佛莞城際鐵路獅子洋隧道大直徑盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析

0構(gòu)法和沉管法近年來(lái)，隧道的開(kāi)發(fā)和建設(shè)速度加快，設(shè)計(jì)數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，設(shè)計(jì)地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工難度也在增加。當(dāng)前水下隧道的施工方法基本可以分為鉆爆法、盾構(gòu)法和沉管法,也可以將三者混合使用我國(guó)水下盾構(gòu)隧道工程主要集中在長(zhǎng)江及珠江水域。文獻(xiàn)當(dāng)前水下盾構(gòu)隧道在基巖中的合理埋置深度尚不明確,世界上不僅工程案例少,而且缺乏相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)本文基于佛莞城際鐵路獅子洋大直徑盾構(gòu)隧道工程,結(jié)合工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征,針對(duì)性地開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)與對(duì)策研究,分析高水壓復(fù)雜工況條件下設(shè)備選型、掘進(jìn)參數(shù)選取、軟硬不均和斷層破碎帶施工等風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策,總結(jié)出大埋深復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策,以期為今后類似工程施工提供借鑒和參考。11.1水下盾構(gòu)隧道概況佛莞城際鐵路獅子洋隧道是打通珠江東西兩岸的快速過(guò)江通道,是繼廣深港高鐵獅子洋隧道之后,第2條下穿獅子洋海域的水下盾構(gòu)隧道,是目前國(guó)內(nèi)最大水壓和最大直徑的鐵路盾構(gòu)隧道。隧道全長(zhǎng)6.15km,盾構(gòu)段長(zhǎng)4.9km,水域?qū)挾燃s1.8km(見(jiàn)圖1),采用1臺(tái)具備常壓換刀功能的泥水平衡盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)。該隧道具有開(kāi)挖直徑大(13.61m)、水壓高(最大水土壓力0.78MPa)、地質(zhì)條件復(fù)雜、獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。1.2隧道圍巖地質(zhì)等級(jí)本工程區(qū)域內(nèi)地層大致分為3層:人工填土層、第四系海相沉積及沖積層和基巖層。盾構(gòu)隧道穿越地質(zhì)自上而下依次為淤泥層(部分為細(xì)砂和中砂)、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖及弱風(fēng)化含礫砂巖、泥巖。其中,最大巖石飽和抗壓強(qiáng)度為75.7MPa,最大石英含量達(dá)85%。隧道圍巖分級(jí)為Ⅳ—Ⅵ級(jí)。其中,Ⅵ級(jí)圍巖長(zhǎng)3.49km,占總長(zhǎng)的56.8%;Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)2.01km,占總長(zhǎng)的32.7%;Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)0.5km,占總長(zhǎng)的8.1%。本標(biāo)段地下水豐富,水位高,斷層破碎帶地層滲透性為中等透水—強(qiáng)透水。22.1不同地層特性對(duì)盾構(gòu)可靠性影響在大埋深、強(qiáng)透水、高水壓等復(fù)雜地質(zhì)條件下,大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越軟硬不均段、全斷面泥巖和斷層破碎帶等不良地質(zhì),沒(méi)有類似工程的成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。不同地層特性對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性及可靠性提出了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。在軟硬不均段,刀具易發(fā)生非正常磨損,掘進(jìn)調(diào)向困難;在高水壓工況下,如何開(kāi)艙換刀及維修、如何保證掌子面穩(wěn)定是施工難點(diǎn);在全斷面泥巖地層,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中易產(chǎn)生結(jié)泥餅、糊刀盤(pán)等現(xiàn)象,進(jìn)而造成刀具磨損、掘進(jìn)困難;在破碎帶段存在強(qiáng)透水風(fēng)險(xiǎn),并且掘進(jìn)中易發(fā)生掉塊、滯排,進(jìn)而出現(xiàn)堵艙現(xiàn)象,加之大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)地層產(chǎn)生的擾動(dòng)大,導(dǎo)致盾構(gòu)隧道存在噴涌、塌陷的可能。2.2和抗壓強(qiáng)度本工程盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)4.9km。其中,石英砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度高,石英含量高,如表1所示。