夏西站—夏东站区间为佛山市南海区新型公共交通系统试验段工程的盾构区间。区间起始里程为右DK2+047.300, 终止里程为右DK2+988.700, 区间总长940.400m, 位于佛平路南侧, 前后自西向东与佛平路基本并行, 下穿佛山一环城市快速路。佛山一环为高架桥段, 桥下净空6.8～7.28m。

沿佛平路隧道南侧地下遗留有废弃的预应力锚索, 此锚索作为佛平路下穿隧道明挖法施工时基坑支护用。锚索影响区段对应的新交通里程为右DK2+047.300—右DK2+209.130, 长度约为161.83m, 影响区段内共有遗留的锚索138根, 每根锚索长33～38m。必须对锚索进行预拔除, 方可进行盾构施工。

1) 对锚索区调查, 根据锚索与盾构开挖面关系, 采取有效方法在盾构穿越前对锚索区进行预处理。

2) 对盾构机闸阀、采石箱等设备进行适应性改造, 保证施工安全顺利进行。

3) 采用优质泥浆, 选用合理的配比, 通过环流系统将刀盘前方的锚索障碍物携至采石箱。

4) 在施工前检查泥水循环系统各项参数并记录, 结合地质条件设定泥浆循环系统压力值, 发现异常时及时开启采石箱观察情况。

5) 盾构机在掘进中隔时段改变刀盘旋转方向, 减少锚索对刀盘的缠绕趋势。

6) 定时进行环流系统逆送模式, 减少锚索钢绞线进入管道, 降低管道堵塞频率。

在盾构施工前, 对锚索区进行预处理, 先采用高压旋喷桩加固土体, 加固完成后采用旋挖干钻孔排除锚索;再对盾构机采石箱进行适应性改造, 一方面防止锚索通过采石箱堵塞管路, 一方面使得锚索便于清理;最后在施工中采用优质泥浆、选用合理的配比进行环流, 将刀盘前方的锚索障碍物携至采石箱;掘进期间, 定时改变刀盘旋转方向, 减弱锚索对刀具的缠绕, 预防刀盘刀具的磨损量;对各设备参数进行监测, 一旦某设备参数异常, 立即停止掘进, 对设备进行检查维修, 及时处理, 保证设备正常安全运行;同时, 在施工中合理设置切口压力, 加强对地表沉降监测, 建立数据预警机制, 及时有效地进行同步注浆, 将地表沉降控制在允许范围内。施工工艺流程如图1所示。

1) 根据锚索设计图纸, 确定锚索影响范围及锚索与隧道开挖面的位置关系, 并考虑锚索施工上下5°的施工误差。

2) 施工前, 对锚索影响区域进行补勘, 进一步查明此区域的工程地质条件和水文地质条件。

3) 施工前, 对锚索影响区域周边环境进行调查, 采集地面监测初始值, 实施动态信息化施工管理。

1) 根据锚索区域地质条件, 对地层进行加固, 保证锚索排除时土体稳定。

2) 在隧道线路中心线两侧各6m范围内施作旋喷桩加固, 加固深度进入隔水层1m, 加固形式如图2所示。

3) 旋喷桩注浆采用P·O42.5水泥, 水泥浆液水灰比为0.8～1.2, 水泥浆液压力>20MPa。

1) 在锚索处理区地层加固后、盾构施工前, 对盾构施工影响区域内的锚索采用“旋挖干钻孔+人工竖井+锚索清除法”进行拔除。

2) 采用1 500@1 200旋挖钻干钻孔进行竖井施工, 旋挖干钻孔在垂直于隧道方向线路的左、右轮廓线及中线布设3排, 每排沿隧道方向的钻孔交叠密布。先开挖竖井2, 再开挖竖井1, 最后开挖竖井3。单排施工过程中采用跳孔施工。

