一、工程概况及地质条件:
海沧大道站~东渡路站区间自海沧大道站起, 先沿海沧大道向北敷设, 然后以500m曲线半径下穿海沧湾公园后入海, 经大兔屿, 穿越厦门西港, 于国际码头1号泊位上岸, 然后以350m曲线半径下穿邮轮城二期地块, 到达东渡路站。海沧侧为花岗岩, 大兔屿至主航道为变质砂岩、泥岩, 1#泊位码头前沿为变质石英砂岩, 东渡路站位凝灰熔岩、花岗岩。
主要穿越地层为淤泥层、残积砂质粘性土、中风化花岗岩、全风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、全风化砂质泥岩、中风化变质砂岩、砂质泥岩、微风化变质石英砂岩等, 其间花岗岩地层夹杂孤石及基岩凸起。
二、孤石群、基岩凸起爆破预处理技术
1、加密补勘
陆地段约350米, 原详勘孔单线间距为60-70米, 且大部分位于隧道外侧;为此必须加密补勘, 补勘孔按单线间距2.5m, 沿线路中心线布置。陆地段共发现孤石四个, 面积1.8 m2至6.6 m2不等, 侵入隧道1.6米左右;基岩凸起两段, 长度36米左右, 最高凸起4.4米。
对海域花岗岩、安山岩段 (入海约250米) , 按5m间距布置钻孔进行了加密勘察, 共完成125孔。
2、陆地段孤石、基岩凸起爆破预处理
(1) 钻孔
采用地质钻对盾构线路中的孤石及基岩凸起进行钻孔, 钻孔梅花形布置, 间距a=b=70cm, 施工选用108mm孔径垂直钻孔, 下设75mm PVC管护孔。记录岩面高度即覆盖层厚度、岩石中炮孔长度。为了彻底破碎岩石, 不留有欠炸岩坎, 爆破范围超出盾构开挖断面范围1.0m, 炮孔需超深1m。
(2) 装药
将乳化炸药 (直径60mm, 密度1.1g/cm3) 装入内径75mm的PVC管中, 并安放3发雷管, 装药长度大于需爆破岩层厚度, 并在绳索上系上小红布条等明显标识物以做标记。对炮孔架空防护、重型压盖, 架空高度0.6m, 采用钢板或预制盖板。
(3) 爆破网路
采用串联网路, 多段高精度毫秒数码电子雷管, 延时间隔25~50ms, 实行孔间或排间毫秒延期爆破, 间隔时间50ms, 逐孔或逐排进行起爆, 起爆前进行人员疏散、警戒。
(4) 爆破效果检测
进行取芯检测爆破效果, 抽取出的岩芯单向长度10cm≤25cm, 效果较理想。
(5) 注浆
爆破完成后, 在原爆破孔位置进行袖阀管注浆, 对破碎土体进行加固。袖阀管注浆采用水泥浆液, 水灰比为1:1, 注浆压力控制在2Mpa, 另根据现场实际情况可适当调整注浆参数。
3、海中段孤石、基岩凸起爆破预处理
(1) 爆破-作业平台
钻爆船作为爆破作业平台, 自带有轨钻机成孔。钻机带有GPS定位装置, 实现精确定位。
(2) 爆破-钻孔
钻杆钻进, 套筒跟进至稳定地层。渣土通过高压空气吹出。成孔直径138mm, 超深1m。
(3) 爆破-装药
拔出钻杆, 向套筒内下放抗水乳化炸药至设计高度。
(4) 爆破-拔管、引爆
拔出套筒, 将引爆线引出, 移船并引爆。
(5) 注浆-作业平台
两台平板船作为注浆平台。采用跟管钻机, 钻杆钻进, 套筒跟进至稳定地层。拔出钻杆, 下放袖阀管+套壳料管至设计深度, 拔出套管。注入套壳料, 注浆范围内注入膨润土液, 上部注入双液浆封口。将注浆器安装至注浆范围底部, 分段注入水泥、水玻璃双液浆。注浆压力0.5-1MPa。
4、预处理段盾构推进情况对比
爆破区域, 盾构均顺利穿过。注浆效果良好, 推进过程中, 压力、液位稳定, 未发生一次冒顶现象。
(1) 、同步注浆量大, 是理论注浆量的1.7-2.5倍。本工程理论注浆量为5.17方/环。
(2) 、爆破产生碎渣堆积在舱底, 不容易被泥浆循环带出, 产生“滞排”现象, 必须控制推进速度 (10-20mm/min) , 增加泥浆循环时间;如果碎渣堆积较多, 扭矩会剧增, 可能会出出现抱死刀盘现象。
