佛莞城際鐵路獅子洋隧道下穿特征及施工技術(shù)

佛莞城際鐵路獅子洋隧道下穿特征及施工技術(shù)

0條件復(fù)雜,互通風(fēng)險法湘城鄉(xiāng)鐵路獅子海溝是珠江三角洲東西主干道的重要控制工程。具有大直徑（13.1m）、高壓（最大壓0.78mpa）、地質(zhì)條件復(fù)雜（整段土巖覆蓋層、三個破碎帶和兩個水下擾動帶）、單頭探測距離長（4.9km長）、快速行駛速度（200km快）等顯著特點。這是中國最大的直徑鐵路隧道。此外，根據(jù)廣深港高鐵獅子海溝第二軸線，于2014年末開始建設(shè)。本文結(jié)合廣深港高鐵獅子洋隧道工程實例,對佛莞城際獅子洋隧道的盾構(gòu)選型進(jìn)行探討,為其他類似復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)隧道提供借鑒。1項目總結(jié)1.1下伏基巖地層結(jié)合獅子洋水域的詳勘及物探成果,越江工程范圍上覆第四系土層,其中岸邊段第四系土層厚30m左右,以淤泥及砂層為主;水下段第四系地層厚10~30m,以淤泥、砂層及細(xì)圓礫土為主。下伏基巖以泥質(zhì)粉砂巖和砂巖、石英砂巖、泥巖為主,石英含量高,各巖層特征如表1所示。強風(fēng)化基巖與廣泛分布的砂層之間無良好隔水層。1.8km水下段范圍內(nèi)東主航道下方海底無淤泥層隔水,西主航道下方存在厚度不均的淤泥層。主航道下存在3處破碎帶及2處斷層。鉆探及物探揭示斷層與破碎帶處洞身范圍巖石極破碎,節(jié)理裂隙密集發(fā)育,含水量大,屬于強透水區(qū)。第四系地層中,砂層、圓礫土的滲透系數(shù)分別為12m/d和35m/d,基巖段滲透系數(shù)<10m/d,但破碎帶和斷層的滲透系數(shù)可達(dá)50m/d。1.2隧道深埋方案線路出番禺側(cè)蓮花地面站后迅速入地,向東下穿獅子洋海域及廣州港新沙港區(qū)后,沿東莞西部干道下方前行出地面,最終接入麻涌高架站。受隧道兩端接線條件、水域航道通行要求及巖面線分布等限制,獅子洋隧道無法采用淺埋置于第四系土層的方案,為了減少穿越軟硬不均地層的長度,隧道采用深埋方案,兩端采用30‰的大縱坡快速進(jìn)入基巖,為合理控制埋深,在獅子洋水道下設(shè)置12.3‰的緩坡連接兩端大縱坡,隧道縱斷面如圖1所示。隧道全長6150m,盾構(gòu)段長4900m,穿越段獅子洋水域?qū)捈s1.8km,最高水頭達(dá)78m,采用單洞雙線布置,管片結(jié)構(gòu)外徑13.1m。1.3隧道穿越圍巖佛莞城際獅子洋隧道采用深埋方案,大坡度穿越上軟下硬地層,使隧道盡可能置于基巖中,對于不能避開風(fēng)化深槽及破碎帶,采用直接穿越方案。盾構(gòu)掘進(jìn)的地層與長度情況如表2所示。2廣深港高鐵獅灘隧道工程實例分析佛莞城際獅子洋隧道穿越地層屬于典型的復(fù)合地層,且穿越基巖地段長,與廣深港高鐵獅子洋隧道相似,有必要對廣深港高鐵獅子洋隧道施工情況進(jìn)行分析,以尋求對本項目的指導(dǎo)意義。2.1泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工廣深港高鐵獅子洋隧道是廣深港高鐵的控制性工程,隧道全程10.8km,暗洞段全長10.49km,盾構(gòu)段全長9340m,最大水頭67m,隧道雙洞單線布置,盾構(gòu)外徑10.8m,環(huán)寬2m。