- 暗涵、倒虹吸工程
- 国务院南水北调工程建设委员会办公室建设管理司
- 5549字
- 2021-10-25 19:54:59
穿黄隧洞地质条件及其对盾构掘进的影响
张延仓
男,高级工程师,主要从事工程地质勘察工作。
长江勘测规划设计研究院 长江岩土工程总公司,武汉 430010
马贵生
长江勘测规划设计研究院 长江岩土工程总公司,武汉 430010
为了保证盾构机安全施工的效率和工期要求,穿黄隧洞采用盾构法施工,要克服不利地质条件及其他障碍。有针对性地对盾构机刀具等机构进行了改进,并采取人工排险等特殊措施,不仅保证了盾构设备运行安全,提高了工效,而且保障了盾构施工的顺利掘进。通过对隧洞围土的可掘性分析,比较得出了不同岩层结构下掘进的效果。穿黄隧洞盾构施工中的排障处置措施及施工特性分析成果可供有关盾构工程施工参考。
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目“复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究”(2006BAB04A11)。
南水北调中线工程穿黄河隧洞位于孤柏嘴山湾河段,全长4250m,其中过黄河段长3450m,隧洞埋深23~31m,纵向坡比1‰~2‰;邙山段长800m,隧洞埋深58~102m,纵向坡比4.9%。穿黄河隧洞由两条平行隧洞组成,隧洞内径7.0m,双层衬砌。外衬厚0.40m,为盾构施工过程形成的装配式普通钢筋混凝土管片结构;内衬厚0.45m,为现浇预应力钢筋混凝土整体结构,内外衬之间设弹性排水垫层,两隧洞轴线间距28m。
南水北调中线穿黄河工程于2005年9月开始施工,其中下游线和上游线穿黄隧洞分别于2007年7月和2008年3月从北岸始发掘进,并分别于2010年9月27日和6月22日全线贯通。这标志着南水北调中线工程中规模最大、地质条件最复杂、施工难度最大的关键性工程第一阶段的施工——穿黄河隧洞的贯通与外衬安装已经胜利完成。
在盾构机的设计制作过程中,根据南水北调中线穿黄工程地质条件的特点,选择泥水平衡式盾构机。针对地层和各种障碍物的分布和特性,制作了适合穿黄工程地质条件的刀盘,并增加了破碎功能。根据地层分布特点,选择了安全可靠的检修和更换刀盘的位置。由于对穿黄隧洞工程地质条件认识比较深入,对所有可能影响隧洞掘进的地质问题,采取了得当的措施,保证了隧洞施工的正常进行。本文总结了穿黄隧洞工程施工过程中地质问题的应对措施与效果,并分析了施工过程中出现异常现象的原因,可供类似工程勘察、设计与施工参考。
1 基本地质条件
1.1 孤柏嘴河段基本地质条件
黄河在孤柏嘴山湾河段总体流向为北东东—北北东,河槽宽浅散乱,枯水期水位100~102m,河槽宽度一般为1~3km,河底高程98~100m。河槽以北为滩地,宽广平坦,宽度达7~8km。其中生产堤以南为低漫滩,地面高程为101.5~103.5m;生产堤以北为高漫滩,地面高程102.0~104.0m。
北岸断续分布有低缓的黄土岗地,即青风岭,东西长约70km,南北宽为2.5~5.7km,高程107~112m,为黄河残存的二级阶地。南岸邙山为黄土梁,主脊近东西向。最高点高程224m,最低点130m,高出黄河河床近100m。受黄河水流的冲刷影响,临河北坡较陡,坡度40°左右;南坡缓,坡度2°~4°。
根据各时代第四纪地层的分布特征,可把穿黄工程线路分为4个工程地质段。南岸邙山段,上部为上更新统黄土,河床与低漫滩段,上部为全新统砂层,下部为中更新统粉质壤土;高漫滩段,上部为全新统砂层,下部为上更新统砂层;北岸青风岭段,上部为上更新统黄土,下部为上更新统砂层。
