兰州地铁1号线黄河隧道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,主要穿越强透水砂卵石地层,工程地质条件罕见^[1] 。兰州地铁1号线的盾构掘进表明,在砂卵石地层中开挖刀具的磨耗非常严重,为保证盾构机刀盘使用安全,需经常进仓进行刀具检查,对边滚刀、中心滚刀按不同磨耗标准进行更换^[2] 。并且实际右线工程多次因刀盘被大直径卵石卡住而停机检修,大大影响了施工进度。由于强透水砂层具有孔隙率大、渗透性强、含水量高等性质,在此类地层中带压进仓作业的难点是地层气密性封堵难度大^[3] 。因此对穿黄河强透水砂卵石地层泥水盾构常压/带压进仓技术进行研究总结很有必要。

本文针对兰州市轨道交通1号线I期工程迎门滩—马滩区间工程,对下穿黄河段强透水砂卵石地层条件下的泥水平衡盾构带压与常压进仓技术进行了有益尝试并获得成功,从而总结出穿黄河隧道强透水砂卵石地层泥水盾构进仓技术。主要包括进仓技术的模式对比分析、常压进仓以及带压进仓的关键技术总结分析。其中进仓关键技术主要有:准备工作(确定开仓位置、创造开仓环境、确定工作压力、实施保压试验等)和开仓程序及其要点。此技术对于后续穿黄河盾构隧道工程起到了很好的借鉴和指导作用。

兰州地铁1号线一期工程迎门滩—马滩区间是我国首座下穿黄河复杂地层的水下隧道工程。区间在银滩大桥上游约45m处下穿黄河底部,区间长1 907.3m,下穿黄河河床长度为404.5m,其中黄河水面宽200.5m左右,水深一般为3~7m,最深处可达9.0m。区间隧道主体均位于③₁₁强透水砂卵石地层中,渗透系数约为55m/d。该层漂石、卵石含量占55%~70%,一般粒径20~50mm,漂石含量较少,最大粒径可达450mm;砾石含量占10%~25%;中粗砂充填;级配不良,磨圆较好、分选较差,结构密实;隧道围岩自稳能力差、易坍塌,综合分级为Ⅵ级。各层土的分布规律如图1所示。

泥水盾构机掘进施工时,刀具磨损、孤石处理、前仓管路检查、设备维修等工作均需作业人员进行开仓作业,开仓作业一般可分为常压和带压两个环境状态。

对土体进行加固后的常压换刀技术具有较高安全性、可操作性,造价较低,换刀时间短,地面塌陷风险比较小。但是对周围环境影响比较大,且砂卵石地层的加固效果不佳。

在不稳定地层且不具备常压进仓作业的环境下需采用带压进仓的方式。采用带压进仓对地面交通以及周围环境影响较小,但是因为工作环境为高压,存在较大安全隐患。另外由于强透水砂层具有孔隙率大、渗透性强、含水量高等性质,在此类地层中带压进仓作业气密性不易保证。因此应根据兰州地层实际情况合理选择进仓方式。

根据盾构机掘进时的相关技术参数,判断刀具磨损情况,确定带压开仓的位置。应符合以下几个方面的要求。

1)地质条件自立性相对较好,较密实,易于形成保压环境。

2)不危及周边环境,如构筑物、车辆、行人等。

3)施工效率高,即在带压开仓作业停机期间,可并行完成其他施工任务,而不造成太大的工期延误或工期浪费。

根据上述原则,结合设备状态,此次选择以里程YDK14+001.925处带压进仓作业为例来介绍带压开仓关键技术。此处主要进行刀具及碎石机检查。

进仓前需确定仓内工作压力在一定范围内,压力越高,越能提高掌子面的稳定性,但从作业效率和进仓作业者的健康角度考虑,则取低值较好^[4] 。所以实际工程中应该先计算出理论值,然后通过保压试压观察不同数据,在供气量小于供气能力的10%时,开挖仓气压能否在2h内无变化或不发生大的波动。

泥水压力理论估算步骤如下:

切口泥水压=地下水压+土压+预压

采用水土分算模式,根据水力梯度模型计算可得,下水压力为:

