盾構隧道下穿深圳濱海大道沉降控制技術

陳學軍,鄒寶平,鄺光霖,崔曉艷

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,桂林 541004;2.廣東華隧建設股份有限公司,廣州 510635)

盾構隧道下穿深圳濱海大道沉降控制技術

陳學軍1,鄒寶平1,鄺光霖2,崔曉艷1

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,桂林 541004;2.廣東華隧建設股份有限公司,廣州 510635)

結合深圳地鐵 2號線南山商業中心站—科技園站區間盾構隧道穿越濱海大道的施工實際經驗,介紹盾構掘進施工要準確設定土倉平衡壓力、控制掘進速度、合理控制注漿材料配合比、確定適合土層的泡沫劑、確定盾尾油脂用量及注入壓力、制定全面的機械檢修與保養工作,同時通過監控量測,信息化管理,找出盾構法施工引起地表沉降的主要原因,及時采取有效措施控制地表沉降,保證了深圳市濱海大道行車安全。

地鐵;盾構隧道;沉降控制

1 概述

近年來,隨著我國地下空間開發利用程度的不斷擴展,盾構隧道施工技術日益成熟,然而,盾構隧道開挖過程中都不可避免地會對原有的地層和應力場產生擾動,從而引起地層的移動和地表沉降(或隆起),進而對地表建(構)筑物帶來不良影響。尤其在軟土層開挖,軟土靈敏度高,稍經擾動就會喪失承載力,且要經過很長的時間才能穩定下來[1]。國內外學者對盾構隧道施工引起地表沉降的規律進行了大量研究,但關于軟土地區盾構隧道下穿深圳市主要城市干道的工程經驗還沒有,對于隧道上部深圳市濱海大道車輛動荷載反復作用下的沉降規律是否與一般地面沉降類似,尚缺乏可靠的資料和認識。

盾構法施工引起周圍地層變形的主要原因是,施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結[2]。加強對影響盾構隧道施工的主要因素進行定量分析,總結出地表變形或結構沉降與盾構開挖過程中各種因素之間的關系,在施工過程中減少對土工環境的損傷和破壞、確保施工安全等方面具有重要的現實意義[3]。以深圳地鐵 2號線南山商業中心站—科技園站區間盾構隧道在里程 ZDK9+892.500～ZDK 10+45.000處下穿深圳市濱海大道為背景,通過施工階段對大量現場實測數據的整理和分析,初步得出本工程施工引起深圳市濱海大道沉降規律的認識,為將來類似工程的設計、施工提供參考。

2 工程概況

深圳地鐵 2號線南山商業中心站—科技園站區間為盾構區間,起訖里程為 YDK 9+629.740～YDK10 850.200,全長 1 220.46m。本工程采用 2臺全新德國海瑞克公司制造的復合式土壓平衡式盾構機 S470和S471由南山商業中心站向科技園站方向掘進,盾構開挖直徑 6.28 m,盾構隧道在里程 ZDK9+892.500～ZDK10+45.000處下穿深圳市濱海大道。深圳市濱海大道是南山區連接福田區、羅湖區的主要快速干道和深圳市重要的海濱自然風景帶,于 1999年建成通車。本工程盾構隧道左右線間距為 14.2m,隧道覆土厚度為 14.25～17.50 m,平面處于直線段,縱斷面最大坡度為 22.66‰,該區間隧道是深圳地鐵 2號線工程的施工重點和難點。盾構隧道與深圳市濱海大道位置關系如圖1所示。

圖1 盾構隧道與深圳市濱海大道平面位置關系

該區間原始地貌為濱海相潮間帶(灘涂),后經軟基處理,由填海而成。隧道穿越復雜地層條件,依次為 ：Qml層填石、填砂 ;Q4m層淤泥質黏土和礫砂(含淤泥);Q4al+pl層黏土和礫砂;Q3al+pl層黏土;Q2el層礫(砂)質黏土和礫 (砂)質黏土;γ53層全風化巖、強風化巖、中等風化巖和微風化巖等構成。賦存于黏性土和各砂層中的地下水類型為孔隙潛水,賦存于基巖風化層中的地下水類型為基巖裂隙水,但二者滲透性相近,因而兩種類型的地下水一般不具承壓性。區間范圍地下水位埋深0.70～4.60m,水位高程 -1.40～2.81m,最大隧道涌水量為 7 576m3/d,屬水量極豐富區,易造成局部流砂、涌水等現象。施工區域巖土物理力學參數如表1所示。