1.2 隧洞围土地质结构组成
穿黄隧洞最小埋深23m,主要穿越地层为上更新统粉质壤土、全新统砂层,根据隧洞围土结构组成的不同可划分为3种类型,见图1。
图1 穿黄隧洞地质结构分段示意
(1)单一黏土结构。隧洞围土为中更新统粉质壤土层,分布在桩号4+858~6+033和7+109~7+919。总长1985m。
(2)上砂下土结构。隧洞围土上部为全新统砂层,下部为中更新统粉质壤土层,分布在桩号6+033~7+109和7+919~8+233,总长1390m。
(3)单一砂土结构。隧洞围土主要为全新统中砂层,局部为粗砂层,砂层中零星分布砂砾石透镜体。该类结构分布在桩号8+233以北,长875m。
2 盾构施工可能存在的地质问题
2.1 障碍物
(1)块(漂)石。在穿黄隧洞轴线上游约2km的北岸河边,于钻孔18m深处的全新统砂层中发现2块紫红色石英砂岩块石,块径15~18cm。北岸下游竖井施工开挖至高程63.5m处发现一直径约30cm的漂石;北岸上游竖井在隧洞高程范围内发现了一个长轴直径约60cm的漂石,漂石的成分分别为砂岩和石英岩。
(2)地下古木。在桩号6+560.84的钻孔中,高程75.40~75.20m处钻出一截古木芯样,长23cm,顺黄河水流方向横卧于砂层中,树干直径不小于23cm,位于隧洞开挖面上部(该处隧洞顶板高程75.90m)。
在下游孤柏嘴处过黄河的西气东输工程的竖井施工过程中,地下10~14m深的全新统砂层中也挖到古木。北岸竖井开挖中,在隧洞高程范围内发现5棵古树,直径15~50cm,树干长2~3m,多数木质坚实。从以上资料分析来看,黄河河床、滩地下有较多的古木分布,在地下缺氧的环境中,多数未腐朽。
(3)坚硬砂岩薄层。桩号6+420~7+200段隧洞底板距上第三系基岩面较近,最近处仅0.963m。由于基岩面为古剥蚀面,起伏差较大,因此不能排除盾构隧洞施工中遇到基岩的可能性。
图2 坚硬砂岩薄层
隧洞下方基岩为上第三系的黏土岩、砂岩等,成岩性能差。黏土岩、砂岩一般为泥质胶结,强度较低,抗压强度分别为0.53MPa和0.62MPa。但局部分布有薄层钙质胶结的砂岩(见图2),呈坚硬状,强度较高,抗压强度为16.5MPa。钻孔揭露出分布最高的一层钙质胶结砂岩厚0.5m,低于隧洞底板1.60m。
2.2 不良地层
不良地层是指对盾构正常掘进有一定影响,可能增大盾构掘进技术难度或加剧盾构设备的磨损、老化的地层。
(1)钙质结核富集层。在中更新统粉质壤土层中有多层钙质结核富集层分布。钙质结核为淋滤-淀积作用的产物,呈层状分布于Q2古土壤层和粉质壤土之间,厚度一般为0.2~1.0m,最厚1.7m。在水平方向上钙质结核呈网络状排列,一般情况下相互之间的连接较弱或无连接,但不排除局部钙质结核联结成块的可能性,粒径一般5~8cm,个别较大,单个粒径最大超过15cm。钙质结核单轴抗压强度为8.5~15.7MPa,硬度约3度。
(2)泥砾层和砂砾石层。泥砾层和砂砾石层主要分布在上砂下土结构段,土层与砂层分界面处,位于隧洞开挖面的中上部和顶部。泥砾层有5段,累计长606m,厚0.5~6.6m;砂砾石层有3段,累计长729m,厚0.6~4.2m。砾卵石含量45%~60%,砾石成分主要为长石石英砂岩,少量灰岩、安山岩、流纹岩,粒径一般不超过10cm。
由于砂砾石层和泥砾石层具有颗粒粗、孔隙大、透水性强等特点,盾构掘进过程中易产生逸泥现象,开挖舱水土压力平衡难以维持,容易产生削切面不稳等问题。故要求盾构设备具有瞬时调节、维持开挖舱压力平衡的性能。
此外,卵石强度较高,硬度大,对刀具的磨损较大,盾构设计中应予以考虑。
