肖昌軍

中鐵廣州工程局城軌工程有限公司 廣東 廣州 510000

本文結(jié)合南寧軌道交通3號(hào)線一期工程五平區(qū)間工程實(shí)例,針對(duì)本區(qū)間工程的地質(zhì)水文特征、盾構(gòu)掘進(jìn)模式、覆土厚度、周邊環(huán)境等情況,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中靈活多變的改變掘進(jìn)參數(shù),設(shè)置合適的土壓力,嚴(yán)控出渣量,符合地層應(yīng)力穩(wěn)定的管片壁后注漿方式和注漿數(shù)量,有效的控制了地表沉降,監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于預(yù)警控制指標(biāo)。通過近距離穿越立交橋、高壓電塔、下穿綜合管廊、下穿既有鐵路橋、下穿交通繁忙市政一級(jí)道路等,有效的保護(hù)了沿線地上和地下的建構(gòu)筑物設(shè)施。

1 工程概況

五象湖站～平良立交站為兩條單洞單線圓形盾構(gòu)隧道,線間距12～17m,曲線最小半徑為450m;區(qū)間左線長1173m,右線長1115m,區(qū)間設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道兼區(qū)間泵房;區(qū)間線路縱斷面先以2‰出站,之后以5‰下坡,再以22.98‰上坡,最后以2‰的上坡到達(dá)平良立交站。整個(gè)區(qū)間隧道的覆土厚度為7.32～19.24米。

根據(jù)區(qū)間工程地質(zhì)情況,采用中鐵裝備復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工,并配置六輻條刀盤。在硬巖段施工時(shí),采用全斷面滾刀破巖模式;當(dāng)掘進(jìn)在軟巖或軟土地段時(shí),采用滾刀與刮刀相配合的破巖模式。同時(shí)配備了同步及二次注漿系統(tǒng)、外加劑注入系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)等,適應(yīng)地層廣,滿足不同地層的掘進(jìn)要求,適用于含硬巖、軟巖、復(fù)合地層的隧道掘進(jìn)。

2 地質(zhì)概況

本段地貌上屬于溶蝕殘丘谷地區(qū)(Ⅲ區(qū)),沿線地形經(jīng)過平整,地勢變化較平緩,高差不大。根據(jù)地勘報(bào)告,本區(qū)間隧道按巖土層層序,從上至下分述如下:

雜填土①1→素填土①2→粉質(zhì)黏土⑥1－1→黏土⑥1－2→粉土⑥2－2→粉砂⑥3－2→中等風(fēng)化灰?guī)r⑧H3(C),灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為43.88MPa,最大值為99.8MPa。隧道主要穿越黏土⑥1－2、中等風(fēng)化灰?guī)r⑧H3(C),地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水。

3 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

表1 五象湖站～平良立交站區(qū)間監(jiān)測控制指標(biāo)(值)

4 地層損失變形機(jī)理

地層損失是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中實(shí)際開挖土體體積與竣工隧道體積之差。周圍土體在彌補(bǔ)地層損失中發(fā)生地層移動(dòng),引起地面沉降。盾構(gòu)施工產(chǎn)生圍巖(土體)位移的原因與機(jī)理如下:

(1)初期沉降:主要原因是地下水位降低,圍巖(土體)受擠壓而壓密;孔隙水壓力減少,有效應(yīng)力增加,然后產(chǎn)生固結(jié)。

(2)掌子面前方變形:地面隆起主要是盾構(gòu)機(jī)推力過大,注漿壓力過大,注漿量過多;導(dǎo)致孔隙水壓力增加,反向土壓力增加,最終壓縮產(chǎn)生彈塑性變形。地面沉降主要是盾構(gòu)機(jī)推力過小,出渣過量,土壓力小,注漿壓力小,注漿量不夠;導(dǎo)致應(yīng)力釋放,擾動(dòng)土層,最終產(chǎn)生彈塑性變形。