式中:P₁为水压力;P₂为土压力;h₁为隧道顶埋深水位;h₂为隧道底埋深水位;K₀为静止侧压力系数,取0.33;γ为地层平均容重,γ≈23.3k N/m³。

预压力一般取20k Pa(经验值),此处预压力为0,所以泥水舱切口压力P=409.87k Pa。

根据目前盾构机的掘进参数以及设备埋深,本次开仓的参考压力为410~420k Pa。带压开仓作业的设定压力应略高于工作压力10~20k Pa。

兰州强透水砂层具有孔隙率大、渗透性强、含水量大等性质,在此类地层中带压进仓作业的难点是地层气密性不易保障。如何在自稳性差、含水量丰富、漏气量大的强透水砂层中成功带压进仓作业,关键是要做好掌子面周围地层、盾体外部及盾尾后方地层的气密性封堵工作,使带压进仓作业时土仓内高压气体泄漏量能保持在一定范围内。实际施工中针对此问题,开仓准备时有以下重点应对措施。

确定常压开仓的位置后,对停机前的5环加大同步注浆量,加强对盾尾后部开挖隧道与管环外建筑空隙的充填率,使得回填饱满降低气体散失(见图2)。视地层稳定性和渗透性,注浆量可加大至理论注浆量的2.5倍左右(约10m³)。加大注浆量时应注意同步注浆压力应与切口环泥水压力匹配,以防浆液回灌至开挖仓。另外需提高浆液的稠度,调整浆液密度及凝结时间等,形成质量较好的泥膜,对强透水砂卵石地层进行全面封堵。施工中每m³浆液材料配合比如表1所示。

在停机前2环,调整泥浆的密度和黏度,提高泥浆护壁作用,降低土层的透气性。在停机后使用调制膨化好的新浆,将开挖仓浆液进行置换,置换过程中气压仓压力应稍高于工作压力2~5MPa,以形成较好的泥膜护壁效果,置换完成后应低速转动刀盘,保持压力足够时间,以保证泥膜形成的充分程度。调整泥浆参数参考值为密度1.05~1.08g/cm³,黏度30~35s。停机置换泥浆参数参考值为密度1.08~1.1g/cm³,黏度28~30s。

对于兰州地铁砂卵石地层而言,气密性封堵问题主要从掌子面、盾尾以及盾体3个方面进行加固,最后通过膨胀性材料进行空隙封堵。

停机后将掌子面泥浆使用高质量泥浆进行置换,使得掌子面表层形成较好的泥膜护壁,降低掌子面漏气率。

在停机前2环加大同步注浆量,使开挖孔隙回填充实。在盾尾外第1环采用聚氨酯封堵,在盾尾后2~5环,通过注浆孔采用双液浆进行二次注浆,将1~5环全环管片进行封堵。停机后,加大油脂注入量,将盾尾刷密封腔封堵密实,防止气体从盾尾刷处泄漏。主要聚氨酯以及双液浆注入配合比以及技术要求如表2所示。

根据实际需要利用盾构机中盾上的超前注浆孔,对中盾前的土体进行注浆充填。

在上述加固完成后,如还有漏气通道,则可利用膨胀性材料通过相应的注浆通道进行封堵。膨胀性材料遇水膨胀后可有效封堵空隙,降低漏气率。

在使用上述方法封堵漏气通道时,要注意防止浆液回灌到开挖仓或浆液固结盾体。

在进仓之前需对开仓环境的密封性进行保压试验,以确保进仓环境的稳定。

对于泥水盾构,若在保压期间,供气量小于供气能力的10%时,开挖仓气压能在2h内无变化或不发生大的波动,则表明保压试验合格。在气压开仓过程中,若供气量大于供气能力的50%时,则应停止气压作业并重新采用浆气置换,修补泥膜直至保压试验合格。

开仓前应对盾构安全设备、盾构监控设施、应急设备以及加压仓设备进行检查。对于加压仓的检查应着重检查显示仪、条形记录器、加热系统、钟、温度计、电话和阀,密封是否干净;检查并保证主仓上的双倍条形记录器正常工作,纸张充足;检查主仓和中隔板上的密封门是否关闭并正确锁好。开仓条件的验收主要包括以下内容。

1)作业环境符合要求周边隧道半径内无危险构筑物如危险建筑、燃气管道等;泥膜建立良好,保压试验成功;仓内施工通道,仓外应急输送通道通畅。

2)施工设备运转测试良好人闸仓压气试验合格,密封性良好,配套仪表运转正常;空压机运转正常,流量调节、压力调节设备正常,数量配备充足;清仓用清水泵送系统正常,排污系统正常;气体探测设备正常。