(3)黏性土层。隧洞段更新统粉质壤土长3375m,占隧洞总长的79.4%。粉质壤土中夹有古土壤层,黏粒含量较高,为22%~35%。盾构掘进时,黏土容易在刀盘表面、开挖舱及出渣管口黏结,糊裹刀盘或堵塞进泥口。泥饼问题是穿黄隧洞盾构掘进过程中一个关键性的技术问题,对此,必须在盾构机上配置相应设施或增加解决泥饼问题的性能。
(4)砂层。过黄河隧洞段全新统砂层中的石英颗粒含量高达40%~70%,可能会加剧刀具、刀盘的磨损。穿黄隧洞通过单一砂性土结构段和上砂下土结构段累计长2265m,要求盾构机刀具具有高耐磨性,刀盘表面具有耐磨防护措施。
3 盾构施工中出现的问题与对策
3.1 障碍物的处置措施
如前所述,影响盾构机掘进的障碍物主要有块(漂)石、埋藏的古木、钙质结核等。在盾构机刀具的设计制造中,在刀盘外边缘布置了4把双刃滚刀,用以开挖坚硬的钙质结核富集层。施工过程中,盾构机在掘进钙质结核富集层时进展较顺利,但掘进速度受影响。据不完全统计,钙质结核富集地段,每环推进耗时在5h以上,如上游线隧洞991环、992环、994环,每环推进耗时分别为610min、465min和409min,远远小于在其他地层中的掘进速度。
为了应对盾构掘进中可能出现的块(漂)石,在盾构机设计制造中采取了两项措施:①在吸入格栅的前方分隔舱板处安装了液压颚式破碎机,用以破碎直径不大于50cm的块(漂)石;②设置人舱,遇到直径较大的不能通过前舱门的块(漂)石时,人工带压进舱进行破碎处理。在上砂下土结构段和单一砂土结构段的盾构出渣中,偶尔有块(漂)石出现,破碎后碎石直径15~27cm,从碎块断口及形状推测,漂石直径在50cm以下。
盾构掘进遇到不能破碎的埋藏古木时,需人工带压进舱清除。穿黄盾构的人舱分紧急舱和主舱,主舱通过密封门可与泥水舱和常压工作区相通;紧急舱与常压工作区和主舱相通,紧急舱的作用是在需要时,操作人员通过它进入主舱,而使主舱内压力不变,进行快捷的轮班进舱操作。穿黄隧洞盾构掘进中,在单一砂土段、上砂下土段含古木的频次较高。因古木大多已经腐朽,均被刀具破碎成古木碎块(屑)随出渣排出。
3.2 防刀具磨损措施
隧洞穿越的砂层石英含量高达70%,中更新统土层中含有大量的钙质结核,再加上块(漂)石等的存在,刀具磨损问题十分突出。在盾构设计制造中主要采取了以下措施:
(1)刀具采用高度耐磨的钢材制作。
(2)刀具钢体表面覆耐磨硬金属层;刀刃采用高质量碳化钢,多刃口布置;刀具的前、后部有耐磨钉防止刀身磨损。
(3)刀座用耐磨堆焊保护。
(4)在刀具的配置和布置方面,为适应穿黄隧洞的地质条件,配置有先行刮刀、刮刀、铲刀、滚刀、齿刀、仿形刀等。在正面区域,在刮刀前安装先行刮刀,其作用是松动刮刀前的土壤从而降低对刮刀的直接磨损;在刀盘周边区域,刮刀前面安装齿刀,齿刀的作用是松动刮刀前面的土壤从而降低对刮刀的直接磨损;刀具数量随刀盘直径的增大而增加,使刀盘上刀具磨损均匀。
(5)采用了一套特殊的磨损检测系统来监测刮刀的磨损情况,如图3所示。在刮刀的前端预埋了线圈,刀具磨损到一定程度时,预制线圈受到磨损,呈断开状态。刮刀后部有一套信号收集与发射装置,通过线路传输到主控室的显示装置。
3.3 泥饼问题处置措施
图 3 刀具磨损监测结构
盾构机在黏性土中掘进可能会遇到泥饼问题,影响正常施工,在盾构的设计制造中主要采取了浆液冲刷和特殊的刀盘、刀具等措施。
盾构机上的膨润土冲刷系统可以优化开挖舱里的新鲜膨润土,形成质量好的混合泥浆以及防止结块。在开挖舱下部泥浆管的左右两端设置两个摆动的膨润土喷嘴,在开挖舱底部设置两个旋转喷嘴和3个碎石机冲刷喷嘴;在刀盘中心,有冲刷管路以防止物料在中心结块,堵塞刀盘中心的开口,同时还可以与其他冲刷点一起增强物料流动,有利于形成均匀的混合泥浆,减少堵管;在开挖舱上部和中部分别设置有2个和4个喷嘴,冲刷管路用于优化新鲜膨润土的重新分配(膨润土液位),利于物料流动,防止物料在开挖舱结块;在盾体区域集成的一个旁通装置对盾构机上的泥浆管进行冲刷(反向冲刷模式)以除去可能的堵塞。
