南京地鐵盾構隧道盾尾刷更換過程地表變形分析

郭建強 李長春 徐 源 高 永 李俊才,3 張志鋮

(1.南京地下鐵道有限責任公司,210008,南京;2.南京南大巖土工程技術有限公司,210008,南京;3.南京工業大學土木工程學院,210009,南京∥第一作者,高級工程師)

盾構推進施工過程中,應盡可能保證不發生漏漿現象。文獻[1]詳細論述了漏漿的危害性以及發生漏漿的原因。盾尾密封刷是確保不發生漏漿的前提。然而,盾尾刷卻是非常容易損壞且難以修復的部件,如何在施工中途進行盾尾刷更換,是解決盾構區間掘進的關鍵技術之一。文獻[2]以廣州地鐵為背景論述了尾刷更換的技術、技術措施及更換過程。文獻[3]對廣州地鐵3號線珠江新城站——客村站區間土壓平衡盾構機的盾尾刷構造、更換原因及更換過程進行說明,具有較大的參考價值。本文以南京地鐵粉質黏土層盾尾刷更換為工程背景,總結前人的研究成果,結合工程自身特點,討論盾尾刷更換過程對地表變形的影響,為同類工程提供參考。

1 地質概況

南京地鐵1號線南延線河定橋站——勝太路站區間地貌單元屬于秦淮河沖積平原。盾構機主機所處地質條件上部為③-2-2c2-3粉土層,透水性強。根據實際掘進出土情況分析,該土層局部夾粉細砂;下部在③-2b2粉質黏土層中,土質較硬、黏度大、透水性差。具體地層物理力學參數見表1。

表1 盾構機主機所處地層物理力學參數表

2 盾尾密封刷構造及作用

2.1 盾尾密封刷構造

盾尾密封刷系統是盾構機正常掘進的關鍵系統之一。追溯盾構機的應用實踐,盾構法隧道施工所發生的安全事故常常不在盾構機頭而在盾尾[1]。盾構機盾尾密封一般有剛性密封和柔性密封。由于剛性密封對管片生產和管片拼裝質量要求較高,逐漸被柔性密封取代[1]。盾尾密封必須能夠承受土壓和水壓,以及泥漿壓力。盾構機盾尾密封刷構造見圖1。從圖1可以看出,盾尾有3道密封刷,盾尾密封刷之間的間隙通過注入盾尾密封油脂,保證盾尾管片背后同步注漿的漿液不會從管片和盾構機之間的間隙漏出,同時防止地下水滲漏到盾構機內[2]。

圖1 盾構機盾尾密封刷構造圖

2.2 盾尾密封刷作用

土壓平衡式盾構機盾尾密封是保證盾構機與地下水隔離的一道非常重要的安全屏障。如果盾尾密封刷出現問題,同步注漿及二次注漿過程不可避免將發生漏漿現象。漏漿會產生一系列危害性后果:可導致地面不均勻沉降、地面構筑物開裂或者變形,既存在安全隱患,又破壞構筑物的美觀;可導致隧道上下浮動、左右偏移、管片錯臺、滲漏水等質量缺陷,進而影響到以后的地鐵運行;導致資源浪費,污染環境且增加了清理量,延誤掘進進度。

3 密封刷更換過程

3.1 更換原因

盾構機在掘進過程中,特別是在長距離掘進時,往往會由于盾尾密封油脂加注量不足、盾構機姿態調整過猛等原因,致使盾尾密封刷損壞。如果盾尾密封性能不良,大量地下水從破損的盾尾滲流到隧道內,后果將不堪設想。本工程區間推進到203環管片(掘進243.6 m),前期推進過程中多次、頻繁發生盾尾漏漿、漏水甚至涌砂的情況,并造成個別部位地面沉降嚴重超過報警值(3 mm/d)。考慮本區后面還要遇到全段面的粉土和粉砂地層,漏水、漏砂的危險性更大,業主、監理和施工方經多方面研究,決定對盾尾內側兩道密封刷進行檢修,以便及時解決盾尾漏水問題,保證盾構推進施工正常進行。

