市轨道交通建设以及市政基础设施建设中还将大范围涉及穿黄盾构隧道工程。本文通过回顾和总结兰州地铁1号线穿越黄河段隧道施工中遇到的若干问题及相应解决措施, 旨在为今后类似工程的建设提供参考。

根据路网规划要求, 兰州地铁1号线区间线路需要在迎 (门滩) —马 (滩) 区间及奥 (体中心) —世 (纪大道) 区间2次下穿黄河。其中, 迎 (门滩) —马 (滩) 区间在银滩黄河大桥上游38~49m处下穿黄河, 穿黄段地貌以高漫滩、低漫滩和黄河河床为主, 下穿黄河段长度约404.6m, 黄河水面宽约200m。穿黄段区间地层从上到下依次为 (1) ₁杂填土、 (2) ₁₀卵石层和 (3) ₁₁卵石层, 区间最大覆土厚度为36.3m, 隧顶最高水位为28.7m, 地质纵断面如图1所示。 (2) ₁₀, (3) ₁₁卵石层普遍分布粒径>20 cm的漂石, 最大粒径50 cm, 分布随机性较强, 无明显的成层规律。下穿黄河段盾构隧道全部位于 (3) ₁₁卵石地层中, 该层卵漂石含量占55%~70%, 卵石的饱和抗压强度72~163MPa, 平均抗压强度105.7 MPa, 一般粒径20~50 mm;砾石含量占10%~25%, 中粗砂充填, 级配不良, 磨圆较好、分选较差, 局部为钙质弱胶结或无胶结, 渗透系数达到55m/d。

本区段盾构区间由双线隧道组成, 两线最小间距为7.8m, 区间采用2台直径6.48m泥水盾构进行施工, 具体参数如表1所示。左、右两线均自迎门滩向马滩方向掘进, 设计施工过程为先掘进右线隧道, 然后再掘进左线隧道, 一次连续掘进>200m。

本区间右线隧道全长1 906m, 左线隧道全长1 908m, 目前右线穿越黄河河底段已全线贯通, 左线穿越黄河段还在施工中。回顾本区段盾构穿越黄河施工, 可谓“困难重重”, 盾构施工过程中多次被迫停机, 刀盘刀具磨损严重, 国内知名地下工程专家称其为“世界级难题”。概括来说, 穿越黄河段盾构施工中遇到的问题主要有以下几个方面。

右线隧道自始发到掘进至195环, 施工参数均处于正常范围, 平均日掘进14~18环。工作舱压力稳定在1.70bar (1bar=0.1MPa) , 开挖舱压力稳定在1.40bar, 刀盘转矩为410~740k N·m, 平均推力6 700~10 000k N。但掘进至196环, 启动泥水循环由旁通循环转换至推进循环的过程中, 发现掌子面压力突然从1.40bar下降至0.67bar, 工作舱液位急剧降低。现场采取应急处理后液位逐渐恢复稳定, 之后启动刀盘进行掘进, 却发现刀盘无法转动。地面泥浆池值班人员反映损失浆液达162m³, 地面检测人员反映刀盘位置处地表沉降较大, 达到9.0mm, 具体地面沉降以及冒浆情况如图2所示。

施工方首先对卡刀位置处地质情况进行调查, 此时盾构机位于 (3) ₁₁卵石层中, (3) ₁₁卵石层厚5.7m, 上覆土厚度14.5m, 隧顶水位高度7.4m。分析卡刀原因, 可能是由于地层本身存在空洞, 施工过程中地层坍塌, 盾构机被压埋;再者刀盘卡住处原先是采砂坑, 也有可能是因为采砂坑回填土中存在大块建筑垃圾导致刀盘卡住。在核实了主驱动和液压马达均运转正常无故障情况下, 施工现场立即采取了如下处理措施。

1) 持续泥浆循环利用泥水循环管路, 持续冲洗开挖舱, 但实际效果不佳, 基本无卵石输出。

2) 注入分散剂通过进浆管路对开挖舱注入浓稠泥浆, 并在浆液中添加分散剂。实际效果:通过进浆管路注浆时, 开挖舱压力基本无变化。在加注分散剂并循环后, 也无渣土输出。

