富水砂卵石地層盾構(gòu)開倉換刀對掌子面穩(wěn)定性影響

摘要：基于南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖到第九水廠（二期）工程第二標(biāo)段工程，通過數(shù)值模擬研究砂卵石地層盾構(gòu)開倉換刀對掌子面穩(wěn)定性影響，以此選出合適的倉內(nèi)換刀方法。研究結(jié)果表明：在開倉換刀時(shí)確定極限支護(hù)壓力和氣壓值，可以防止開挖面涌水和穩(wěn)定性問題；通過加壓開倉換刀技術(shù)完成了10次刀作業(yè)，累計(jì)更換213把刀具；采取倉內(nèi)加壓方法、穩(wěn)定開挖面措施和安全保障措施，可減少安全事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；數(shù)值模擬；開倉換刀；壓力值

0" "引言

目前，已有許多學(xué)者對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)應(yīng)用進(jìn)行了研究。鄺樹華[1]利用新型泥膜技術(shù)，對開倉換刀方法進(jìn)行研究。張德文等[2]通過分析盾構(gòu)掘進(jìn)的工程經(jīng)驗(yàn)，研究了含水量在較高地層中開倉換刀作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)。谷星[3]對施工現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對盾構(gòu)開倉換刀技術(shù)進(jìn)行研究。連小濤等[4]通過實(shí)際工況總結(jié)了相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。林寧[5]以福州地鐵工程為實(shí)例，通過研究開倉準(zhǔn)備以及施工過程等分析施工質(zhì)量控制要點(diǎn)。張宗喜等[6]總結(jié)盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層中的施工工藝，得出泥膜需全部覆蓋于掌子面上，且加壓和降壓過程需要分部進(jìn)行。

上述文獻(xiàn)對開倉換刀研究較少，且考慮不夠全面，導(dǎo)致施工易出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)。本文基于南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖到第九水廠（二期）工程第二標(biāo)段工程，通過數(shù)值模擬，研究砂卵石地層盾構(gòu)開倉換刀對掌子面穩(wěn)定性影響，以此選出合適的倉內(nèi)換刀方法，為規(guī)定工期內(nèi)完成作業(yè)提供保障。

1" "工程概況

項(xiàng)目為南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖到第九水廠（二期）工程第二標(biāo)段。工程輸水隧洞通過盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，斷面為圓形，外徑達(dá)到6.0m，凈尺寸達(dá)到5.4m，屬于襯砌結(jié)構(gòu)。工程盾構(gòu)采用C50W10F150型預(yù)制混凝土管片。該項(xiàng)目途經(jīng)海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)等地，地貌屬于斜坡帶，基巖起伏較大，西側(cè)背靠香山，最高海拔571m。

南水北調(diào)調(diào)線段屬于永定河流域與北運(yùn)河流域交錯(cuò)地帶，途徑清河。清河由西向東，河底低于地平面7～8m。施工現(xiàn)場附近有大量市政基礎(chǔ)設(shè)施，且分布復(fù)雜，地上擁有各種大橋，地下地鐵和城市管線環(huán)繞。施工場地屬于暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候。氣溫在11～12℃，降雨量變化較大，降雨多集中在夏季，最大年降水量可達(dá)到1050mm。

2" "極限支護(hù)壓力和氣壓值確定

面對盾構(gòu)隧道施工過程中，開倉施加氣壓是盾構(gòu)機(jī)開倉作業(yè)的基本工序。但施加氣壓情況主要靠經(jīng)驗(yàn)來判斷，沒有相關(guān)依據(jù)，因此存在不可預(yù)測性，從而增加換刀作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。本文通過數(shù)值模擬，確定開倉換刀作業(yè)的極限支護(hù)壓力和氣壓值，從而為實(shí)際工況提供可靠性。

2.1" "避免開挖面涌水壓力值

在開倉換刀時(shí)，面對殘積土等軟土地層或者斷面層上部為可塑狀黏土層、下部為部分砂卵石地層時(shí)，易出現(xiàn)危險(xiǎn)事故。本文通過數(shù)值模擬計(jì)算換刀工況個(gè)壓力值，本文工況主要分為兩種，具體情況如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知，工況1在下行線第6次開倉換刀處，全斷面為殘積土，且在隧道頂部7.2m處為地下水位線；工況2在上行線第2次開倉換刀處，該處為砂卵石地層，且隧道頂部7m處為地下水位線。該區(qū)域的土層力學(xué)指標(biāo)如表1所示。為防止開挖面涌水，在工況1中加壓值設(shè)為0.11MPa，工況2加壓值設(shè)為0.1MPa。