3.2 準備工作

3.2.1 更換位置選擇

應盡量避免在軟弱土層部位更換盾尾密封刷。軟弱土層部位盾構機在自重的作用下,容易發生低頭。一旦發生盾構機低頭就較難處理。本工程經多方專家論證,盾尾刷更換選擇在隧道及下部為粉質黏土層的位置。該層土質較硬、黏度大、透水性差。

3.2.2 注漿止水

盾尾密封刷更換需要進行焊接作業:先將舊的盾尾刷拆除,再將新的盾尾刷焊接到盾尾。焊接前必須對盾尾刷后部2～5環的管片進行管片壁后二次注入水泥-水玻璃雙液漿,將管片與地層之間的流水通道完全封死,防止地下水通過盾尾進入盾構機內而給更換、焊接施工造成不便。在注漿及二次注漿過程中,注漿壓力一定要合理控制。若注漿壓力過大,將產生一系列的危害:①管片間的接頭可能受到破壞,容易使管片錯臺,有可能引發重大工程事故;②引起地表的有害隆起;③破壞管片襯砌;④加重盾尾密封刷進一步損壞。若注漿壓力過小,則無法保證注漿量,注漿將達不到預計的效果,且注漿層會有余留空隙,不僅地層將會向隧道方向移動,產生較大幅度的沉陷,而且管片與地層之間的流水通道不能被完全封死,地下水可能通過盾尾進入盾構機內,給更換、焊接施工造成不便。本工程經詳細分析計算,最終將注漿壓力控制在0.6～0.8 MPa。

3.2.3 推進千斤頂行程的確定

比較適合的千斤頂行程約為1 200 mm。此行程可將已經安裝的緊貼千斤頂撐靴的管環部分環片拆除,并將盾尾刷露出1～2道,既可保證更換的安全性,又具備操作性。

3.2.4 施工設備材料準備

要準備好氣割、電焊機、焊條,以及填充盾尾間隙和盾尾刷的盾尾密封油脂等材料。

3.3 更換過程

在上述準備工作完畢后,即可進行盾尾密封刷更換。以K塊位于管環1點為例加以說明(見圖2):更換順序可以按照K→C→B→A1→A2→A3管片順時針方向進行,也可以按照K→C→A3→A2→A1→B管片逆時針方向進行;管片繞管環中心旋轉的角度以保證K塊位置為準。本工程中管環順時針旋轉了72°,即K塊盾尾更換前位于1點位置,盾尾更換后位于3點位置。

圖2 襯砌環平面及剖面圖

4 盾構施工引起地表沉降研究

4.1 地層沉降原因

盾構推進一般會發生地基變形。其原因有:

(1)開挖面上的土水壓力不平衡導致開挖面失去穩定性。此時,壓力艙壓力大于開挖面土壓力和水壓力時出現地基隆起,相反會出現地基沉降。

(2)盾構推進對圍巖的擾動。盾構殼板和圍巖的摩擦以及圍巖的擾動會引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲線推進時如采用超挖,會使圍巖松動的范圍變大,加大地基的沉降量。

(3)盾尾空隙的發生和壁后注漿的不足。盾構施工必然產生盾尾空隙,這一空隙會引起地基的應力釋放而產生彈塑性變形。一般可通過實施壁后注漿來控制,但壁后注漿的材料、注漿時間、位置、壓力、注漿量等都會影響地基的變形量。

(4)襯砌管片的變形和變位。管片從盾尾脫出后,受到圍巖荷載作用發生一些變形或變位,造成地基沉降,但其量一般較小。

(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。

4.2 地層沉降的機理

由盾構法施工引起的地層損失和經擾動后的土顆粒再固結,是形成地面沉降的兩個主要因素。

4.2.1 土體損失

隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾構與襯砌間的間隙等問題而比以隧道斷面面積計算出的量大得多。這樣,就使盾構隧道與襯砌之間產生空隙。在軟黏土中空隙會被周圍土壤及時填滿,引起地層運動,產生施工沉降,也稱瞬時沉降。土的應力因此而發生變化,隨之而形成應變-變形-位移-地面沉降。

地層損失是指盾構施工中實際挖除的土壤體積與理論計算的排土體積之差,一般可分為三類:

第一類,正常地層損失。這里排除了各種主觀因素的影響,認為操作過程是認真仔細的,完全合乎預定的操作規程,沒有任何失誤,地層損失的原因全部歸結于施工現場的客觀條件,如施工地區的地質條件或盾構施工工藝的選擇等。這是因為在實際施工中無論選用何種類型的盾構,都不可避免地會產生地面沉降。一般地說,這種沉降可以控制到一定限度,由此而引起的地面沉降槽體積與地層損失量是相等的。在均質的地層中正常地層損失引起的地面沉降也比較均勻。

第二類,非正常地層損失。指由于盾構施工過程中操作失誤(如盾構駕駛過程中各類參數設置錯誤、超挖、壓漿不及時等)而引起的地層損失。非正常地層損失引起的地面沉降有局部變化的特征,然而,一般還可以認為是正常的。

第三類,災害性地層損失。盾構開挖面有突發性急劇流動,甚至形成暴發性的崩塌,引起災害性的地面沉降。這常是由于施工中遇到水壓大、透水性強的顆粒狀土的透鏡體或地層中的貯水體。

4.2.2 固結沉降

固結沉降可分為主固結沉降和次固結沉降。盾構推進過程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用對地層產生擾動,使隧道周圍地層產生正、負超孔隙水壓力。主固結沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密。次固結沉降是由于土層骨架蠕動引起的剪切變形沉降。主固結沉降與土層厚度有著密切的關系。土層越厚,主固結沉降占總沉降的比例越大。因此,在隧道埋深較大的工程中,施工沉降雖然很小,但主固結沉降的作用決不可忽視。

在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性土層中,次固結沉降往往要持續幾個月,有的甚至要幾年以上。它占總沉降的比例可高達35%以上。

從理論上講,盾構法施工引起隧道周圍地表沉降是指主固結沉降、次固結沉降及施工沉降三者之和。如果不考慮次固結沉降,總沉降應等于地層損失造成的施工沉降和由于地層擾動引起的固結沉降之和。此時,位于隧道上方的任意一土層的相對沉降值是相同的。因為隨著超孔隙水壓力的消散,土顆粒向著它原來的相對位置移動,當超孔隙水壓力全部消散完畢,土顆粒也就回到原來的相對位置。如果總沉降中計入次固結沉降,則還應加上由于地層土體原有結構破壞引起的蠕變沉降。

4.3 地層沉降的發展過程

盾構施工引起的隧道上方地表位移沿盾構前進方向可以分為5個不同的區段:①初始沉降,這部分沉降是由于盾構掘進擾動土體前方一定距離外壓密使孔隙比減小引起的;②盾構工作面前方的沉降(土體隆起),由于正面土體受擠壓而向上隆起以及孔隙水壓力增加引起;③盾構通過時的沉降,這是由于土體擾動和盾構與土體之間的剪切錯動引起的;④盾尾空隙沉降,由于土體脫離盾構支撐后應力釋放引起的;⑤土體次固結沉降,這是由于土體擾動,變形隨時間而增長引起的。

5 盾尾刷更換期間地表變形

2008年4月24日左線隧道掘進203環,累積掘進243.6 m,當晚進行注漿及二次注漿;2008年5月2日至5月3日進行盾尾密封刷更換;5月3日晚重新掘進。

盾尾密封刷的檢修和更換需要在無水的情況下進行,因此在檢修前需要對盾尾及周邊土體進行加固止水;另外,從安全角度講也要保證在檢修期間不會發生涌水、涌砂事件。在檢修前對盾尾后16環管片采取了二次注雙液漿,每環在1點、6點及10點的位置共注3 m3漿液,直到壓力達到0.6 MPa以上(如壓力不足需增大注漿量)。

5.1 實際監測數據分析

L180～L230地表實測沉降及沉降速率如圖3所示。通過對圖3的分析可知,2008年4月24日L180～L200地表變形已趨于穩定,地表變形進入第五階段(次固結階段);L210地表沉降曲線出現拐點,地表變形逐漸趨于穩定;L220～L230地表沉降速率仍處于增大階段。2008年4月25日晚至5月3日對盾尾進行注漿及二次注漿,L210～L230圍巖與管片間的空隙被漿液填充,待漿液凝固穩定,圍巖受到有效約束,地表變形迅速收斂。在此階段,L220、L230地表沉降出現小幅反彈,反彈速率較小,地表變形較為穩定。