3) 采用旋挖钻机旋挖至理论锚索位置以上2m处, 旋挖护壁采用可回收钢护筒, 钢护筒架设完毕后, 剩余部分采用“人工竖井+玻璃纤维筋混凝土护壁”形式开挖至锚索位置以下1m, 清除底部杂物和积水, 用C15素混凝土封底。

4) 竖井施工露出锚索时将其剪断, 利用竖井底部施工的素混凝土操作面作为支撑面, 使用穿心千斤顶将锚索与锚固体一并拔除, 如图3所示。根据竖井2与竖井1拔出锚索长度, 再考虑施工竖井3。

5) 竖井采用水泥土进行回填, 水泥与土的体积配合比为1∶8, 竖井回填完成后采用双管旋喷桩进行复喷处理。施工完成28d以后, 对旋喷桩进行抽芯取样检验, 无侧限抗压强度≥1.0MPa, 渗透系数应<1.0×10^-5cm/s, 竖井回填前回收钢护筒。

虽然在施工前采取了锚索排除措施, 但施工过程中发现部分锚索施工误差较大, 个别锚索因加固体对锚索包裹密实, 拔除锚索过程中出现锚索断裂, 仍残留在地层中。实际排除量约占理论90% (总米数) , 还有10% (总米数) 锚索残留在地层中, 且原地层全为旋喷桩加固后的地层, 盾构掘进过程中切削下的水泥块都将对盾构施工造成影响。为保证盾构施工顺利安全进行, 特对盾构机的适应性进行改造。

1) 管路安装闸阀

在采石箱与土仓排浆闸阀间安装一道手动闸阀, 排浆闸阀因锚索被卡、损坏或开采石箱清理锚索时可关闭此闸阀, 保证盾构机前方切口环压力稳定性, 避免土仓失压地层失稳, 导致地面沉陷。

2) 采石箱改造

为防止残留锚索钢绞线进入排浆泵造成泵壳及叶轮损坏, 且锚索进入后续管路堵塞位置难以确定, 清理难度较大, 特对采石箱的容积与内部结构进行改造, 保证盾构正常掘进施工。

将原采石箱椭圆形改成矩形, 在有限空间里最大限度增大采石箱容积, 减少开采石箱次数, 减短盾构停机时间, 保证盾构机以最短时间穿越锚索区。

采用双仓隔断结构, 两仓中间增设锚索隔离网, 同时双开门清理, 提高后续管路隔离效果与采石箱清理效率, 如图4所示。

采石箱内底板由里往外设置15°坡度, 有利于采石箱内滞排物清理。

在穿越锚索区前, 结合锚索区所在地层情况、锚索排除残留量及地层加固水泥块等因素, 设定合理的掘进参数, 以保证盾构机在锚索区域的平稳运行。

1) 掘进速度:10～20mm/min。

2) 刀盘转速:1.3～1.5r/min。

3) 总推力:8 000～9 000kN。

4) 刀盘扭矩:700～800kN·m。

5) 泥浆参数:采用优质泥浆进行环流, 增大进浆浆液黏度值, 提高泥浆的携渣能力, 便于将钢绞线排出。泥浆参数如表1, 2所示。

6) 泥水压力设定

在泥水加压式盾构施工中, 加在开挖面上的力, 即用泥水使开挖面保持稳定的力, 通常应与作用在开挖面上的土压在对抗中保持平衡, 水压与开挖面上含水土体的垂直作用的重力和土的内摩擦角大小有关。切口水压的设定如下:

式中:P₀为水土压力, 自然状态下盾构机头部2/3高度处的压力。

7) 同步注浆确定

根据锚索区工程地质和水文地质条件、浆液材料及性能、周边环境要求等确定浆液配合比如下 (1m³) :水泥150kg、细砂625kg、粉煤灰400kg、膨润土75kg、水475kg。

同步注浆应密实填充管片与地层间空隙, 根据锚索区工程地质和水文地质条件, 同时考虑部分锚索可能会缠住刀盘外侧, 导致超挖现象, 注浆量控制在理论建筑空隙的190%～250%。每掘进一环同步注浆量理论值可按下式计算:

式中:V_浆为每掘进一环管片的同步注浆量 (m³) ;L为环宽 (m) ;D₁为盾构开挖直径 (m) ;D为管片外径 (m) 。

注浆速度与掘进速度相匹配, 并在掘进一环的时间内完成设定注浆量的注入, 同步注浆速度可按下式计算:

式中:V_浆速为同步注浆速度 (L/min) ;L为环宽 (m) ;V_掘速为盾构掘进速度 (mm/min) ;V_浆为每掘进一环管片的同步注浆量 (m³) 。

掘进前, 对盾构机设备易损件提前储备, 如闸阀 (手动闸阀和电控闸阀) 、泥浆泵叶轮、泥浆管 (软管) 、泥浆泵联轴器、传感器等, 保证在设备损坏情况下能及时更换。盾构推进是一个均衡、连续的施工过程, 推进管理是一个系统管理, 中央控制室是系统管理的中枢, 在锚索区掘进中要密切注意各施工参数的变化情况, 合理调整掘进参数。

1) 刀盘转速及旋转方向控制由于锚索区中仍有10%锚索残留, 预防有锚索缠绕刀盘时, 刀盘转速过快造成刀齿崩掉。同时, 在掘进过程中当环隔时段更换刀盘转向, 可以有效防止锚索过度缠绕在刀盘上。

2) 掘进速度控制预防盾构在锚索处理地层加固区掘进时, 产生过多的大直径水泥块堵塞管路。以及在泥浆环流不畅时, 掘进速度过快, 容易在泥水仓内堆积渣土, 增加对泥浆环流不畅的影响。

3) 总推力控制控制刀具贯入度, 尽可能减少大直径水泥块的产生, 防止钢绞线卡管排浆不畅时, 大直径渣土无法正常通过, 长时间堆积使排浆管到堵死。

4) 刀盘扭矩管理刀盘扭矩的变化能直接反映出锚索对刀盘缠绕的程度, 根据扭矩变化可以及时对掘进参数进行调整, 避免锚索对刀盘过度、过多缠绕。如锚索在刀盘上缠绕过多, 减小刀盘开口缝隙, 影响盾构排渣。

5) 密切关注排浆泵吸口水压排浆泵吸口水压变化, 直接反映出排浆泵前端管路是否通畅。如吸口水压变为负值时, 表明排浆泵前端管路已经堵塞, 此时应立即停止推进, 清理堵塞管道, 防止长时间在堆积造成管道堵死, 增加清理难度。

6) 盾构姿态盾构平面轴线偏差及高程宜控制在+20mm之内, 减少纠偏, 降低对土体的扰动。

1) 注入口压力应大于该点静止水压及土压力之和, 尽量控制为填充注浆而非劈裂注浆。

2) 注浆压力可设定为:注入口处地层侧压力+0.1～0.2MPa。

3) 注浆压力不应太高, 否则, 在始发时会损坏洞口密封装置, 在掘进时会损坏盾尾刷、管片等。

4) 注浆压力不超过0.05MPa, 太高时应查明原因, 并采取针对性措施。

5) 采取双向控制当注浆量不足理论值190%但注浆压力≥0.15MPa时应停止注浆, 避免地表隆起或漏浆;当注浆量超过理论值250%但注浆压力不变时应停止注浆, 查明原因是否有空洞, 并及时二次补浆。