表1 土層的物理力學指標

3 地表沉降控制技術措施

造成深圳市濱海大道產生地表沉降的原因主要有施工引起的地層損失,包括開挖土體應力和地層原始應力的變化,盾構推進時的擠壓作用以及盾尾后面隧道外圍建筑空隙中壓漿不足,襯砌結構變形和管片的滲漏水。此外,盾構在推進過程中,由于擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用,使土層受到擾動,在隧道周圍產生正、負超孔隙水壓力,從而使盾構隧道周圍土體受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結,也是其產生地表沉降的原因[4～6],如果沉降差異過大,濱海大道就有可能遭到破壞,因此,要控制盾構施工引起濱海大道的地表沉降(或隆起),關鍵要使盾構掘進對正面及周圍土體的擾動最小化,要準確設定土倉平衡壓力、控制掘進速度、合理控制注漿材料配合比、確定適合土層的泡沫劑、確定盾尾油脂用量及注入壓力、制定全面的機械檢修與保養工作等,同時以監測數據指導盾構掘進參數的設置,進行信息化施工。

3.1 土倉平衡壓力控制

盾構掘進土艙壓力的設置,主要考慮地層土壓、地下水壓(孔隙水壓)和預壓 3部分,同時結合地表沉降監測反饋數據進行修正,從而科學合理地設置土壓力值和適宜的推進速度等參數。該區間段隧道覆土厚度為 14.25～17.50m,根據計算和實測經驗,土艙壓力設置偏大時常導致開挖面前方地層發生破壞性隆起,且最終沉降量較大;偏小時刀盤前方地表沉降較大,對最終沉降控制也不利。因此,設計開挖面水土壓力為1.8～1.9bar,盾構機推進時土艙壓力控制在 1.9～2.0 bar(1 bar=100 kPa)。

3.2 盾構推進速度和姿態控制

盾構機的推進速度和姿態控制直接影響到土體沉降。盾構在穿越濱海大道時應適當放慢掘進速度,推進的速度與正面的土壓力、千斤頂推力、土體性質等因素都有關系,應綜合考慮。本工程的掘進速度控制在40～50mm/min,即一環(1.5m)掘進時間控制在 30～40min,并盡量保持盾構機勻速前進,以減少對土體的擾動。

此外,為了保持盾構姿態、方向、高程準確無誤,在施工中盾構機姿態變化不宜過大或過頻,并且嚴格控制中線平面位置偏差、盾構切口與盾尾平面以及高程偏差均不超過 ±50mm,并且達到 ±30mm時報警。同時要加強激光導向,并定期跟進中線控制樁,加密施工中線、高程的測量頻率,并據以隨時調整輸入數據,保證激光導向的正確無誤,使盾構的前進始終按預定目標進行,一旦出現盾構偏移軸線過大或地面變形偏大,應逐步糾正,并及時調整推進速度。

3.3 合理控制注漿材料配合比

盾構施工引起的地層損失和盾構隧洞周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結以及地下水的滲透,是引起地表沉降的重要原因。為了減少和防止沉降,在盾構掘進過程中,要盡快在盾尾脫離出的襯砌管片背后同步注入足量的漿液材料充填盾尾環形建筑空隙。同時漿液質量要達到易于壓送、不離析、不沉淀不堵管。本工程采用單液水泥砂漿填充管片外環形間隙,同時結合本區間實際地質情況并經多次試驗確定漿液的初凝時間為 6～8h,1d齡期強度達到0.3～0.MPa。每 m3漿液配比及性能指標如表2、表3所示。

表2 每 m 3材料含量配比

表3 同步注漿漿液性能指標

3.4 確定適合土層的泡沫劑

泡沫劑的使用能保證盾構在掘進時能調整土倉內渣土的和易性,降低刀盤的扭矩和刀盤的工作溫度,保證渣土均勻從螺旋輸送機送出,保持土倉壓力的均勻本工程在盾構施工過程中,推薦使用的泡沫品牌有康達克和艾爾科,試驗艾爾科有更容易消除泥餅、軟化黏土的作用。同時,在盾構施工過程中,要加強對泡沫管的保護,發現堵塞時及時疏通和改造泡沫系統,并注意泡沫使用的濃度和用量,確定發泡倍數和稀釋度。