盾構(gòu)段采用4臺氣墊式泥水平衡盾構(gòu)兩兩相向掘進(jìn),地中對接,洞內(nèi)解體。單臺盾構(gòu)實際最大掘進(jìn)長度5200m。該隧道大部分處于強風(fēng)化~弱風(fēng)化砂巖和砂礫巖中,部分地段位于淤泥質(zhì)土等第四系軟弱地層中。盾構(gòu)穿越基巖(W基于泥水盾構(gòu)控制掌子面平衡能力強、密封性好、基巖刀具磨損小的特點,廣深港高鐵獅子洋隧道選用4臺氣墊式復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工,取得成功,但由于基巖風(fēng)化差異性以及地質(zhì)構(gòu)造上的特點也導(dǎo)致在泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中,出現(xiàn)了破碎巖體滯排以及開艙換刀頻繁等問題,對施工進(jìn)度產(chǎn)生一定影響。具體各種地層中掘進(jìn)情況如表3所示。2.2在挖掘過程中分析問題2.2.1破碎地層降低施工風(fēng)險無論是在土巖軟硬不均地層中,由于盾構(gòu)在掘進(jìn)方向上受力不均、姿態(tài)控制困難、刀具偏磨嚴(yán)重導(dǎo)致的出碴巖體粒徑大小不均,還是在基巖破碎地層中由于巖石完整性差、裂隙發(fā)育、地下水豐富而難以形成有效泥膜,出現(xiàn)破碎巖層脫落、掉塊甚至塌方等,都會導(dǎo)致大直徑塊石堵塞破碎機(jī)、安全門、格柵、出漿管及泥漿泵等情況,從而加大管路、泥漿泵的磨損,乃至爆裂,造成極大的施工風(fēng)險。同時,破碎機(jī)需始終工作,對其破巖能力提出極高要求,油缸易出現(xiàn)卡死等不正?，F(xiàn)象,需要經(jīng)常開艙維修。最終導(dǎo)致隧道在類似基巖破碎地層平均掘進(jìn)指標(biāo)僅0.44環(huán)/d(27m/月),造成工期嚴(yán)重滯后。2.2.2開艙換刀作業(yè)除了在全斷面基巖中掘進(jìn)刀具的正常磨損(平均每20~50環(huán)開艙換刀1次)外,無論是在土巖軟硬不均地層中掘進(jìn)造成的刀具偏磨,還是在基巖破碎地層掘進(jìn)導(dǎo)致的周邊及中心滾刀非正常磨損,都必須開艙進(jìn)行大量的換刀及刀盤修復(fù)作業(yè)(平均每5~15環(huán)開艙換刀1次)。在高水壓情況下進(jìn)行開艙,尤其是在基巖破碎等掌子面不穩(wěn)定地層中換刀,必須帶壓進(jìn)行,風(fēng)險高、效率低。3關(guān)于盾選擇的研究3.1水下層序地層格架圖3佛莞城際獅子洋隧道與廣深港高鐵獅子洋隧道相比,均屬于長距離穿越復(fù)合地層,但又具有開挖斷面更大(管片外徑13.1m)、水頭更高(78m)、地層條件更差(3次穿越水下破碎帶、2次穿越水下斷層)的特點?；趶V深港高鐵獅子洋隧道盾構(gòu)施工的成功經(jīng)驗,佛莞城際獅子洋隧道采用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)能夠滿足施工安全需要,本次盾構(gòu)選型主要在此基礎(chǔ)上考慮從盾構(gòu)設(shè)備上解決滯排問題及降低換刀風(fēng)險、提高換刀效率的可能性。3.2土壓-泥水雙雙雙模式掘進(jìn)方法如前所述,大直徑泥水盾構(gòu)在RQD值較低的巖層段掘進(jìn)時出現(xiàn)的大塊破碎巖體滯排問題極易導(dǎo)致破碎機(jī)、出漿管路、泥漿泵等破壞,同時可能導(dǎo)致掌子面塌方。