因此,對(duì)主軸承耐久性及刀盤(pán)、刀具、盾殼、環(huán)流系統(tǒng)等設(shè)備的耐磨性要求更高,同時(shí)長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)應(yīng)對(duì)事故能力差,海底檢修和施工監(jiān)測(cè)難度增加。2.3覆土厚度及水土流失量盾構(gòu)下穿獅子洋水域長(zhǎng)度達(dá)1800m,下穿部分基本處于10m以上深水段,最大水深17m,最大覆土厚度為64m,最大水壓達(dá)0.78MPa。盾構(gòu)穿越3條斷裂破碎帶,透水性強(qiáng)(破碎帶和斷層的滲透系數(shù)可達(dá)50m/d)且?guī)r層上覆土隔水層較薄,盾構(gòu)施工期間存在與水體貫通、刀具更換、盾尾及主驅(qū)動(dòng)密封失效等風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)辨別和針對(duì)性控制是施工控制的重點(diǎn)。3地質(zhì)適應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合本工程地質(zhì)特性和施工重難點(diǎn)分析,盾構(gòu)在大斷面、淺覆土、高水壓、強(qiáng)透水、長(zhǎng)距離、復(fù)合地層等工況施工過(guò)程中,存在設(shè)備選型地質(zhì)適應(yīng)性差、掘進(jìn)參數(shù)選取及控制難度大、軟硬不均地層和斷層破碎帶施工困難等風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)掌子面壓力大于0.55MPa時(shí),刀具檢查及更換作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)極高,常規(guī)帶壓開(kāi)艙作業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn),必須采取飽和帶壓開(kāi)艙作業(yè),且飽和帶壓作業(yè)技術(shù)一直被國(guó)外公司壟斷,技術(shù)難度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極高。以下對(duì)幾種主要風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策進(jìn)行分析。3.1帶等復(fù)雜地層盾構(gòu)隧道需穿越軟硬不均段、全斷面泥巖和破碎帶等復(fù)雜地層,地層與江水直接相通,具有含水量豐富、透水性好、水壓高的特點(diǎn)。針對(duì)復(fù)雜地層條件的盾構(gòu)選型正確與否是工程成敗的關(guān)鍵。3.1.1刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式、刀具配置不當(dāng)1)設(shè)備性能與地質(zhì)條件不匹配,導(dǎo)致盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性差。2)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式、刀具配置不當(dāng),刀具磨損嚴(yán)重,帶壓開(kāi)艙作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極高。3)泥水處理系統(tǒng)選型配置不當(dāng),導(dǎo)致泥漿參數(shù)異常,盾構(gòu)掘進(jìn)困難。3.1.2提高盾構(gòu)掘進(jìn)能力1)根據(jù)工程地質(zhì)詳勘和補(bǔ)勘資料,結(jié)合同類工程案例,選用泥水平衡式盾構(gòu),刀盤(pán)型式為常壓刀盤(pán)。常壓刀盤(pán)可實(shí)現(xiàn)滾刀在常壓環(huán)境下的檢查和更換,規(guī)避了超高壓環(huán)境下帶壓開(kāi)艙作業(yè)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。2)做好盾構(gòu)關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型,主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有足夠的富余量,提高在復(fù)雜地質(zhì)條件下的設(shè)備脫困和盾構(gòu)掘進(jìn)能力;盾尾密封刷選用知名品牌,提高盾尾密封的性能。3)盾構(gòu)刀盤(pán)上滾刀配置有先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾刀轉(zhuǎn)速和溫度,為滾刀刀具檢查和更換提供依據(jù)。4)優(yōu)化常壓刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選用抗沖擊和耐磨性能好的刀具,提高刀盤(pán)和刀具的地質(zhì)適應(yīng)性,并定期檢查刀盤(pán)和刀具,當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)異常時(shí)立即停機(jī)分析原因,處理完成后再恢復(fù)掘進(jìn)。5)加強(qiáng)泥漿環(huán)流系統(tǒng)耐磨設(shè)計(jì),提高環(huán)流系統(tǒng)在惡劣工況下的適應(yīng)性。勤測(cè)量進(jìn)排漿泵管壁和泥漿泵泵殼厚度,避免磨穿爆管和噴漿。