盾構穿越地裂縫施工技術分析

張彥彥，張 迪，孔建章

(1.恒萬實業有限公司,北京 100071;2.北京市政路橋股份有限公司,北京 100000; 3.北京易成市政工程有限責任公司,北京 100176)

地下工程的快速發展為城市的建設和交通網絡提供了重要支撐,然而在復雜的地質環境中,地裂縫作為一種常見的地質現象,對盾構施工帶來了不可忽視的挑戰。地裂縫的存在可能導致地下工程的變形、破壞甚至工程質量問題,因此如何有效解決盾構施工穿越地裂縫的問題成為工程領域亟需解決的難題之一。

1 地裂縫對盾構施工的影響

1.1 地質條件的不穩定性

地裂縫所處地質層的不穩定性是影響盾構施工的主要因素之一。這種不穩定性可能衍生出一系列問題,如地層崩塌風險和土壓失控等。在盾構機推進過程中,地裂縫周圍的地質層可能出現不均勻變形,這種變形將給盾構機的前進帶來隱患。地層崩塌風險是一項嚴峻挑戰,因為它可能導致盾構機卡阻、設備受損甚至事故。此外,不穩定的地質層可能增加土壓失控的風險,導致隧道結構的損壞。因此,在解決地裂縫問題時,必須充分考慮地質條件的不穩定性,采取相應的地質勘探和加固措施,以確保施工的穩定性和安全性。

1.2 地下水的滲漏問題

地下水的滲漏在盾構施工中也是一大挑戰。地裂縫常常伴隨地下水的滲漏,這可能導致土層涌水和潤滑問題。當地下水大量涌入工作面時,會使土體變得濕潤,增加土體的黏性,從而影響盾構機的推進和排土。此外,滲入隧道的地下水還可能減小土壤與盾構機之間的摩擦,導致盾構機卡車現象的發生,進而影響施工進度[1]。因此,在解決盾構穿越地裂縫問題時,必須采取有效的防水措施,以減少地下水對施工的干擾,確保施工的順利進行。

1.3 地面沉降問題

地面沉降是地裂縫對盾構施工影響的另一重要方面。地裂縫區域的地面沉降可能導致工作空間減小和地面沉降差異。隨著地面沉降的發生,盾構施工區域的地面高程會下降,從而減小了盾構機的工作空間。這對盾構機的操作、排土等工作造成一定影響,甚至可能導致施工連續性的問題。另外,地面沉降在地裂縫區域可能會不均勻,進而導致隧道斷面的變形,這會使得盾構機的施工難以保持設計的隧道形狀和尺寸。因此,在地裂縫區域的盾構施工中,需要針對地面沉降問題制定相應的施工方案,確保施工的穩定性和一致性。

1.4 斷層活動的影響

地裂縫伴隨的斷層活動也是影響盾構施工的重要因素之一。斷層活動可能導致地質層位移和錯動,從而影響到盾構機的穿越路徑。這種情況可能導致盾構機偏離設計軌跡,影響施工質量。此外,斷層活動會使地下地質構造更加不穩定,增加了盾構施工過程中遇到未知地質問題的可能性,需要實時調整施工策略。因此,在解決斷層活動對盾構施工的影響時,需要對地下斷層進行詳細調查和分析,并采取相應的安全措施,以確保施工的可控性和穩定性。

2 盾構穿越地裂縫的施工技術分析

2.1 地質勘探與風險評估

在解決盾構穿越地裂縫問題的過程中,地質勘探和風險評估起著至關重要的作用。地質勘探通過采用高精度地質雷達技術對地裂縫周圍地層進行掃描,獲取了地下地質層的性質和變形特征。巖石彈性模量K=100 GPa。

巖石膨脹系數α=0.000 3,地裂縫的活動距離ΔL=1.5 m,斷裂面積A=2 m2,盾構機直徑D=3.8 m,地下深度H=15 m。

可以使用以下公式計算地裂縫引起的地應力變化Δσ:

Δσ=(2 ×K×ΔL)/(π×α×D×D×H),將具體數值代入公式中進行計算:

Δσ=(2×100 GPa×1.5 m)/(π×0.000 3×(3.8 m)2×15 m)≈52.74 kPa。

因此,地裂縫引起的地應力變化Δσ≈52.74 kPa。

此外,通過現場勘探和地下水位監測,得知地裂縫區域存在地下水位變化,其中地下水位上升了0.5 m。結合巖石滲透系數和孔隙度等參數,應用達西定律進行地下水滲流速度計算,得到地下水滲流速度v=0.002 m/s。