但土壓平衡盾構(gòu)螺旋出土器攜碴能力強、顆粒直徑大,有利于解決滯排問題。例如,在西南某地鐵1號線施工中,在強透水砂卵石地層中土壓盾構(gòu)反而比泥水盾構(gòu)更具優(yōu)勢。但本項目約80%地段需穿越巖層,大直徑土壓平衡盾構(gòu)在基巖段掘進(jìn)時刀具磨損遠(yuǎn)大于泥水盾構(gòu),故單純的土壓盾構(gòu)不適用。因此,從減小滯排、加快施工進(jìn)度的角度,本項目可考慮采用土壓-泥水雙模盾構(gòu)。目前土壓-泥水雙模盾構(gòu)在國內(nèi)外已有應(yīng)用(見圖2)。根據(jù)土壓-泥水雙模盾構(gòu)出碴方式的不同,可分為串聯(lián)式雙模盾構(gòu)及并聯(lián)式雙模盾構(gòu)。其不同模式的使用方法一般為在掌子面自穩(wěn)能力差、地表沉降控制要求高的段落采用泥水平衡模式掘進(jìn)施工;在土層及巖層中采用土壓平衡模式掘進(jìn),以求快速推進(jìn),降低施工成本。本項目采用土壓-泥水雙模盾構(gòu),主要意圖在于取螺旋出土器攜碴能力強(必要時可采用帶式螺旋,進(jìn)一步提高攜碴能力)的特點,解決破碎巖體在開挖艙內(nèi)的滯排問題,同時土壓模式開挖艙內(nèi)充盈的碴土也能限制破碎巖體崩解造成的塌方。因此,掘進(jìn)方案為:在破碎巖層地段和軟硬巖軟硬不均段采用土壓模式掘進(jìn),在軟弱土層、砂層、土巖軟硬不均段以及裂隙水發(fā)育的基巖地層采用泥水模式掘進(jìn)。但需要注意的是,由于本項目水壓高,尤其是破碎帶中地層滲透系數(shù)大,故采用土壓模式在軟硬巖軟硬不均地層及破碎巖層中掘進(jìn)施工時須確保螺旋出土器密封性,可考慮采用雙螺旋或在開挖艙內(nèi)設(shè)置其他排水減壓設(shè)備,防止出現(xiàn)噴涌。3.3常壓刀盤+熱刀盾構(gòu)長距離在復(fù)合地層掘進(jìn)施工,不可避免地需進(jìn)行刀具檢查及更換。若掌子面為砂層/淤泥等不具備自穩(wěn)條件的地層,在地表具備加固條件的情況下,應(yīng)首選地表加固后再行常壓開艙方案。但對于水下隧道或地表建筑物密集不具備地表條件的地段,則必須采用帶壓換刀。帶壓換刀存在較大的安全風(fēng)險,且成本高、效率低,尤其對工作人員身心健康有較大影響,稍有不慎,會引起降壓病(一般認(rèn)為如必須帶壓換刀,應(yīng)盡可能低壓換刀,減小對身體的影響)。對此,高水壓盾構(gòu)隧道可采用常壓刀盤,在刀盤內(nèi)設(shè)置密封的輻條空艙,實現(xiàn)常壓換刀。海瑞克公司在德國第四易北河隧道中首次采用該技術(shù),實現(xiàn)了常壓更換滾刀及切刀。武漢三陽路長江隧道由于需在江底穿越土巖軟硬不均地層,也采用可常壓更換滾刀的刀盤設(shè)計(見圖3)。但需要說明的是,在國內(nèi)外已采用常壓刀盤的盾構(gòu)隧道實例中,隧道均需在不具備地表加固條件的情況下穿越不具有自穩(wěn)能力的軟弱地層或土巖軟硬不均地層,若不采用常壓刀盤,均需要在高壓環(huán)境進(jìn)行換刀(為了提高換刀效率,需要采用飽和帶壓換刀),風(fēng)險高、效率低、代價大。