結(jié)合沿線地質(zhì)特性和同類工程施工案例,優(yōu)化泥水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置,提高泥水處理系統(tǒng)的處理能力,增設(shè)2～3臺(tái)離心機(jī),有效控制泥漿密度和黏度,提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。3.23.2.1掘進(jìn)過(guò)程的安全考慮1)切口環(huán)壓力設(shè)置不當(dāng),易出現(xiàn)江底冒漿、掌子面失穩(wěn)。2)當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)與地層不匹配時(shí),易出現(xiàn)刀具非正常損壞、掘進(jìn)效率低等問(wèn)題。3)在高壓、富水地層中掘進(jìn)時(shí),盾尾密封存在失效的風(fēng)險(xiǎn),易發(fā)生突泥、涌水等災(zāi)害性事故。4)泥巖地層掘進(jìn)中的開(kāi)挖管理和泥漿管理需要緊密協(xié)調(diào)。泥漿參數(shù)的選取尤為重要,泥漿指標(biāo)不合格則刀盤(pán)易結(jié)餅,進(jìn)而導(dǎo)致掘進(jìn)參數(shù)惡化。3.2.2掘進(jìn)過(guò)程控制制定開(kāi)挖管理與泥漿管理并重的盾構(gòu)掘進(jìn)控制方法,如圖2所示。掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),不斷優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù),控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)如表2所示,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以保證盾構(gòu)的順利掘進(jìn)。1)合理選取切口水壓。根據(jù)地層特性和隧道埋深,確保盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的切口泥水壓力介于理論計(jì)算值上下限之間,盾構(gòu)推進(jìn)、逆洗和旁路3狀態(tài)切換時(shí)的切口水壓偏差值均控制在±20kPa。2)動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)速度。結(jié)合同類工程施工經(jīng)驗(yàn),以及本工程試驗(yàn)段地層滲透系數(shù)及地層完整性相關(guān)參數(shù),在正常掘進(jìn)條件下,掘進(jìn)速度設(shè)定為8～15mm/min。同時(shí),根據(jù)泥漿指標(biāo),及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)速度和進(jìn)、排漿量,防止出現(xiàn)刀盤(pán)結(jié)泥餅和掘進(jìn)參數(shù)惡化。3)泥漿參數(shù)優(yōu)化設(shè)置。泥漿監(jiān)控實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程控制,在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,每環(huán)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行泥漿指標(biāo)測(cè)試和記錄。當(dāng)泥漿密度>1.25g/cm4)掘進(jìn)過(guò)程中合理設(shè)置油脂注入量和注入壓力,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)油脂注入設(shè)備的檢查,確保油脂腔始終處于飽滿狀態(tài),確保盾尾刷安全。5)加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量控制,避免出現(xiàn)較大的錯(cuò)臺(tái)。6)加強(qiáng)同步注漿和二次注漿,及時(shí)、足量注入保水性良好的水泥砂漿,在盾尾刷與地層間形成良好的隔離層,避免水壓力直接作用在盾尾刷上;同時(shí),控制好注漿壓力,避免漿液擊穿盾尾。3.33.3.1硬地層開(kāi)掘進(jìn)速度慢,姿態(tài)不易控制1)由于巖層強(qiáng)度不一,容易造成局部刀具受力超載,致使?jié)L刀軸承或密封損壞,出現(xiàn)非正常磨損。2)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大,掘進(jìn)速度慢。3)盾構(gòu)姿態(tài)不易控制。盾構(gòu)在上軟下硬地層施工時(shí),有向軟巖方向偏移的慣性,盾構(gòu)姿態(tài)容易發(fā)生偏移。當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)偏差過(guò)大時(shí),管片拼裝困難,易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,且管片的受力不均勻,嚴(yán)重時(shí)管片出現(xiàn)破損,從而影響隧道防水效果。3.3.2加強(qiáng)刀具維護(hù)1)加強(qiáng)對(duì)滾刀刀具在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)控,出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行檢修或更換,確保滾刀在線監(jiān)測(cè)效果,防止出現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置損壞引起刀具過(guò)度磨損。