3)施工材料、辅助工具准备完善。

4)人员配置齐全,分工明确,持证上岗,并全部接受安全技术交底。

本次带压开仓作业主要内容为:检查刀具磨损情况,并对磨损较严重刀具进行更换;清仓、维修碎石机、泥浆管路、液位传感器、前闸门管路等工作。

人员进入开挖仓,清洗刀盘,按刀盘主臂编号逐幅进行刀具测量及检查。测量与检查工作集中进行,一次性检查完毕,并形成书面报告;准备需更换的刀具及其工具,按照既定方案更换刀具,更换完毕后关闭前仓门。

应预先确定刀具更换的地点与方法,做好相应准备工作;刀具更换宜选择在工作井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行;在不稳定地层更换刀时,必须采取地层加固或压气法等措施,确保开挖面稳定;对带压开仓作业设备进行全面检查和试运行并采用两种不同动力装置,保证不间断供气。

人员进仓确认关闭前闸门;前闸门确认关闭后,人员退出,调试压力进仓。保压成功则进行维修碎石机管路、清洗管路和改造前闸门管路等工作。

检查和清洁盾构主机的压缩空气调节站,确认此系统工作正常后关闭所有的阀门。为了检查刀盘或更换刀具的方便,须把泥水仓的泥水液面经排浆泵按要求排出一定的数量。打开保压系统的所有阀门,调节压缩空气站,使得泥水仓的气压保持或略高于原来的土压。

管理员需要用到的操作和显示元件均放在人闸仓的外面。检查所有部件(显示仪、条形记录器、加热系统、钟、温度计、密封和阀门)的功能。

①人员进入主仓打开主仓内的双倍条形记录器并检查是否正常工作。关闭主仓室的仓门并确定正确锁好。在主仓与泥水仓之间进行了压力补偿后,主仓的人员便可打开主仓与泥水仓之间的门。进行安全确认后,进入泥水仓作业。人闸仓管理员停止条形记录器。②人员离开泥水仓工作人员离开泥水仓进入主仓,关闭主仓与泥水仓之间的门和压力挡板上作压力补偿用的阀门。主仓内的人员通过电话与人闸仓管理员联系。人闸仓管理员打开条形记录器。必须观察压力表和调节阀门保持压力的正常,同时观察流量计保持通风良好。打开主仓的仓门,人员离开主仓。

1)必须遵守所有人仓前部和内部的警示和信息标志,同时必须定期检查人仓所有部件的功能。

2)关闭主仓室闸门及主仓室与应急仓室之间的闸门,并确认所有闸门均正确关闭。

3)使电话处于在线状态,随时与仓外人员进行联系。

4)微调进气球阀和排气球阀,使得主仓室内的压力与气垫仓内的压力完全一致;关闭球阀,并小心地打开主仓室与气垫仓之间的闸门。

常压开仓的选择原则与带压进仓基本相同,在风井(里程YDK13+755.7)处常压进仓进行刀具与设备的检修更换以及刀盘的改造等,从而达到盾构机能够一次性安全过江而尽量不停机检修的目的。风井主要地质情况如图1所示。

风井围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙,盾构隧道区域采用玻璃纤维筋过渡。坑内风井主体为现浇钢筋混凝土框架结构,逆作法施工。风井井内采用袖阀管进行单液浆自下而上进行地基加固,加固深度从地下2层中板至底板以下8m,以便形成有效的竖井加固区及封底加固区。风井注浆加固纵断面如图3所示。

根据实际情况,拟将含水层考虑为均质潜水含水层,由于含水层较厚,且基坑靠近河岸,故采用《建筑施工手册》进行涌水量计算。风井区域共设计降水井36口,其中井外减压井30口,井深56m,井内疏干井6口,井深42m。降水井布置如图4所示。

在盾构掘进到达地下连续墙前15环开始加大联系测量的频度,保证盾构机以正确的姿态和高程位置进入风井区域。

右线盾构机掘进到里程YDK13+738.8(约486环)时刀盘开始切削地下连续墙,此时为保证掘进施工的安全,施工时需对掘进参数进行调整:降低掘进速度至10mm/min;提高刀盘转速至1.2rad/min;加大同步注浆量至8m³/环。同时仍需注意如下问题。