(3) 、推力略有增加
(4) 、盾构推进过程中, 石块有可能堵塞排浆泵, 需观察泵的工作状态, 如出现异常颤动, 需及时拆泵清理。
三、高压进仓作业孤石处理技术
由于本项目地质条件的复杂性、以及孤石探测技术的局限性, 难免有未发现的孤石或者是未完全处理孤石遗留在隧道洞身范围内, 盾构掘进时刀盘遇见孤石, 会造成推力、扭矩增加并产生异响, 需要带压进舱处理。在左线218环推进中发现推力逐渐增加 (大于1600t) 、速度慢 (10mm/min) , 掘进过程中刀盘左侧有异响。判定刀盘遇到孤石, 需人员高压进舱进行处理。
1、带压作业压力的确定
带压进仓的压力值根据理论计算和实际气泡仓压力值进行确定。由于盾构机位于全风化花岗岩层, 属于硬土, 围岩等级在Ⅴ级以下, 因此气垫舱压力不仅需要平衡水压, 还需平衡土压。因此掌子面水土压力采用水土分算法进行压力计算, 如图1所示。气垫仓压力P将根据掌子面水土压力确定, 其上限值Pmax为静止水土压力, 其下限值Pmin为主动水土压力。根据朗肯土压力计算公式进行计算。
根据下表1中土体各项物理力学指标, 可计算出Pmin和Pmax
P= (Pmin+Pmax) ÷2= (270.08+242.5) ÷2=256.29k Pa, 本次进仓位置最大潮位差为2m。故确定本次带压进仓压力为2.36~2.56bar。
2、孤石处理
进舱清理刀盘后发现前面存在一孤石, 尺寸预计为80cm*60cm*32cm。
(1) 、首先采用风镐凿除方式处理, 由于空间狭窄、岩石强度高, 效果不理想。
(2) 、尝试采用膨胀剂处理方式, 由于孤石只是局部暴露, 打孔困难, 不能合理布孔装药, 处理失败。
(3) 、最后采用液压割据, 成功处理孤石。此方法, 操作方便, 施工效率高, 值得推广。
四、孤石群、基岩凸起段盾构施工技术
左线盾构412环至417环 (入海约270米) 推进过程中, 刀盘扭矩剧增大、转动有异响、盾构机颤动明显, 渣样与地勘报告严重不符。如果继续推进, 存在极大设备损坏风险, 地层又无法保压, 无法进舱检查刀盘刀具情况。
针对这种情况盾构机暂停推进, 采取如下主要措施:
1、地质补勘, 摸清盾构所处位置真实地质情况
417环停机时, 刀盘前后各有一地质钻孔, 且距离较近;396环时刚进行刀具更换 (左线盾构第一次换刀) , 地质状况良好, 掌子面保压正常, 工作压力1.68-2.1bar, 更换滚刀24把, 刮刀23把。根据地勘报告, 掌子面位于全断面强风化变质砂岩, 覆土厚度12米。海水深度4.8m-11.3m。但实际盾构出渣中含有大量安山岩石块, 与地质资料不符合。
为此在盾体附近增加补勘孔3个。其中盾体上方1个、刀盘前方2个。补勘显示盾构进入一段基岩凸起段, 凸起段夹杂孤石, 节理裂隙发育。凸起段长度14.8米, 盾构已掘进9.5米, 剩余约5.3米。
2、海上注浆, 进行地层裂隙填充、加固
盾体及管片四周密封:采用聚氨酯对盾体四周8个径向孔及后5环管片四周进行密封;使用袖阀管注浆, 先注聚氨酯再注水泥、水玻璃双液浆。
2.1用聚氨酯对盾构四周及刀盘2m范围地层进行填充, 防止后续注浆固结刀盘及盾体。
2.2使用水泥、水玻璃双液浆加固刀盘前后10m、盾体两侧7m。配浆比为:A液, 水泥:水=1:1 B液, 水玻璃 (45be) , A液:B液=1:1。
3、在412环至417环掘进过程中努力采取常规膨润土建泥膜保压都不成功情况下, 采用衡盾泥进行保压。
衡盾泥是由广州盾建研制的一种新型泥膜护壁材料, 2015年运用到土压盾构上, 本工程是首次在泥水盾构中运用。盾构机掘进的施工过程中, 如遇到复杂的地质环境:全断面砂层、富水断层破碎带、砾卵石地层、裂隙发育岩层、上软下硬地层, 采用传统的泥膜护壁法难以达到保压效果, 而衡盾泥浆体泥膜护壁简化了常规泥浆制作稠度分级, 具有较好的时效耐用性, 封闭保压效果稳定, 能满足保压开仓作业的需要。