(3)盾構(gòu)通過時(shí)沉降:盾構(gòu)施工擾動(dòng),盾構(gòu)與圍巖(土體)間剪切錯(cuò)動(dòng),出渣,水流量過量,產(chǎn)生應(yīng)力釋放,最終發(fā)生彈塑性變形。

(4)盾構(gòu)通過后盾尾間隙沉降:圍巖(土體)失去盾體支撐,管片背后注漿量不足、注漿不及時(shí)等原因造成應(yīng)力釋放,最終發(fā)生彈塑性變形。

(5)后期固結(jié)變形:圍巖(土體)后續(xù)時(shí)空效應(yīng)變形,應(yīng)力松弛造成彈塑性變形

圖1 地層變形一般規(guī)律示意圖

4.1 初期沉降

在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)前,通常在盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍內(nèi)布設(shè)沉降觀測點(diǎn),通過五平區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),盾構(gòu)機(jī)刀盤切口前方約16m為影響距離,約等于覆土厚度＋盾構(gòu)機(jī)直徑6.28m;刀盤切口前方5m,地面沉降一般均在1mm左右。

盾構(gòu)機(jī)開挖面達(dá)到監(jiān)測點(diǎn)之前產(chǎn)生的沉降,是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中地下水流動(dòng)和水位降底或水土流失造成的。

4.2 開挖面前方變形

距刀盤切口前5m內(nèi)的地面沉降點(diǎn),發(fā)生隆起的原因主要是盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中推力過大,速度較快,同步注漿壓力較大的情況下產(chǎn)生的,使開挖面的土壓力增加;發(fā)生沉降主要是盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)中推力較小,刀盤轉(zhuǎn)速過快,同步注漿不飽滿,土壓力較小引起沉降。

4.3 盾構(gòu)通過時(shí)的地面變形

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中刀盤切口到盾尾段所發(fā)生的沉降或隆起,主要是由于盾殼向前移動(dòng)過程中盾殼對(duì)地層的摩擦和剪切作用說引起的,盾殼外表面在掘進(jìn)過程中被粘附一層黏土或漿液,使盾構(gòu)外周尺寸實(shí)際增大,從而增加盾構(gòu)與管片的間隙,造成地表變形。

4.4 盾尾空隙引起的地面變形

一般指的是管片脫出盾尾后0～5環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的沉降,盾尾間隙土體失去盾構(gòu)機(jī)外殼支撐或管片背后注漿壓力小、注漿量不夠、注漿不及時(shí)、注漿部位、注漿漿液配比和材料方面選擇不合適,使建筑空隙未能及時(shí)填充形成有效支撐,管片脫出盾尾后無支撐能力,管片周邊土層自行進(jìn)行填充建筑空隙,引起土層應(yīng)力釋放,導(dǎo)致盾尾地面沉降。

4.5 后期固結(jié)沉降

該段盾構(gòu)隧道已掘進(jìn)完成,管片脫出盾尾約一周以后的地層沉降,主要是隧道土體蠕變而產(chǎn)生的塑性變形;后期由于其他原因造成區(qū)間隧道周邊土體擾動(dòng)引起的固結(jié)變形和蠕變時(shí)空效應(yīng)等產(chǎn)生的沉降。

上述分析可知:盾構(gòu)掘進(jìn)中引起的地層損失和隧道周圍地層受到擾動(dòng)或剪切破壞的再固結(jié)是產(chǎn)生沉降的主要原因。對(duì)于五平盾構(gòu)區(qū)間,優(yōu)越區(qū)間隧道主要穿越黏土層和中風(fēng)化灰?guī)r,并且隧道埋深相對(duì)較淺,因此區(qū)間地面沉降以盾構(gòu)通過時(shí)的沉降和盾尾間隙沉降為主,整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間無預(yù)警。