2.2" "開挖面穩(wěn)定壓力值

利用數(shù)值模擬分析盾構(gòu)機(jī)開挖面在穩(wěn)定狀態(tài)下的壓力值。計(jì)算模型以三維模型為基礎(chǔ)，長寬高分別為64m、51m以及34m，模型自由邊界在地表之上，底部固定。為保持模型穩(wěn)定性，在模型邊緣附加法向位移約束，具體情況如圖3所示。

模型以3個(gè)流程開始：一是開挖面處施加支護(hù)壓力加上支護(hù)壓力；二是土體剛度折減和圍巖應(yīng)力釋放；三是移除土體并加上管片，之后便進(jìn)行下一步開挖。計(jì)算模型采用摩爾-庫倫理論，并模擬盾構(gòu)機(jī)管片力學(xué)情況，其中泊松比為0.17，盾構(gòu)管片重度為24.5kN/m³，彈性模量為34500MPa。通過數(shù)值模擬，可以得到支護(hù)應(yīng)力比與開挖面位移情況，具體情況如圖4和圖5可知。

由圖4和圖5可知，支護(hù)應(yīng)力比與開挖面最大水平位移呈反比，開挖面最大水平位移越小，支護(hù)壓力比越大。盾構(gòu)機(jī)在開倉換刀時(shí)面對工況1時(shí)，支護(hù)應(yīng)力比為0.14；工況2在開倉換刀時(shí)的支護(hù)應(yīng)力比為0.13。

通過控制開挖面土體位移絕對值大小，可以使工況1開倉換刀支護(hù)應(yīng)力為72kPa，而工況2的支護(hù)應(yīng)力為42kPa。在加壓開倉換刀時(shí)，渣土被移除后，土壓會有所降低，使得盾構(gòu)機(jī)頂部氣壓高于原有土壓，由此可得到兩種工況下開挖面失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則與支護(hù)壓力平衡的氣壓值。其中工況1的位移突變?yōu)?4kPa，其限制土體位移絕對值為82kPa；工況2的位移突變?yōu)?1kPa，其限制土體位移絕對值為52kPa。

2.3" " 氣壓值確定

在安全狀態(tài)情況下壓力值是最高的，開挖面也較穩(wěn)定，但壓力值太高會對個(gè)人身心健康帶來威脅。因此需在滿足開挖面穩(wěn)定性及工人身心健康基礎(chǔ)上，選出最佳氣壓。本試驗(yàn)采取3種氣壓值，以50kPa為最小氣壓值，并以此類推增加50kPa進(jìn)行加壓試驗(yàn)，最終設(shè)定開倉換刀氣壓值的工況1的加壓值為150kPa；工況2的加壓值為 130kPa。

4" "穩(wěn)定狀態(tài)下開挖措施

4.1" "基于泥膜的穩(wěn)固措施

開挖面復(fù)雜松散時(shí)，在試驗(yàn)前期，通過制作泥膜來達(dá)到開挖面穩(wěn)固的目的，從而使氣體不會輕易流失。泥膜在注入泥漿時(shí)可將倉內(nèi)渣土替換出來，直至倉壁釋放出高黏度泥漿。

泥膜制作分級加壓過程中，檢測泥漿的基本參數(shù)，每30min進(jìn)行一次比重和黏度檢測。確認(rèn)泥漿應(yīng)用效果是否能夠達(dá)到預(yù)期，并在此基礎(chǔ)上觀察泥漿是否被稀釋，從而引起地層出現(xiàn)沉降。開倉換刀狀態(tài)下工況1的加壓值為150kPa，工況2的加壓值為130kPa。選用高黏度膨潤土泥漿，其中3級加壓分別為150kPa、180kPa、200kPa，且泥漿注入、置換以及靜置過程時(shí)間每次不能超過8h，確保壓力穩(wěn)定時(shí)間大于3h，讓穩(wěn)定壓力值波動在10kPa。