在風險評估環節,我們進一步考慮地應力變化和地下水滲流對洞身穩定性的影響。利用公式計算地應力變化引起的應力差σ_diff:

σ_diff=Δσ×ΔL=0.225×1.5=0.337 5 MPa。

根據Darcy定律,地下水滲流引起的孔隙水壓變化ΔP可表示為:

ΔP=ρ×g×h×v=1 000×9.8×0.5×0.002=9.8 Pa。

綜合考慮地應力變化和地下水滲流對巖體穩定性的影響,我們得出了針對地裂縫區域的風險預測。在施工方案制定中,我們采取了以下措施:在地裂縫區域,加強洞身支護,采用更大斷面的隧道襯砌和雙重管旋噴樁加固方法,以增強巖體的穩定性;在地下水位升高的地段,加強地下水位的實時監測,確保施工過程中能夠及時應對地下水滲流引起的問題。

2.2 盾構機構優化措施

在解決盾構穿越地裂縫問題時,盾構機構的優化是關鍵一步。在地裂縫區域,通過精心的盾構機選擇和參數優化,可以顯著提升施工的成功率和效率。首先,在地裂縫區域選擇適合的盾構機類型至關重要。盾構機直徑、推進力、刀盤結構等參數需要根據地質條件和地裂縫特點進行精確調整。以地質勘探數據為基礎,可以運用如下公式來計算合適的推進力:

F=P·A·μ。

其中,F為所需推進力;P為盾構機刀盤周邊的摩擦力;A為刀盤截面積;μ為摩擦系數。這樣的優化計算能確保盾構機在穿越地裂縫時克服阻力,穩定推進。

其次,采用刀盤結構的合理優化也是至關重要的。選擇具有較強適應性的刀盤結構,如彈性刀盤結構,能夠更好地適應地裂縫區域的地質情況。這種刀盤結構可以根據地質變化調整刀盤的角度,降低推進阻力,減少振動,保證盾構機的穩定推進[2]。優化后的刀盤結構能夠減輕盾構機的受力情況,從而延長設備壽命,提高施工效率。另外,注漿系統的優化也能增強盾構機的適應性。通過加強注漿系統,及時處理地裂縫帶的水源,可以有效穩定地下環境,防止地裂縫帶因水流問題而擴大。地下水位變化可通過下述公式計算:

Q=k·A(h-z)。

其中,Q為地下水流量;k為滲透系數;A為滲流截面積;h為地下水位;z為地下水位下降的深度。通過合理優化注漿系統,可以降低地裂縫帶的水位,從而減小對盾構機的影響。盾構機優化示意圖如圖1所示。

綜上所述,盾構機構的優化對于解決地裂縫問題具有重要作用。通過精心的盾構機選擇、刀盤結構和注漿系統優化,能夠提高盾構機的適應性和穩定性,降低施工風險,保證工程的安全高效進行。同時,結合地質勘探和風險評估,優化的盾構機構措施能夠更好地應對地裂縫區域的挑戰,確保工程質量和安全。

2.3 施工路徑規劃與控制

在盾構機穿越地裂縫區域進行施工時,施工路徑的規劃與控制起著至關重要的作用,以確保施工的安全和順利進行。這個過程需要綜合考慮地裂縫的地質特征、構造活動情況、地下水位以及工程建設要求等多個因素,以制定出最優的施工路徑。

在地下工程中,尤其是在地裂縫區域進行盾構穿越施工,施工路徑的規劃至關重要。這需要從地質勘探的角度出發,以獲取詳細的地下地質信息,特別是與地裂縫有關的數據。地質雷達和地下水位監測是兩項重要的技術手段,用以獲取地下地層和地裂縫的特征數據。

地質雷達技術利用電磁波的反射與傳播特性,通過測量地下介質的電磁參數變化,可以獲得地下構造的信息[3]。地下地層中的裂隙和斷層會引起電磁波的反射和折射,從而形成地質雷達剖面圖。這些圖像可以提供地裂縫的分布、深度、形態等信息。地質雷達數據的處理常涉及到射線走時、波速計算等,具體公式如下:

其中,v為波速;d為傳播距離;t為射線走時。

地下水位監測則關注地下水位的變化,地下水位的升降可能會影響地裂縫的活動性。通過監測地下水位的變化情況,可以初步評估地裂縫活動的可能性。地下水位監測數據的分析需要考慮時間序列和季節性變化,以確定是否存在地下水位與地裂縫活動之間的關聯。