刀盘的总开口率达35%,分为16个渣土开口,中间部分专门设计的大渣土开口,易于黏性土壤中渣土的流动;刀盘上还专门设计了溜槽以有利于渣土的流动,有效地减少磨损和疲劳,溜槽大体上是逐步向刀盘后部倾斜以减轻槽上渣土附着量,以利于渣土流入开挖舱;刀盘的开口几何形状采用90°圆角渐变,以防止渣土堆积。刀具采用大尺寸的刮刀,减少开挖时粉末状渣土的产生,减少堵塞的危险。
3.4 刀具检查和更换
尽管采取了一定的措施减轻了刀具的磨损,但是由于穿黄隧洞线路较长,盾构机在掘进一段时间后,仍需检查和更换刀具。为保证检查和更换刀具时隧洞掌子面的稳定,选择检查和更换刀具的位置十分重要。一般来说,单一黏土结构段开挖舱洞壁稳定性较好,基本没有遗泥、漏气的情况发生,舱压容易保持稳定,带压进舱安全性较高;上砂下土结构和单一砂土结构段则相反。
据不完全统计,上、下游线隧洞分别进行了5次和6次刀具检查和更换,每次刀具检查和更换历时在几天或十几天。刀具检查和更换多选择在单一黏土结构段和上砂下土结构段进行,当开挖面暴露一段时间后,有开挖舱气压降低、局部小范围土体失稳和开挖舱液面升高的现象。当出现这些现象时,要停止更换,向前掘进一小段再继续进行。
3.5 隧洞围土可掘性分析
不同结构的隧洞围土,盾构机掘进的速度差异较大。图4是穿黄河隧洞不同围土结构和每环掘进耗时统计曲线,从中可以看出单一黏土结构段盾构机掘进速度最慢,单一砂土结构段盾构机掘进速度最快,上砂下土段盾构机掘进速度介于二者之间。
(1)单一砂土结构段。盾构机掘进主要需稳定好开挖舱洞壁即可。砂土较均匀,容易切削,每环掘进用时40~90min,每天推进8~10环,最大达到14环。
图4 不同地质结构段盾构推进耗时曲线
(2)单一黏土结构段。影响盾构机掘进的主要因素有钙质结核和黏性土产生的泥饼问题,据统计,除含钙质结核富集层段,单环掘进最长耗时达610min外,一般每环掘进140~465min,平均238min,约是单一砂土段的3~6倍。掘进断面内,以古土壤(古土壤黏粒含量较高,其下往往有钙质结核层)为主的地段,每环耗时较长,以粉质壤土为主的地段,每环耗时较短。
(3)上砂下土结构段。影响盾构机掘进的主要因素有钙质结核层、黏性土泥饼问题、泥砾石层和砂砾石层。由于砂层和黏性土层混合,减轻了因黏性土而产生的泥饼问题,因此盾构机掘进速度较单一黏土结构段快。在上砂下土段内,盾构掘进速度与隧洞断面内黏性土所占的比例有关,黏性土所占比例越大,每环推进的时间就越长。据初步统计,当黏性土所占断面面积达到70%~95%时,每环掘进耗时100~212min,平均140min;当黏性土所占断面面积达到95%以上时,每环掘进耗时120~306min,平均183min。
4 结语
在南水北调中线工程穿黄隧洞施工前的盾构采购招标文件中,根据设计提供的资料做了充分说明;在盾构机设计制造时,通过分析研究,亦采取了切实可行的防范措施,有针对性地提出了可能遇到的地质问题的方案。因此,在施工过程中,所预见到的地质问题都得到了很好的处理,保证了工程的安全施工。
盾构机的掘进速度受地质结构的影响比较明显。单一砂土段,掘进速度较快;单一黏土段,由于钙质结核以及泥饼问题的影响,掘进速度较慢,其中含钙质结核富集层段,掘进速度最慢;半砂半土段,由于砂与土的混合减轻了泥饼问题的影响,掘进速度介于单一砂土段和单一黏土段之间。