3.5 確定盾尾油脂用量及注入壓力

根據以往施工經驗,通過加大盾尾油脂壓注量能防止注漿液通過盾尾流失。經現場施工及監測信息反饋,當盾尾油脂壓力設計為 1.2 bar時,能較好地充填飽滿盾尾空腔,防止盾尾漏漿,確保盾尾間隙均勻。

3.6 盾構機的維修保養

在濱海大道底不允許停機開倉,因此為了保證盾構掘進以較好狀態進入濱海大道底,在盾構機過濱海大道前,盾構機應停止掘進,提前對盾構機進行全面的檢修與保養工作,確保盾構機以良好的狀態順利穿過濱海大道。另外,對盾尾密封加強檢查,控制好盾尾間隙,保證盾尾油脂注入的數量和質量,保護好盾尾刷,保證盾尾密封良好。同時對地面配套設施,如龍門吊、砂漿站等進行全面檢修保養,確保過濱海大道施工過程中所需的材料、機械配件等的充分供給。

4 施工監測及效果評價

在盾構穿越深圳濱海大道時,在濱海大道上布置監測點,點位沉降觀測選 4個斷面,分別為 ZDK9 925、ZDK9+950、ZDK 9+980、ZDK10+005斷面 ,每個斷面選 4個觀測點進行監測,監測點布置如圖2所示ZDK9+925、ZDK9+950、ZDK9+980、ZDK10+005斷面觀測點沉降趨勢如圖3～圖6所示。

圖2 隧道地表沉降測點布置(單位：m)

從以上監測數據可以看出,盾構在下穿深圳濱海大道時,ZDK 9+925、ZDK9+950、ZDK9+980、ZDK10+005四個斷面中,ZDK9+925斷面沉降累計最大值發生在中軸縱線,為 28.1mm,累計最小值是 ZDK9 925-1橫斷面,為 13.7mm;ZDK9+950斷面沉降累計最大值發生在中軸縱線,為 27.8mm,累計最小值是ZDK9+950-4橫斷面,為 12.4mm;ZDK9+980斷面沉降累計最大值發生在中軸縱線,為 13.6mm,累計最小值是 ZDK9+980-1橫斷面,為 5.7mm;ZDK10 005斷面沉降累計最大值發生在中軸縱線,為 10.mm,累計最小值是 ZDK10+005-4橫斷面,為 4.mm。因此,中軸線縱線沉降量最大的是 ZDK9+925,為 28.1mm,中軸線縱線沉降量最小的是 ZDK10 005,為 4.4mm,且距盾構隧道中線最遠的點沉降量累計最小,但所有點位沉降量累計值都在 30mm以內,也就是說盾構下穿濱海大道地表沉降均控制在 ±3 mm以內,小于規范允許的 ±30mm,符合規范要求,因而確保了濱海大道的行車安全。盾構隧道縱斷面地表累計量如圖7所示。

圖7 左線盾構隧道縱斷面地表累計沉降

5 結語

在盾構隧道施工過程中,產生沉降的原因主要是由于盾構頂推過程中原狀土層受到較大程度的擾動,且當盾構離開后發生了超孔隙水壓消散的主固結沉降以及土體骨架蠕變所引起的次固結沉降[7],此外深圳市濱海大道車輛動荷載長期作用也使道路逐步產生永久累積變形。因此,本工程在采用了以上提到的各項施工技術和監測措施,使左右線隧道分別于 2008年7月 1 4日 ～ 12月 18日和 2 00 9年 2月 1日 ～ 4月30日在不影響深圳濱海大道正常運行情況下,成功實施了穿越,且各項指標均在理想的控制范圍內,符合有關規范要求,這對今后類似工程設計和施工具有重要的指導意義。

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U 455.43

B

1004-2954(2010)03-0092-03

2009-11-09;

2009-11-19

廣西自然科學基金重點資助項目(桂科自 0832252);廣西重點實驗室基金資助項目(桂科能 07109005-2);廣西研究生教育創新計劃資助項目(2008105960814M 08)。

陳學軍(1961—),男,教授,2001年畢業于中國地質大學。