綜合分析地質雷達和地下水位監測數據,可以對地裂縫的幾何形態、分布范圍和活動程度有更詳細的認識。例如,地質雷達剖面可以揭示地裂縫的縱向展布,而地下水位監測數據則可以反映地裂縫的季節性變化。這些信息為施工路徑的規劃提供了重要的依據,幫助工程團隊避開可能存在地質風險的區域,確保盾構機施工的安全性和穩定性。

以下是示例數據,用于說明地質雷達和地下水位監測在地質勘探中的應用。

地質雷達數據示例:

假設地質雷達測得一段剖面數據,包括反射波形和對應的射線走時。在分析數據時,可以使用射線走時來計算地下介質中的波速。假設在某點的射線走時為t=0.02 s,而傳播距離為d=0.01 m,則可以通過下述公式計算波速v:

這個波速信息可以用來推斷地下介質的性質,例如地裂縫的存在與否、地層的巖性等。

例如,考慮一段時間序列的地下水位監測數據,如表1所示。

表1 地下水位監測數據示例表

通過對地質雷達和地下水位監測數據的綜合分析,地質工程師能夠獲得關鍵的地裂縫信息,包括位置、分布以及活動程度等,從而為施工路徑的規劃提供有力的依據。首先,地質雷達技術提供了關于地下地層的電磁特性和構造信息,尤其是反映地裂縫的特征。通過分析地質雷達剖面圖,工程團隊可以確定地裂縫的縱向展布、深度和形態。例如,當地質雷達數據顯示反射波形異常時,可能意味著地裂縫的存在或其他地質異常,這為施工路徑規劃中的避讓決策提供了重要線索。其次,地下水位監測數據對于評估地裂縫活動的可能性同樣至關重要。地下水位的升降可能與地裂縫的活動相關,因為地下水位變化可能影響地裂縫的應力狀態。通過監測地下水位的變化趨勢,地質工程師可以了解地下水位與地裂縫活動之間是否存在關聯,從而初步判斷地裂縫活動的程度。舉例而言,如果地下水位下降的同時地裂縫活動加劇,那么這可能表明地下水位變化在地裂縫活動中扮演著重要角色。然而,這些數據的分析與解釋并非單純依賴于技術手段,還需要結合地質知識和專業判斷。地質工程師需要在分析過程中考慮到可能的誤差來源,比如地質雷達剖面的解釋可能會受到地下構造的多樣性影響,而地下水位的變化也可能受到多種因素的影響。因此,在數據分析時,工程團隊應該結合對地質構造、巖性和水文地質等方面的深入理解,以確保所得出的結論具備準確性和可靠性[4]。

2.4 地質處理與加固技術

地質處理與加固技術是在改善地質環境,增強地下地層的穩定性,從而確保盾構施工能夠在相對安全的條件下進行。

注漿技術是一項常用且有效的地質處理方法。在注漿過程中,通過將固化劑以一定壓力注入地裂縫內部,填充其中的空隙,從而提高地質層的密實度和強度。這有助于減少地層的變形和位移,減緩地裂縫的活動,從而降低其對盾構施工的影響。注漿材料的選擇與比例需要根據地質條件來確定,以確保注漿后的地層能夠達到所需的強度和稠度。注漿壓力的控制也是關鍵,過高的壓力可能導致地裂縫擴張,而過低的壓力則影響注漿劑的滲透性[5]。因此,注漿技術需要結合具體地質勘探數據和專業經驗,以達到最佳的加固效果。另一方面,凍結技術在特定情況下也被廣泛應用。這項技術的核心思想是通過注入冷卻液體來降低地下土壤的溫度,形成凍結帶。凍結帶的形成可以有效地穩定地質層,防止其塌陷和變形。凍結技術適用于需要在一定時間內保持地質穩定性的工程,例如在盾構施工過程中,通過凍結帶可以減少地裂縫活動,為盾構施工提供穩定的施工環境。凍結技術的成功應用需要精確控制冷卻液體的注入量、流動速度以及凍結帶的深度和范圍。數值模擬和實驗驗證是確保凍結效果的重要手段,以確保凍結帶的形成能夠達到預期的效果。

3 結語

在地裂縫區域的盾構施工過程中,各項技術措施需要密切配合,相互協調,以達到高效、安全、穩定的施工目標。同時,為了在實際工程中取得成功,需要充分考慮地質環境的變化性,隨時調整施工方案,確保工程順利完成。通過綜合運用各項技術手段,地下工程的施工在面對地裂縫等復雜地質條件時,能夠克服挑戰,保證工程質量和施工安全,為城市發展和基礎設施建設做出貢獻。