本項目長距離穿越基巖,如采用常壓刀盤,需具有常壓更換滾刀的功能,但此類刀盤設(shè)計存在以下客觀問題:①常壓刀盤只能保證全部軌跡的滾刀及少數(shù)刮刀可更換,但對于大部分刮刀、切刀仍無法常壓更換,若出現(xiàn)磨損,仍需帶壓進(jìn)艙更換;②常壓刀盤刀具布置較少,必須采用雙刃滾刀,破巖能力相對較弱,造成滾刀實際磨損量大,需多次更換;③刀盤開口率相對較小,中心區(qū)域無開口,導(dǎo)致掌子面到土艙的碴土流動性差,易結(jié)泥餅,加大刀盤磨損;④刀盤厚度大(普通刀盤厚0.8~0.9m,常壓刀盤厚約2m)、質(zhì)量大,設(shè)備扭矩高。由此可見,常壓刀盤是解決高水壓條件下?lián)Q刀問題的有效途徑,但其應(yīng)用有利有弊,需根據(jù)具體工程進(jìn)行利弊權(quán)衡。具體針對本項目而言,換刀主要風(fēng)險在于水下段。結(jié)合地質(zhì)詳勘報告,水下段隧道穿越的地層除3處破碎帶(含2處斷層)以外,均為弱風(fēng)化基巖,且覆蓋厚度一般≥13m,局部風(fēng)化槽底部一般≥2m。下面分別研究基巖地層及破碎帶地層采用常壓刀盤的必要性。1海底滲透系數(shù)的預(yù)測對于基巖地層,只要巖層完整性相對較好,即使覆巖厚度小,由于刀盤對開挖面的支護(hù)作用,進(jìn)艙作業(yè)時的開挖面穩(wěn)定性也易得到保證,故可考慮欠壓方案,限制開挖艙內(nèi)地下水的匯聚時間,滿足換刀時間要求。日本京都大學(xué)小林芳正博士對海底部分滲漏水量進(jìn)行了預(yù)測,并推導(dǎo)出相應(yīng)公式。假定在海底面以下深h處開挖無限長的圓柱形隧道,若直徑r相對于埋置深度h足夠小,滲漏量可由達(dá)西定律推導(dǎo)得到:式中:P參考與本項目類似直徑泥水盾構(gòu)設(shè)計,盾構(gòu)艙內(nèi)最大積水容積約為160m根據(jù)本項目的地質(zhì)詳勘報告,弱風(fēng)化基巖滲透系數(shù)為0.47m/d。根據(jù)上述公式計算滿足滲水量需要的進(jìn)艙壓力最小為0.19MPa(計算中偏于安全考慮將第四系覆蓋層及強風(fēng)化巖層視為全水頭考慮,不考慮其水力損失)。一般認(rèn)為≤0.3MPa的開艙壓力容易接受,故從上述分析可知,若本項目采用普通刀盤掘進(jìn)施工,水下基巖段掘進(jìn)過程中采用常壓或低壓限排開艙換刀,能滿足施工安全及施工時間需要,采用常壓刀盤的必要性不明顯。2采用常壓刀盤降低換刀風(fēng)險本項目約424m隧道穿越3處破碎帶(含2處斷層),且破碎帶上即為廣泛分布的砂層或圓礫層,無良好隔水地層,隧道掌子面可能與海水存在良好的水力聯(lián)系,且水頭高(隧頂埋深60m以上),在此段范圍開艙換刀極可能需采用極飽和帶壓開艙技術(shù)以提高換刀效率,確保換刀安全;但飽和帶壓開艙成本高、風(fēng)險大,一般情況下不宜作為首選方案而多次使用,故從降低換刀風(fēng)險角度考慮,有必要采用常壓刀盤。但從廣深港高鐵獅子洋隧道盾構(gòu)在破碎地層掘進(jìn)的實際情況分析,其刀具磨損快的原因在于破碎巖體崩塌砸刀及巖體滯排導(dǎo)致的邊緣滾刀非正常磨損。故可認(rèn)為,如果能采取措施(如超前注漿固結(jié)巖體以便滾刀破巖的同時及時進(jìn)艙清理滯排等)減少塊石掉落及滯排對刀具的影響,便能減少開艙換刀。而在高壓換刀次數(shù)較少的情況下,采用常壓刀盤的必要性便不明顯。