5 盾構(gòu)施工中的沉降控制技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)影響隧道地面沉降的的主要因素有:地質(zhì)水文特征、覆土厚度、盾構(gòu)機(jī)選型、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模式的選擇、掘進(jìn)參數(shù)的選擇、注漿方式、注漿壓力和注漿量的控制、漿液的配合比、地層水土流失、出渣量的控制、掘進(jìn)速度等這些因素,引起地面沉降通過監(jiān)測和快速反饋控制數(shù)據(jù)在允許范圍內(nèi),從而達(dá)到保護(hù)地面環(huán)境和周邊建構(gòu)筑物的目的。

5.1 盾構(gòu)掘進(jìn)模式的選擇

土壓平衡式盾構(gòu)一般有三種模式,即敞開式、半敞開式、土壓平衡式三種掘進(jìn)模式。

(1)敞開式掘進(jìn)模式一般用于地層自穩(wěn)條件較好的地層,在能夠自穩(wěn)、地下水少的地層。

(2)半敞開式適用于具有一定自穩(wěn)能力和地下水壓力不高的地層,對(duì)于大部分處于硬巖地層,局部處于軟巖等,且地下水壓力在1～1.5kg/cm2,特別是在上軟下硬地層或硬巖地層且地下水可以控制時(shí),多采用這種模式。在上軟下硬或硬巖地層施工時(shí)以滾刀破巖為主,以齒刀、刮刀為主削切土層。

(3)土壓平衡式盾構(gòu)對(duì)于開挖地層穩(wěn)定性不好或有較多地下水的軟質(zhì)巖地層時(shí),需采用土壓平衡式(即EPB模式),根據(jù)地層的不同,保持不同的渣倉壓力。土倉內(nèi)的壓力通過改變盾構(gòu)的掘進(jìn)速度或螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速(排渣量)來調(diào)節(jié),按與盾構(gòu)掘削土量(包括加泥材料量)對(duì)應(yīng)的排渣量連續(xù)出土,保證使掘削土量與排渣量相對(duì)應(yīng),使土倉中的流塑性渣土的土壓力能始終與開挖面上的水土壓力保持平衡,保持開挖面的穩(wěn)定性,壓力大小根據(jù)安裝在土倉壁上的壓力傳感器來獲得,螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)壓力傳感器獲得的土壓自動(dòng)調(diào)節(jié)。土倉壓力值應(yīng)略大于靜水壓力和地層土壓力之和,在不同地質(zhì)地段掘進(jìn)時(shí),根據(jù)需要的外加劑、聚合物、膨潤土等進(jìn)行渣土改良,也可在螺旋輸送機(jī)上安裝止水保壓裝置,使土倉內(nèi)的壓力穩(wěn)定平衡。

5.2 控制出渣量

盾構(gòu)施工排土量多少直接影響到盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定盾構(gòu)正面土壓力,控制排土量是控制地表變形的重要措施。土壓力、推進(jìn)速度和出土量三個(gè)參數(shù)中,推進(jìn)速度和出土量都是通過正面土壓力的變化而對(duì)周圍的土體和鄰近隧道產(chǎn)生作用的,三參數(shù)間影響密切,如推進(jìn)速度增加,如果出土量不變,正面土壓力必然相應(yīng)的增加。根據(jù)區(qū)間出渣量分析,在正常條件下黏土層松散系數(shù)一般為1.25～1.45,中風(fēng)化灰?guī)r地層松散系數(shù)考慮為1.6～1.8。出土量一般為理論值的90%左右,即每環(huán)出土量理論計(jì)算為V＝46.4m3/環(huán),根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析,受土地質(zhì)條件和掘進(jìn)參數(shù)的影響,在黏土層出土量設(shè)置在60m3/環(huán)較為適合,在中風(fēng)化灰?guī)r層出土量設(shè)置在75m3/環(huán)較為適合。