對比L180～L210與L220～L230地表變形趨于穩定的速度,L180～L210地表沉降速率收斂的速度要低于L220～L230,說明注漿及二次注漿有效改善了圍巖的物理力學性質;同時,土顆粒間的孔隙水壓密排出,空隙被漿液充分填充,土體抗剪強度及壓縮模量得到較大的提高。

圖3 L180～L230實測沉降及沉降速率曲線圖

5.2 預測數據分析

目前,計算沉降量與時間關系的方法有兩大類。一類為根據固接理論[4],結合各種土的本構模型計算沉降量的各種有限元法。此法由于計算參數較多,且需要做三軸試驗,因而在工程設計中難以采用。第二類為根據實測資料推算沉降量與時間關系的預測方法,如指數曲線法、雙曲線法、泊松曲線法[5-8]、對數拋物線法等。上述曲線中只有泊松曲線法能反映全過程的沉降-時間關系。

泊松曲線亦稱為Logistic曲線,其表達式為:

式中:

St——t時刻對應的預測值;

t——時間;

a,b,k——待定參數。

L180～L230的預測沉降量(見表2、3)是對實測數據在沒有注漿及二次注漿的前提下預測所得。

表2 地表沉降泊松曲線預測參數

表3 盾尾刷更換期間注漿效果分析

從表2可以清晰看出,盾尾密封刷更換期間地表變形分為兩類:一類為盾尾密封刷更換期間未影響區段(L180～L200),另一類為盾尾密封刷更換期間有影響區段(L210～L230)。

地表L180～L200由于離盾尾的距離較遠,管片與圍巖間的注漿材料完全凝固,注漿材料與圍巖整體結合,襯砌與圍巖間的空隙被充分填充,盾尾密封刷更換期間注漿及二次注漿對其影響不大。此外,地表變形進入第五階段(土體次固結階段)。此階段土體在有效應力不變的情況下,土顆粒間發生緩慢的剪切變形,致使土體發生流變變形,變形量隨時間的增長而緩慢增長。

地表L210～L230離盾尾的距離較近,受注漿及二次注漿的影響較大,越靠近盾尾所受的影響越大。注漿及二次注漿過程中,雙液漿液進入襯砌與土層間的空隙以后,注漿壓力同時反向作用于圍巖及管片,初時漿液是流動的狀態,地表沉降及圍巖的變形主要是受注漿壓力的影響,注漿材料的整體剛度很低;隨時間的變化,注漿材料開始凝固,由液態轉為固態,它的整體剛度將大幅度提高,這時由已經減小的注漿壓力和一定的注漿材料強度來影響地表的沉降及圍巖的變形;最終,地層的變形漸漸受到約束而將外荷載傳遞至襯砌結構上。L210～L230地表沉降預測值與實測值的差量充分表明注漿及二次注漿取得理想的效果,不僅控制累積沉降量,而且抑止地表沉降速率,使得地層變形很快趨于穩定。

6 結論與建議

(1)盾尾密封刷是保證不漏漿的前提,在盾構施工過程中只有保證盾尾密封的完好,才能有效地防止漏漿。

(2)如盾尾漏漿嚴重,采用加大油脂注入量、在盾尾填塞止水材料、在不堵管的前提下適當增加砂漿的稠度、適當增加盾尾抽排水設備等措施無法保證施工的安全和質量時,需要對盾尾密封進行更換。為確保盾尾密封安全快速更換,需提前選擇合適的更換位置。

(3)盾尾密封刷出現問題確定要進行更換,施工設備材料的準備及更換的方法選取必須快速合理。本文的更換方法及工程實例證明具有一定的實用與借鑒價值。

(4)該工程盾尾密封刷更換過程中地表的實測變形表明,采用0.6～0.8 MPa的注漿壓力科學合理。但最佳的注漿壓力應根據實際的地質情況結合數值計算方法確定一個初始值,然后以這個初始值進行試驗后確定。

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