3) 利用脱困扭矩转动刀盘施加刀盘扭矩达到7 400k N·m, 刀盘正反转仍不工作。

4) 收缩千斤顶, 同时开挖舱压力加压到1.50bar并维持5min, 使盾构机后退在实施过程中, 盾构机没有后退, 再次尝试转动刀盘, 刀盘仍无动作。

在上述措施确认失效的情况下, 施工单位拟通过降水和辅助措施的办法进行脱困, 共考虑了5种施工方案: (1) 降水+刀盘自转; (2) 降水+围护桩加固; (3) 降水+刀盘封堵; (4) 向舱内注入化学浆液; (5) 降水+围护桩+施工竖井。最后从安全、可操作、经济性方面综合考虑, 确定采用降水+围护桩加固的施工方案, 如图3所示。降水常压开舱后将掌子面异物清理完成, 但仍未能使刀盘正常运作, 且无法建立泥水循环, 商讨后得到结论:卡刀原因是刀盘顶部存在大范围不稳定土体, 从舱内清土只会造成上部不稳定土体进一步坍塌, 形成恶性循环。

为恢复掘进, 最终施工单位确定了从地面施作竖井、一次性清除刀盘上方不稳定土体的施工方案。该方案先对卡刀位置处前后土体进行注浆加固, 然后开挖竖井, 整体清除刀盘上方不稳定土体。

刀盘上方土体清除后刀盘脱空, 正反转刀盘后重新建立了泥水循环, 盾构恢复掘进。

右线推进至616环时掌子面压力突然升高, 切口压力由2.09bar上升至2.60bar, 工作舱液位从0.13m急剧上升至1.86m, 刀盘扭矩由800k N·m增加至3 200k N·m, 刀盘卡死不能转动。经紧急处理, 稳定了工作舱液位, 多次努力正反转刀盘后恢复掘进, 恢复转动时刀盘最大扭矩达到5 600k N·m。后续掘进过程中发现扭矩持续增大且掌子面压力波动大难以稳定 (一直在2.2~4.1bar波动, 正常为2.1bar) , 地面监控人员反映盾构上方水塘内出现溢浆冒泡现象, 随之观察到塌陷坑洞, 直径约7m, 深约8m。

现场对塌方情况进行调查和分析发现, 造成此次塌方事故的主要原因是由于前期对该区域地质情况勘察不足。前期的工程勘察资料显示本区有2个采砂坑, 采砂坑回填土厚13~17m, 隧道有效上覆土厚度7~8m。而实际施工过程中发现, 隧道有效上覆土厚度只有2~3m, 由于覆土较薄, 盾构推进至采砂坑附近区域时, 泥浆穿透地层, 保压困难, 随之出现冒泡和浆液外溢事故, 进而引发掌子面塌方。

现场首先对塌方区域附近的地质情况进行了补充勘察, 精确测定了塌方范围。然后采用C25混凝土对塌陷坑洞进行充填, 充填厚度1.0~3.0m, 使之在隧道顶部形成一层保护壳体。填充混凝土具有一定强度后, 再在其上填埋一层砂土。

考虑到采砂坑附近地层主要为杂填土, 采砂回填土中大粒径卵漂石含量高, 地层渗透性大, 地层稳定性较差, 且右线掘进过程中已经对土体产生了严重扰动。泥水盾构在向前掘进过程中仍面临着流浆、冒泥风险, 易造成刀盘卡死、二次坍塌等严重后果, 所以对隧道掘进线上方采砂坑区域土体进行袖阀管注浆加固。注浆加固范围为盾构隧道左、右各3m, 加固深度为隧顶上部1.0~6.0m, 注浆间距为1 200mm×1 200mm, 共布置246个注浆孔, 如图4所示。浆液采用水泥水玻璃双液浆, 其中水泥浆采用42.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比为1∶0.8~1∶1, 水玻璃波美度为33~38°Bé, 水泥、水玻璃体积比为1∶0.8, 凝固时间约为1min 45s。注浆完成后检测得到地层渗透系数为0.8×10^-6cm/s, 满足施工要求。掘进记录显示, 对采砂坑区域进行注浆加固后, 盾构在后续掘进过程中状态良好, 未出现掌子面塌方问题。