結(jié)合前述常壓換刀必要性的分析,對于本項目而言,均一基巖隧道中采用低壓限排開艙技術(shù)能滿足施工安全及開艙時間需要;而對于基巖破碎地層,可采取針對性措施減少刀具非正常磨損從而減少高壓開艙的情況下,從換刀的風(fēng)險性角度,使用常壓刀盤的必要性不明顯。但由于本項目長距離穿越基巖,可預(yù)見刀具檢查及更換次數(shù)多,常規(guī)帶壓開艙換刀效率低(約6h更換1把滾刀),采用常壓刀盤可明顯提高換刀效率(武漢地鐵8號線越江隧道采用常壓刀盤已能實現(xiàn)1~2h更換1把),故從此角度考慮,本項目宜配備常壓刀盤。3.4刀盤結(jié)泥餅質(zhì)量要求基于上述討論,為了減少巖體滯排同時降低換刀風(fēng)險、提高換刀效率,本項目宜采用土壓-泥水雙模盾構(gòu),同時配備常壓刀盤。但基于常壓刀盤厚重的特點,雙模盾構(gòu)的土壓平衡模式和常壓刀盤間存在一定程度的不兼容性問題,體現(xiàn)在:常壓刀盤在主刀梁鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)需保證有足夠的作業(yè)空間,在刀盤中心位置較大范圍內(nèi)(直徑約4m)沒有可供碴土流動的開口,刀盤整體厚度大(普通刀盤約0.8m,常壓刀盤約2m),碴土從刀盤前方流動到排土裝置取土口距離較長,這樣的結(jié)構(gòu)特性使其如在土壓平衡盾構(gòu)上使用,會因為碴土流動困難,刀盤結(jié)泥餅嚴(yán)重,同時刀盤旋轉(zhuǎn)過程中阻力過大,對盾構(gòu)主驅(qū)動扭矩要求極高,經(jīng)與部分盾構(gòu)設(shè)備廠家溝通,其技術(shù)上實現(xiàn)難度大。為了解決上述土壓模式與常壓刀盤兼容性的問題,同時發(fā)揮螺旋出土器攜碴能力強的特點,本項目可考慮在普通泥水平衡盾構(gòu)中設(shè)置螺旋出土器出漿,并將破碎機(jī)后置于螺旋出土器和排漿管之間(見圖4),該方案既能發(fā)揮螺旋出土器攜碴能力強的特點,也能解決土壓盾構(gòu)設(shè)置常壓刀盤的高扭矩問題,但需要防止螺旋出土器后部碴土顆粒大量長時間堵塞、管路出現(xiàn)磨損導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象。4采用u2004結(jié)論本文總結(jié)了廣深港高鐵獅子洋隧道工程實例,對佛莞城際獅子洋隧道的盾構(gòu)選型進(jìn)行了探討,得到以下結(jié)論。1)考慮利用螺旋出土器攜碴能力強的特點,采用泥水-土壓雙模盾構(gòu)或?qū)⒙菪鐾疗髋c普通泥水盾構(gòu)相結(jié)合,來解決泥水盾構(gòu)大塊巖體滯排問題。2)常壓刀盤有助于降低高水壓情況下的換刀風(fēng)險、提高換刀效率,但也存在破巖能力差、易結(jié)泥餅、刀盤結(jié)構(gòu)厚等客觀問題。對于高水壓且掌子面自穩(wěn)能力差的水下隧道,常壓刀盤的適用性強;對于均一基巖隧道,由于采用低壓限排開艙技術(shù)能滿足開艙時間需要,故認(rèn)為帶壓換刀可以接受,常壓刀盤的使用應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行取舍;對于基巖破碎帶地層,應(yīng)采取針對性措施減少巖塊滯排對刀具的影響,從而減少刀具的非正常磨損、減少開艙。3)基于佛莞城際獅子洋隧道的實際特點,采用氣墊式泥水平衡盾構(gòu)同時配備普通刀盤的方案可以滿足施工安全需要;為了減少滯排影響并提高工效,推薦采用配備螺旋出土器的氣墊式泥水平衡