管片安裝時(shí),土倉建立土壓平衡或氣壓平衡。應(yīng)特殊原因需要長時(shí)間停機(jī)時(shí),應(yīng)使渣土充滿土倉,建立土壓平衡。

5.3 管片壁后注漿

管片壁后注漿主要是使管片與周圍巖體的環(huán)形空隙盡早建立注漿體的支撐體系,防止洞室?guī)r壁坍塌與地下水流失造成地層損失,控制地面沉降,也可以確保管片襯砌的早期穩(wěn)定性。管片壁后注漿同時(shí)作為管片的保護(hù)層,可避免或減緩地下水對(duì)管片的侵蝕,提高管片襯砌的賴久性。

(1)壁后注漿可采用同步注漿與二次注漿的方式

盾構(gòu)在向前推進(jìn)盾尾間隙形成同時(shí)進(jìn)行,漿液在盾尾間隙形成的瞬間及時(shí)起到填充作用,使圍巖體獲得及時(shí)支撐,可有效防止巖體坍塌,控制地面沉降。經(jīng)驗(yàn)表明,壁后注漿開始時(shí)間越早,填充率越高。二次注漿是通過管片吊裝孔對(duì)管片進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿,為提高壁后注漿層的防水性和密實(shí)性。

(2)注漿材料的選擇

注漿材料必須選擇適合隧道的土質(zhì)和盾構(gòu)形式的等條件的材料。注漿材料應(yīng)具備不發(fā)生材料離析、不喪失流動(dòng)性、注漿后的體積變化小、盡早達(dá)到圍巖強(qiáng)度以上、水密性號(hào)等特征,最重要的是充填性、流動(dòng)性及不向盾尾以為的區(qū)域流失等,實(shí)現(xiàn)壁后注漿目的。

(3)同步注漿以注漿壓力與注漿量進(jìn)行雙控,二次補(bǔ)強(qiáng)注漿量根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況,分析同步注漿效果,在結(jié)合區(qū)間監(jiān)測情況,由注漿壓力控制注漿量。

(4)注漿時(shí)間及速度

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)速度,從盾構(gòu)掘進(jìn)開始進(jìn)行注漿,到盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)注漿結(jié)束,以均勻注入達(dá)到每環(huán)總注漿量。注漿過快可能造成堵管,過慢則會(huì)導(dǎo)致地層坍塌或管片不均受力,產(chǎn)生偏壓。

5.4 其他地面沉降控制措施

(1)盾構(gòu)暫停掘進(jìn)時(shí),推進(jìn)千斤頂可能漏油回縮引起盾構(gòu)后退,而使開挖面土體松弛造成地面沉陷,此時(shí)應(yīng)做好防止盾構(gòu)后退措施,并對(duì)開挖面及盾尾采取封閉措施。

(2)由于左右線盾構(gòu)施工的相互影響,左線土壓要比右線土壓考慮提高0.1～0.2Bar.

(3)在土壓力作用下,隧道襯砌產(chǎn)生的變形或沉降也會(huì)引起地層損失,隧道襯砌沉降較大時(shí),會(huì)引起不可忽視的地層損失。

6 結(jié)束語

通過對(duì)盾構(gòu)施工中地面沉降研究和沉降數(shù)據(jù)的分析,將信息及時(shí)反饋給施工現(xiàn)場,對(duì)施工起到指導(dǎo)作用,能夠有效地控制施工中地面沉降。地面沉降監(jiān)測與盾構(gòu)施工緊密地結(jié)合在一起,做好地面沉降研究工作可以減小因盾構(gòu)施工引起地面沉降造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。

通過對(duì)影響地面沉降的要素嚴(yán)格控制,加強(qiáng)監(jiān)測和嚴(yán)格管理,五平區(qū)間地面沉降得到了很好的控制,沉降值均小于允許控制值,盾構(gòu)機(jī)成功的近距離穿越了結(jié)構(gòu)各異的建構(gòu)筑物,各類管線等。