地鐵區間隧道盾構掘進中地層損失控制技術研究

肖昌軍

中鐵廣州工程局城軌工程有限公司 廣東 廣州 510000

本文結合南寧軌道交通3號線一期工程五平區間工程實例,針對本區間工程的地質水文特征、盾構掘進模式、覆土厚度、周邊環境等情況,盾構掘進過程中靈活多變的改變掘進參數,設置合適的土壓力,嚴控出渣量,符合地層應力穩定的管片壁后注漿方式和注漿數量,有效的控制了地表沉降,監測數據均小于預警控制指標。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道路等,有效的保護了沿線地上和地下的建構筑物設施。

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隧道,線間距12～17m,曲線最小半徑為450m;區間左線長1173m,右線長1115m,區間設置一處聯絡通道兼區間泵房;區間線路縱斷面先以2‰出站,之后以5‰下坡,再以22.98‰上坡,最后以2‰的上坡到達平良立交站。整個區間隧道的覆土厚度為7.32～19.24米。

根據區間工程地質情況,采用中鐵裝備復合式土壓平衡盾構機施工,并配置六輻條刀盤。在硬巖段施工時,采用全斷面滾刀破巖模式;當掘進在軟巖或軟土地段時,采用滾刀與刮刀相配合的破巖模式。同時配備了同步及二次注漿系統、外加劑注入系統、空氣壓縮系統、自動導向系統等,適應地層廣,滿足不同地層的掘進要求,適用于含硬巖、軟巖、復合地層的隧道掘進。

2 地質概況

本段地貌上屬于溶蝕殘丘谷地區(Ⅲ區),沿線地形經過平整,地勢變化較平緩,高差不大。根據地勘報告,本區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→粉質黏土⑥1－1→黏土⑥1－2→粉土⑥2－2→粉砂⑥3－2→中等風化灰巖⑧H3(C),灰巖飽和單軸抗壓強度平均值為43.88MPa,最大值為99.8MPa。隧道主要穿越黏土⑥1－2、中等風化灰巖⑧H3(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 沉降控制標準

表1 五象湖站～平良立交站區間監測控制指標(值)

4 地層損失變形機理

地層損失是盾構掘進過程中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差。周圍土體在彌補地層損失中發生地層移動,引起地面沉降。盾構施工產生圍巖(土體)位移的原因與機理如下:

(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,有效應力增加,然后產生固結。

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

(3)盾構通過時沉降:盾構施工擾動,盾構與圍巖(土體)間剪切錯動,出渣,水流量過量,產生應力釋放,最終發生彈塑性變形。

(4)盾構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、注漿不及時等原因造成應力釋放,最終發生彈塑性變形。

(5)后期固結變形:圍巖(土體)后續時空效應變形,應力松弛造成彈塑性變形

圖1 地層變形一般規律示意圖

4.1 初期沉降

在盾構隧道掘進前,通常在盾構掘進影響范圍內布設沉降觀測點,通過五平區間盾構掘進的經驗數據,盾構機刀盤切口前方約16m為影響距離,約等于覆土厚度＋盾構機直徑6.28m;刀盤切口前方5m,地面沉降一般均在1mm左右。

盾構機開挖面達到監測點之前產生的沉降,是盾構機掘進中地下水流動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內的地面沉降點,發生隆起的原因主要是盾構機在掘進過程中推力過大,速度較快,同步注漿壓力較大的情況下產生的,使開挖面的土壓力增加;發生沉降主要是盾構機在掘進中推力較小,刀盤轉速過快,同步注漿不飽滿,土壓力較小引起沉降。

4.3 盾構通過時的地面變形

盾構機掘進中刀盤切口到盾尾段所發生的沉降或隆起,主要是由于盾殼向前移動過程中盾殼對地層的摩擦和剪切作用說引起的,盾殼外表面在掘進過程中被粘附一層黏土或漿液,使盾構外周尺寸實際增大,從而增加盾構與管片的間隙,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環內產生的沉降,盾尾間隙土體失去盾構機外殼支撐或管片背后注漿壓力小、注漿量不夠、注漿不及時、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行填充建筑空隙,引起土層應力釋放,導致盾尾地面沉降。

4.5 后期固結沉降

該段盾構隧道已掘進完成,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生的塑性變形;后期由于其他原因造成區間隧道周邊土體擾動引起的固結變形和蠕變時空效應等產生的沉降。

上述分析可知:盾構掘進中引起的地層損失和隧道周圍地層受到擾動或剪切破壞的再固結是產生沉降的主要原因。對于五平盾構區間,優越區間隧道主要穿越黏土層和中風化灰巖,并且隧道埋深相對較淺,因此區間地面沉降以盾構通過時的沉降和盾尾間隙沉降為主,整個盾構區間無預警。