右线盾构在推进至627环时, 泥水循环系统排浆流量由850m³/h急剧降低至300m³/h, 进浆管压力则由2.3bar迅速升高至6.0bar, 出现环流堵塞现象。注意到进浆管路压力异常, 操作手紧急切换环流系统至旁通循环, 待进排浆流量恢复正常后, 再将环流系统重新切入掘进循环, 但发现切入掘进循环后, 进排浆流量均急剧降低, 进浆压力更飙升至9.0bar, 为保证安全又迅速切换回旁通模式。如此反复试验多次, 均无法在掘进模式下恢复正常环流。此外, 由于本区段卵石含量高、粒径大, 在施工掘进过程中, 大卵石在开挖舱底部沉积, 并最终堵塞开挖舱。特别是穿越采砂坑地段, 开挖舱堵塞频繁, 最多时1环堵塞了8次, 积舱滞排情况如图5所示。

由于627环处于采砂坑加固区内, 于是决定在常压条件下开舱, 对气垫舱底部进行检查清理。具体处理过程如下: (1) 测量降水井水位, 确保水位在隧道底部以下; (2) 关闭安全门, 气垫舱压力降低至0bar; (3) 打开气垫舱舱门, 进入气垫舱检查, 发现气垫舱底部已被大量卵石堆积堵塞, 且冲洗管路已被卵石埋没; (4) 人工清理气垫舱, 刨除底部沉积卵砾石; (5) 根据卵石堆积情况对冲洗管路进行了优化, 包括增加进浆管V3, V4冲洗管的冲洗流量, 增加V3, V4冲洗管长度, 提高对准气垫舱底部的冲洗压力; (6) 管路优化完成后恢复掘进。

至于掘进过程中频繁出现大粒径卵石堵塞泥水循环管路的问题, 分析原因主要是由于排浆泵的过流直径有限, 仅为180mm。为保证排浆泵安全, 在落石箱中设置了150mm×150mm钢格栅, 阻止大粒径卵石进入排泥管路, 并采用人工清理方式清除落石箱底部大粒径卵石。但实际推进过程中发现大卵石被格栅拦截并卡在格栅口上, 小粒径卵石在大粒径卵石背后不断堆积, 并逐步积满落石箱, 由此造成土舱下部卵石被挤紧压密, 出土困难问题更加突出。为解决这一困难, 在土舱底部增加了搅拌装置并采用大功率碎石机, 定期进行泥水循环入口格栅处大粒径卵石清理。采取了如上处置措施后, 积舱滞排情况减少, 盾构推进速度有明显提高。

卵石含量高、粒径大, 同时该地层卵石中的石英含量大, 导致碎石机工作负荷较重, 故障率高, 故障高峰时每掘进10环就需要进行一次维修。碎石机故障形式包括销轴固定端磨损、销轴磨损、油缸漏油和杆腔出现裂纹、脱落。由于碎石机出现故障, 部分大粒径卵石破碎不完全, 无法从泥浆管路排出。这就导致须进入气垫舱清理维修作业的频率增加, 在此情况下, 要求安全门必须具有较高的可靠性, 以保证掌子面和气垫舱完全隔离。但实际作业过程中, 由于大直径卵石卡在安全门关闭路径上, 导致安全门无法完全关闭, 进一步导致人员无法常压进舱作业。

首先进行现场调查, 分析了造成机械故障的原因是本区地层中包含较多的采砂回填土。由于采砂取走了细小颗粒, 回填土基本全是大粒径卵漂石。这些回填土呈堆状或坑洞状存在于黄河北岸, 规模小, 分布无规律性, 地层性质特殊。在摸清采砂回填区域的规模后, 现场针对碎石机故障采取了如下处理措施: (1) 降低碎石机的破碎使用频率, 从原来20次/min降低至10次/min; (2) 增加二次破碎机; (3) 关闭安全门, 常压开舱处理; (4) 定期对碎石机进行检查维修。

对安全门无法开闭的处理措施为: (1) 对油缸上下滑道进行改造, 防止卵石堆卡; (2) 在油缸内置行程传感器, 使得在操作室内可观察安全门的开闭程度; (3) 定时清理土舱, 防止卵石堆卡。