2)加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)速度與環(huán)流系統(tǒng)出渣量的監(jiān)控和分析,確保盾構(gòu)掘進(jìn)速度與出渣量相匹配,減少地層中大顆粒在開(kāi)挖艙中的堆積,避免刀具出現(xiàn)二次磨損。3)當(dāng)盾構(gòu)即將掘進(jìn)至軟硬不均段時(shí),提前對(duì)刀具進(jìn)行全面檢查,及時(shí)更換損壞的刀具,防止刀具帶傷作業(yè)。4)合理控制掘進(jìn)速度,以刀具貫入度為控制基準(zhǔn),避免因貫入度過(guò)大對(duì)刀具產(chǎn)生沖擊,致使刀圈崩裂。5)加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè),當(dāng)掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩等主要參數(shù)發(fā)生突變或不在正常范圍時(shí),應(yīng)立即停機(jī)分析原因,檢查刀具情況,不可盲目掘進(jìn)。6)在盾構(gòu)掘進(jìn)操作過(guò)程中,需根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)的變化,通過(guò)合理控制推進(jìn)系統(tǒng)各區(qū)域推進(jìn)油缸的使用數(shù)量、推進(jìn)油壓及速度、刀盤(pán)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)等手段來(lái)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。7)當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)較大偏差時(shí),應(yīng)遵循“少糾、勤糾”的原則,必要時(shí)可利用盾構(gòu)的超挖刀來(lái)糾正盾構(gòu)姿態(tài),避免糾偏過(guò)猛,引起盾構(gòu)蛇形前進(jìn),進(jìn)而引起刀具磨損和管片拼裝困難。8)加強(qiáng)對(duì)推進(jìn)油缸油壓的調(diào)整控制,避免因推進(jìn)油缸壓力分布不均造成管片局部破損甚至開(kāi)裂。3.43.4.1刀盤(pán)艙破碎帶巖芯變化1)盾構(gòu)開(kāi)挖艙內(nèi)壓力設(shè)置不合理,受斷層破碎帶和高水壓的影響,易出現(xiàn)刀盤(pán)艙與江水連通,造成開(kāi)挖艙壓力突變,易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)。破碎帶巖芯取樣如圖3所示。2)刀具磨損嚴(yán)重,且易出現(xiàn)非正常磨損。3)掌子面泥膜效果難以有效保證,易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)和排漿口堵塞。3.4.2微生物控制措施1)嚴(yán)格控制刀盤(pán)艙壓力,一般壓力設(shè)定為1.1～1.2倍靜止水土壓力。2)做好盾構(gòu)姿態(tài)控制,結(jié)合盾尾間隙合理選擇管片拼裝點(diǎn)位,防止出現(xiàn)盾尾間隙過(guò)大,進(jìn)而引起盾尾密封失效,并參照3.3節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)控制措施。3)在盾構(gòu)掘進(jìn)至斷層破碎帶前,及時(shí)檢查和更換刀具,確保刀具完好。4)合理選取泥漿參數(shù),控制進(jìn)漿密度為1.05～1.15g/cm5)調(diào)整同步注漿漿液配比,及時(shí)在斷層破碎帶區(qū)域形成有效的隔離層,并在盾尾后部5～10環(huán)及時(shí)進(jìn)行雙液漿注漿。同步注漿配比參數(shù)見(jiàn)表4。6)加強(qiáng)隧道內(nèi)的施工監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取措施。4優(yōu)化施工過(guò)程控制1)通過(guò)對(duì)設(shè)備選型風(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)控制研究,結(jié)合工程地質(zhì)特性,完善盾構(gòu)與泥漿環(huán)流系統(tǒng)設(shè)備選型與優(yōu)化,有效地規(guī)避了盾構(gòu)在高水壓、大埋深、斷層破碎帶等復(fù)雜環(huán)境下施工的設(shè)備選型風(fēng)險(xiǎn),提高了設(shè)備的地質(zhì)適應(yīng)性,保障了盾構(gòu)施工的安全,提高了施工效率。2)在不良地質(zhì)條件隧道施工過(guò)程中,運(yùn)用科學(xué)的盾構(gòu)刀具管理與控制技術(shù),以及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施,延長(zhǎng)了刀具的使用壽命,提高了掘進(jìn)施工效率。3)結(jié)合地質(zhì)條件的變化合理選取掘進(jìn)參數(shù),加強(qiáng)過(guò)程控制和參數(shù)優(yōu)化,有效降低了刀盤(pán)結(jié)泥餅的概率,避免了掘進(jìn)參數(shù)惡化,并提出一套開(kāi)挖管理和泥漿管理并重的盾構(gòu)掘進(jìn)控制方法。4)通過(guò)掘進(jìn)參數(shù)、泥漿參數(shù)調(diào)整的動(dòng)態(tài)過(guò)程管理及監(jiān)控量測(cè)、注漿技術(shù)的綜合運(yùn)用,保證了盾構(gòu)在不良地質(zhì)條件