5 盾構施工中的沉降控制技術

盾構掘進時影響隧道地面沉降的的主要因素有:地質水文特征、覆土厚度、盾構機選型、盾構機掘進模式的選擇、掘進參數的選擇、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、掘進速度等這些因素,引起地面沉降通過監測和快速反饋控制數據在允許范圍內,從而達到保護地面環境和周邊建構筑物的目的。

5.1 盾構掘進模式的選擇

土壓平衡式盾構一般有三種模式,即敞開式、半敞開式、土壓平衡式三種掘進模式。

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

(2)半敞開式適用于具有一定自穩能力和地下水壓力不高的地層,對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,多采用這種模式。在上軟下硬或硬巖地層施工時以滾刀破巖為主,以齒刀、刮刀為主削切土層。

(3)土壓平衡式盾構對于開挖地層穩定性不好或有較多地下水的軟質巖地層時,需采用土壓平衡式(即EPB模式),根據地層的不同,保持不同的渣倉壓力。土倉內的壓力通過改變盾構的掘進速度或螺旋機的轉速(排渣量)來調節,按與盾構掘削土量(包括加泥材料量)對應的排渣量連續出土,保證使掘削土量與排渣量相對應,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,保持開挖面的穩定性,壓力大小根據安裝在土倉壁上的壓力傳感器來獲得,螺旋機轉速根據壓力傳感器獲得的土壓自動調節。土倉壓力值應略大于靜水壓力和地層土壓力之和,在不同地質地段掘進時,根據需要的外加劑、聚合物、膨潤土等進行渣土改良,也可在螺旋輸送機上安裝止水保壓裝置,使土倉內的壓力穩定平衡。

5.2 控制出渣量

盾構施工排土量多少直接影響到盾構開挖面穩定盾構正面土壓力,控制排土量是控制地表變形的重要措施。土壓力、推進速度和出土量三個參數中,推進速度和出土量都是通過正面土壓力的變化而對周圍的土體和鄰近隧道產生作用的,三參數間影響密切,如推進速度增加,如果出土量不變,正面土壓力必然相應的增加。根據區間出渣量分析,在正常條件下黏土層松散系數一般為1.25～1.45,中風化灰巖地層松散系數考慮為1.6～1.8。出土量一般為理論值的90%左右,即每環出土量理論計算為V＝46.4m3/環,根據監測結果分析,受土地質條件和掘進參數的影響,在黏土層出土量設置在60m3/環較為適合,在中風化灰巖層出土量設置在75m3/環較為適合。

管片安裝時,土倉建立土壓平衡或氣壓平衡。應特殊原因需要長時間停機時,應使渣土充滿土倉,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形空隙盡早建立注漿體的支撐體系,防止洞室巖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定性。管片壁后注漿同時作為管片的保護層,可避免或減緩地下水對管片的侵蝕,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

盾構在向前推進盾尾間隙形成同時進行,漿液在盾尾間隙形成的瞬間及時起到填充作用,使圍巖體獲得及時支撐,可有效防止巖體坍塌,控制地面沉降。經驗表明,壁后注漿開始時間越早,填充率越高。二次注漿是通過管片吊裝孔對管片進行補強注漿,為提高壁后注漿層的防水性和密實性。

(2)注漿材料的選擇

注漿材料必須選擇適合隧道的土質和盾構形式的等條件的材料。注漿材料應具備不發生材料離析、不喪失流動性、注漿后的體積變化小、盡早達到圍巖強度以上、水密性號等特征,最重要的是充填性、流動性及不向盾尾以為的區域流失等,實現壁后注漿目的。

(3)同步注漿以注漿壓力與注漿量進行雙控,二次補強注漿量根據地質情況及注漿記錄情況,分析同步注漿效果,在結合區間監測情況,由注漿壓力控制注漿量。

(4)注漿時間及速度

根據盾構掘進速度,從盾構掘進開始進行注漿,到盾構掘進一環注漿結束,以均勻注入達到每環總注漿量。注漿過快可能造成堵管,過慢則會導致地層坍塌或管片不均受力,產生偏壓。

5.4 其他地面沉降控制措施

(1)盾構暫停掘進時,推進千斤頂可能漏油回縮引起盾構后退,而使開挖面土體松弛造成地面沉陷,此時應做好防止盾構后退措施,并對開挖面及盾尾采取封閉措施。

(2)由于左右線盾構施工的相互影響,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,隧道襯砌產生的變形或沉降也會引起地層損失,隧道襯砌沉降較大時,會引起不可忽視的地層損失。

6 結束語

通過對盾構施工中地面沉降研究和沉降數據的分析,將信息及時反饋給施工現場,對施工起到指導作用,能夠有效地控制施工中地面沉降。地面沉降監測與盾構施工緊密地結合在一起,做好地面沉降研究工作可以減小因盾構施工引起地面沉降造成的經濟損失和安全事故。

通過對影響地面沉降的要素嚴格控制,加強監測和嚴格管理,五平區間地面沉降得到了很好的控制,沉降值均小于允許控制值,盾構機成功的近距離穿越了結構各異的建構筑物,各類管線等。