4.2" "壓力維持措施

在富水砂卵石地層盾構(gòu)開倉換刀作業(yè)過程中，采取分段排土的方法，并在此基礎(chǔ)上實(shí)行加壓方式。壓力維持措施具體操作過程如下：采用分階段排土和加壓方式；向盾構(gòu)機(jī)倉內(nèi)加氣，使倉內(nèi)氣壓比初始土壓力高出0～10kPa；之后便進(jìn)行下一階段排土，直至達(dá)到倉內(nèi)1/3高度處。在富水砂卵石地層盾構(gòu)開倉換刀過程中維持此壓力，使氣壓波動值維持在10kPa。

4.3" " 注漿加固措施

對于注漿加固措施，需要對鄰近盾尾1到3環(huán)管片注漿需保持平穩(wěn)，保證壓力一致，用量一致，并加做環(huán)箍封堵可能出現(xiàn)的裂隙水。在盾構(gòu)機(jī)前部注漿，為在拱頂部位孔中打入注漿芯管，并在此基礎(chǔ)上對地層進(jìn)行加固，從而封堵盾構(gòu)機(jī)殼周圍的孔隙水。其操作要點(diǎn)如下：

盾構(gòu)機(jī)通過鉸接油缸掘進(jìn)向前，當(dāng)掘進(jìn)路程駛出80mm時(shí)，停止盾構(gòu)機(jī)移動，收縮鉸接油缸，使刀盤離開掌子面小段距離，離開距離維持在50mm左右。注漿前需開啟加泥系統(tǒng)，使泥漿灌滿倉內(nèi)，泥漿量通過倉壓來控制。

注漿須自上而下進(jìn)行，通過控制注漿速度，使每次漿液擁有1min的凝結(jié)時(shí)間。在作業(yè)過程中漿液易外溢，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法正常工作，為此通過保壓注漿尤為重要。通過保壓系統(tǒng)向盾構(gòu)機(jī)倉內(nèi)加入壓。氣壓值不得大于刀盤主軸的承壓值，以防漿液外溢現(xiàn)象。

在拱頂超前注漿時(shí)，注漿芯管需鑲嵌入巖層，然后對切口環(huán)進(jìn)行封堵并加固地層。之后將作業(yè)面清理干凈，進(jìn)行澆筑C25混凝土，混凝土墊層厚度為20cm。

5" "施工效果

該項(xiàng)目附近有各類市政基礎(chǔ)設(shè)施，分布復(fù)雜，為施工帶來一定困難。施工地點(diǎn)地上有五環(huán)路紅山口橋、北安河橋等，地下則是地鐵密布以及一些基礎(chǔ)設(shè)施管線等。該工程突出特點(diǎn)是地層復(fù)雜且存在硬巖層。在該地層施工容易引起盾構(gòu)機(jī)刀具磨損加劇、更換頻繁。

將該工程分為兩段，其中樁號2+201～3+050段為上行線，樁號3+050～3+908為下行線。2020年8月29日至2021年5月14日，該工程通過加壓開倉換刀技術(shù)完成了10次刀作業(yè)，并對刀具進(jìn)行檢修，累計(jì)更換213把刀具。 本工程由于采取倉內(nèi)加壓、相關(guān)開挖措施和安全措施，降低了因盾構(gòu)機(jī)作業(yè)換刀發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，使作業(yè)得以順利完成，為工程在規(guī)定工期內(nèi)完成作業(yè)提供了安全保障。

6" "結(jié)語

本文基于南水北調(diào)配套工程團(tuán)城湖到第九水廠（二期）工程第二標(biāo)段，通過數(shù)值模擬，研究砂卵石地層盾構(gòu)開倉換刀對掌子面穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果如下：

為了防止開挖面涌水和穩(wěn)定性問題，在開倉換刀時(shí)確定極限支護(hù)壓力和氣壓值方法，并通過試驗(yàn)得出該方法的合理性。通過加壓開倉換刀技術(shù)完成了10次刀作業(yè)，并對刀具進(jìn)行檢修，累計(jì)更換213把刀具。采取倉內(nèi)加壓法、相關(guān)開挖措施和安全措施，降低了因盾構(gòu)機(jī)作業(yè)換刀發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)，使作業(yè)得以順利完成，為工程在規(guī)定工期內(nèi)完成作業(yè)提供了安全保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄺樹華. 衡盾泥輔助帶壓開倉換刀技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2020，52（10）：55-60.

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