综合来说, 对于特殊区段 (富含卵石、漂石) 机械设备使用原则为“尽量保护, 定期维修”, 力图使设备在特殊区段不损坏, 在常规区段能够正常工作。

盾构穿越黄河段地层卵漂石含量高、硬度大, 且大粒径卵石随机分布, 给施工带来的一大难题就是刀盘刀具磨耗严重。特别是盾构向黄河河底方向掘进时, 刀具磨耗快的问题更加突出。在穿越采砂坑过程中, 仅掘进了17环, 就有13把边缘刮刀掉落 (共16把) , 并有41颗螺钉剪断, 且大部分断丝留在刀座上。此外, 单刃滚刀在施工中磨损破坏也较频繁, 破坏形式主要有偏磨、滚刀漏油和刀圈刻蚀。

现场根据盾构掘进过程中切削刀具损坏情况, 结合下穿黄河段水面宽、埋深大、水流湍急, 无法在河中进行换刀作业的工程实际, 在下穿黄河前举行了专家研讨会。讨论结果为:为保证施工安全, 盾构宜保持低速连续推进, 穿黄过程尽量避免停机。且必须在下穿黄河前对所有刀具进行一次更换, 同时对刀盘刀具进行改造, 改造方案如下。

1) 将所有边缘滚刀都改为双刃滚刀, 同时将滚刀保护块加大, 厚度由原来的50mm提高到80mm。

2) 刀梁1, 2, 3, 5, 6, 7外围各增加2把撕裂刀, 刀梁4, 8外围各增加1把撕裂刀, 同时在刀盘开口大圆环上各增加1把撕裂刀, 面板上D6, D7位置处导流刀换成撕裂刀。

3) 边缘刮刀刀座背部增加支撑筋板。

4) 在刀盘外围增加筋板, 其他刀盘开口处增加格栅以限制进入土舱的卵石粒径。

刀盘改造方案如图6所示。

完成刀盘改造和刀具更换后, 10月8日, 盾构从黄河北岸出发进行穿黄作业, 并于12月31日抵达黄河南岸, 行程278.95m, 平均日掘进3.32m。尽管掘进速度较慢, 但穿越黄河过程中未出现卡刀和塌方等重大工程事故, 盾构机整体工作状态较稳定, 按预期要求完成了穿黄作业。

1) 砂卵石地层中盾构卡刀的原因之一是地层本身存在空洞, 施工扰动破坏了地层本身的稳定性, 进而造成盾构上方大范围土体塌陷, 压埋盾构机。刀盘脱困措施的选择应该遵循由易到难的原则, 即先进行刀盘正反转自救, 其次进行土舱内部渣土清理自救, 最后才应考虑从地面开挖竖井进行顶部土体清除。

2) 砂卵石地层具有明显的颗粒级配差、地层胶结性弱、透水性强等特点, 隧顶有效覆土厚度的大小决定了盾构施工的安全与否。有效覆土厚度太薄会使泥膜保压困难, 造成泥浆穿透地层溢出地表, 进而引发掌子面塌方等事故。故实际施工中必须重视地层条件对施工安全的影响, 对于特殊地段、风险高发地段, 必须进行较为细密的地质勘察, 减少因勘察不到位造成的损失。

3) 针对施工过程中大粒径卵石堆积土舱引起滞排的情况, 应分析大粒径卵石来源。若为偶见漂石的情况, 可通过在土舱排泥管路入口处设置钢格栅, 增加搅拌装置的方法拦截大粒径卵石, 然后采用人工出渣方式排出大粒径卵石。对地层本身就普遍富含大粒径卵石的地层, 应树立“滚刀破碎为主, 碎石机破碎为辅”的观念, 尽量将大粒径卵石在刀盘前面进行破碎, 以保护碎石机等设备。

4) 刀具形式及布置情况应根据掘进过程中刀盘刀具的磨损情况进行及时修改和更换, 对于富含大粒径卵石的地层, 刀具形式宜以滚刀和撕裂刀为主。刀盘外围宜采用双刃滚刀, 同时宜增加滚刀保护块的宽度和高度。