3.1、闭舱:降低气泡舱液位, 作业人员带压进入, 关闭前闸门, 封闭开挖舱。
3.2、泥、浆置换:通过底部超前注浆预留管注入衡盾泥, 顶部平衡管放出开挖舱膨润土泥浆, 直到开挖舱注满衡盾泥。
3.3、分级加压:通过同步注浆泵加压, 保持开挖舱压力高于正常值1.5倍, 观察保压时间。保压时间随海面注浆加固, 逐渐延长, 最后达到120分钟, 衡盾泥建膜完成。
3.4、泥、气置换:将衡盾泥清除, 用高压空气替代, 以提供开挖舱工作面。
●海上注浆+衡盾泥保压, 维持约4天;海上气泡逐渐发展后, 需重新进行。经过两个月的持续工作实现保压成功。
4、舱内作业
衡盾泥保压成功后进行舱内作业, 主要内容: (1) 检查刀盘、刀具, 更换刀具; (2) 气泡舱和开挖舱打捞孤石、掉落刀具。
检查基本情况如下:
(1) 刀盘结构完整, 没有变形, 边缘少部分耐磨块掉落。
(2) 刀盘正面面板没有发现磨损凹凸、拉槽现象。
(3) 刀具:滚刀刀圈掉落、崩裂、偏移, 刀体和刀箱未发现损伤;
刮刀正面、边缘刮刀和保护块均大量掉落, 并有部分刮刀刀座掉落。
(4) 舱内堆积严重并有大量孤石, 刀盘可转动但扭矩及响声都很大。
人员进入气泡舱底部打捞, 打捞出掉落刮刀11把 (2把正面刮刀, 9把边缘刮刀) 、4块刮刀保护块、滚刀刀圈、及大量石块。开挖舱打捞随衡盾泥清理同步向下进行。对于刀盘前方孤石需要一并处理, 较大石块采用液压裂岩机破裂分块。
5、盾构推进情况
经过45天持续的刀具更换和清舱打捞后, 盾构恢复推进。40天后终于完成420环推进, 穿出孤石区域。
推进过程极为缓慢, 原因如下:
1) 、降低推进速度、刀盘转速, 减小扭矩, 降低刀具破坏;
2) 、由于未出孤石区域, 随推进大量孤石进入开挖舱、气泡舱, 堵塞排浆区域, 泥浆循环不畅通, 需长时间循环;
3) 、孤石在舱内堆积越来越多, 扭矩越来越大, 需多次进舱重新打捞;
4) 、刀盘转动扰动掌子面, 需重新进行海上注浆+衡盾泥保压。
五、结束语
本文所述跨海盾构区间作为厦门地铁2号线的工期节点工程, 是整条线路的重难点所在。由于经过区域的地质复杂性, 特别上文涉及的孤石群及基岩凸起段, 应用较多的不同施工技术, 相应伴随的海水水位变化、气候变化等不利因素增加了施工作业难度。地质勘探的局限以及预爆破过程的不完全增加了不可预见性, 导致频繁的高风险的高压进舱作业, 一方面刀具的破坏增加了施工成本, 另一方面也导致盾构推进的缓慢, 工期的拖延。在加强施工风险识别、施工风险管控措施并严格执行的前提下, 本文所述厦门地铁过海盾构施工技术能较好地掘进并顺利通过孤石群及基岩凸起段的地质带, 可在其他类似地质工程中推广使用。
摘要：盾构是目前国际上最先进的隧道施工机械, 依靠机械本身的强大推力和剪切力破碎土体岩石, 使隧道掘进、出渣、衬砌、注浆等工序可以平行作业, 实现一次成洞。随着国内各大城市掀起的地铁建设高潮, 盾构穿越大江大河等业已形成较成熟的施工技术;目前盾构穿越海底的施工实践很少, 本文拟以厦门地铁2号线跨海区间海东区间盾构施工为例, 结合该项目盾构穿越海底孤石、基岩凸起段的特点, 采用爆破预处理、注浆及衡盾泥保压、高压进仓作业等措施相结合的方法最终顺利穿越进行探讨, 供相类似地质条件的工程进行施工参考。
关键词：孤石群,基岩凸起,爆破预处理,保压,高压进仓
参考文献
[1] 《跨海地铁隧道盾构区间岸上段孤石及基岩凸起爆破技术》铁道建筑技术2017 (3) :98-100作者吴玉礼
[2] 《越海盾构基岩孤石处理及通过关键技术》中国盾构工程技术学术研讨会2013作者游永锋、梁奎生
[3] 《盾构机穿越海底复杂地层带压进仓孤石处理技术探析》铁道建筑技术2016 (8) :63-67作者陈建福
[4] 《盾构机在中国地下工程中的应用及现状》作者钱七虎、付得明