1) 盾构在锚索区掘进时, 应以稳定开挖面为主, 缓慢掘进。

2) 切口水压力应根据静止土压力计算值设定, 盾构掘进过程中切口水压波动值应控制在±0.02MPa之间, 以保证开挖面土体稳定。

3) 定时进行环流系统逆送模式, 减少锚索钢绞线进入管道, 降低管道堵塞频率。

4) 掘进环流过程中, 保证管路流通顺畅, 并记录正常环流时采石箱前泵的压力、转速等参数, 初步确认锚索钢绞线、水泥块堵塞, 及时开启采石箱观察清理。

5) 出渣量应与理论出渣量相符, 禁止超排超挖。

1) 在掘进时加强泥浆检查, 及时调整泥水指标。

2) 泥水处理系统因故需要较长时间停机时, 应待循环后进行泥水指标复测, 然后进行掘进。

1) 盾构进入锚索区前应对施工影响区域内的地下管线和地面建筑物进行详细调查, 根据实际情况确定数据监测方案。

2) 严格按照有关技术规范、标准进行施工全过程跟踪监测, 日常监测范围为盾构机切口前50m至盾尾后50m内的监测点, 监测频率应不少于2次/d, 出现异常情况或经过重要管线、建 (构) 筑物时应加大监测频率。

3) 监测结果要及时反馈至施工技术部门, 施工技术部门应对监测数据进行分析, 并在此基础上及时调整盾构施工参数或者采取必要的施工技术措施。

在盾构穿越锚索处理区时, 因原锚索处理区等原因可能会导致盾构无法掘进施工, 则需采用气压开仓的方式清理仓内滞排物、疏通泥浆管路及闸阀、检查或更换刀具以及清除刀盘上附着的残留锚索。

在掘进过程中, 当刀盘扭矩持续>3 000kN·m、掘进速度<5mm/min, 泥浆环流不畅 (排浆管口处被堵塞, 逆洗无法解决) , 出现结泥饼征兆时, 根据以上施工参数综合判断, 确定具体停机开仓位置, 进行带压开仓作业。

在盾构气压开仓检查前, 首先做好盾构机停机准备工作;接着, 进行盾构机密封保护、衡盾泥置换泥水仓泥浆;再施作盾尾止水环, 同时, 为保证泥水仓内建泥膜时地层气密性效果, 进行地面注浆加固;然后, 为保证气压开仓作业的密闭性和防水效果, 采用衡盾泥建泥膜;最后, 进行气压开仓作业, 作业中应确保安全, 待存在问题处理完成后恢复掘进施工。地面注浆加固和泥水仓内建泥膜的目的和方法简述如下。

1) 地面注浆加固目的是通过地面注浆加固, 使盾构刀盘周围土体固结稳定, 增强气压开仓的地层保压性。

2) 泥水仓内建泥膜目的是在隧道开挖面形成泥皮, 减少气压开仓时气体的泄漏并将地层中的水隔离, 使土体稳定。

1) 仓内作业要求 (1) 仓内作业时, 人仓与泥水仓之间闸门必须保持敞开; (2) 滞排物及锚索清理; (3) 检查、更换刀具。

2) 注意事项 (1) 开仓后先观察掌子面、切口环的稳定情况, 经判断稳定后, 再进入泥水仓作业; (2) 开仓前及施工过程中, 确保现场形成安全通道; (3) 进入仓内的施工人员不得超过3人; (4) 所有电气开关都应装在仓外, 防止开启时产生电火花; (5) 泥水仓内用于照明的灯具必须使用安全防爆类型, 照明所使用的电压不能超过24V, 输电线路必须使用密闭电缆, 严禁使用绝缘不良的电线或裸体线输电; (6) 电路导线均应装在金属管道内不要暴露, 以保护电路导线的绝缘性不被腐蚀、摩擦、割裂等而受到损坏。

通过总结泥水盾构穿越锚索区施工工艺, 对盾构施工进行技术分析, 设置各设备参数预警值, 加强设备参数管理及巡视, 预防设备损坏, 为掘进参数优化及泥浆制备提供了相关经验, 降低了盾构在锚索区施工的安全隐患, 保证了盾构在锚索区施工的安全、顺利实施。通过该施工技术穿越锚索区, 能够有效减小对盾构进行开仓清理及刀具检查的可能性。一次开仓作业时间为40d, 同时需要投入大量劳动力。该技术能够有效缩短施工周期, 降低施工风险, 保证锚索区顺利穿越, 可为今后类似工程的施工提供借鉴, 社会效益和经济效益显著。