1)由于地下连续墙厚1.2m,洞门区域采用的是玻璃纤维筋+C30混凝土,在掘进过程中会出现玻璃纤维筋渣滓堵塞泥水处理设备的情况,同时泥浆也会因掺杂了混凝土而导致品质急剧下降,因此要提前做好应急处理措施。

2)盾构机通过小里程端地下连续墙进入风井区域后,风井内的降水井即停止降水直至盾构机到达停机位置。

3)盾构机穿过小里程端地下连续墙后即恢复正常掘进状态,直至到达停机位置。

4)盾构机开始切削地下连续墙时,风井内的降水即全部停止,直至盾构机到达停机位置后,再行恢复降水。

盾构机掘进到里程位置为YDK13+756.1时(推进完成499环左右)停机。后续推进通过逐段测量千斤顶油缸行程的方式,确定盾构机再向前推进的距离,一步一步慢慢靠近最后位置。到达停机位置后的最后一环管片不拼装,以便后续盾尾刷检查更换及千斤顶油缸更换等作业。

由于盾构机刀盘开挖直径为6.48m,衬砌管片外直径为6.2m。建筑空隙为14cm,本次施工共需进行两次补强注浆,分别是地下连续墙与衬砌管环处和盾尾处。

1)由于盾构通过地下连续墙后,地下水可通过地下连续墙与衬砌管环之间的缝隙进入风井,因此拟在盾构机盾尾越过小里程端地下连续墙之后(486环)即对地下连续墙北侧6m(5环)范围内,通过补强注浆对地下连续墙与管片衬砌环间的间隙进行填充封堵。

2)根据施工计划拟在风井处对盾尾前两道密封刷进行检查更换。为保证更换时的安全,在降水的前提下,尚需对盾尾部位进行补强注浆。补强注浆使用双液浆和聚氨酯,补注位置设定为盾构机停机后,脱出盾尾后的第2环管片。

注浆时应注意,因本段隧道为28‰下坡,浆液会顺着水流在重力作用下向开挖面扩散。因此每隔2h需转动刀盘1次,同时启动泥水循环更换开挖仓的浆液,防止因浆液窜到开挖面,造成刀盘固结。

根据计划需在迎马区间风井处对刀盘进行局部加强改造,以保证盾构机能够一次性穿越黄河。拟从刀盘正前上方通过人工挖孔桩的形式开挖一作业空间对刀盘刀具进行更换并对刀盘进行局部改造。人工挖孔桩如图5所示,桩直径1 200mm,桩深27.5m,桩间中心距为2.7m。人工挖孔桩的中心位置分别位于盾构机刀盘中心前左和前右两侧,基本处于盾构机刀盘最大开挖直径处,便于施工作业的展开。人工挖孔桩采用混凝土支护,厚度10cm,随挖随支护。

根据前期盾构施工的经验,拟于本次常压条件下将整盘刀具全部更换,更换刀具类型以及数量根据实际情况确定。

项目计划进行10次开仓作业(6次带压开仓作业,4次常压开仓作业)。目前,区间已进行了8次开仓作业(4次带压开仓作业,4次常压开仓作业)。无论是常压开仓中对于气密性问题采用的解决办法,还是风井处常压开仓的注浆补强措施都产生了极佳的效果,形成了安全的开仓环境,开仓作业均能安全高效完成。

1)根据平纵断面地质情况以及周边建筑确定开仓位置、带压开仓工作压力以及常压开仓的降水措施。

2)针对兰州强透水砂卵石地层带压开仓时气密性不容易满足情况,采取加大注浆量、施作高质量泥膜以及从掌子面、盾尾以及盾体3个方面进行加固解决气密性问题,最后通过膨胀性材料进行空隙封堵,实际施工证明这些措施起到了良好的密闭保压效果。

3)形成了一整套完整的带压进仓作业流程及其要点,主要包括调节保压系统、人闸仓操作以及人员进出压力仓。

4)根据实际常压开仓尝试,总结出一套适用于兰州砂卵石地层的常压开仓关键技术。形成了一套在风井处盾构停机的技术。

兰州地铁1号线隧道是我国首座下穿黄河复杂地层的水下隧道工程,由此形成的常压/带压进仓技术是一项重大的技术成果。该项目取得的相关理论以及成套技术可以为以后的下穿黄河盾构隧道以及类似地层的工程提供借鉴和指导。