斷層破碎帶及淺埋破碎地層TBM掘進施工技術研究*

周清福

(中鐵建城市建設投資有限公司,江蘇 南京 210031)

0 引言

如何保證地鐵安全施工和運營是地鐵建設的首要問題,而其中隧道安全施工則是其安全施工和運營的基礎。地鐵隧道施工是一項投資大、施工周期長的綜合性施工項目,施工過程中面臨著諸多不確定風險,主要和地質層位、施工工藝等有直接關系,而實際過程中地面塌陷、隧道垮塌的事故時有發生。

目前,針對城市地鐵區間的施工方法有很多,主要有盾構法[1-2]、暗挖法[3]、明挖法[4]、沉管法[5]等。近年來,隨著我國地下城市空間的建設,盾構法已經被廣泛應用在長距離、大斷面地鐵隧道建設中。盾構法具有施工安全系數高、環境擾動小、不受環境氣候影響等諸多優點[6]。

在地鐵隧道施工過程中最常遇到的不良地質現象是斷層及破碎帶,盾構掘進過程中如果處置不當,可能會引起隧道大變形、涌水、塌方等一系列工程地質災害,同時也是引起地面變形、坍塌的主要因素。斷層會使隧道圍巖的物理力學性質發生改變,同時降低圍巖的整體性,為此,諸多學者開展了穿越斷層破碎帶下隧道施工技術研究。王東劍[7]以橋上隧道穿越斷層破碎帶為工程背景,采用超前小導管預加固技術對斷層帶區域隧道進行加固,并對小導管相關參數對加固效果的影響進行了研究。王涵等[8]采用數值計算的方法研究了隧道采用CD法施工穿越斷層破碎帶時的可行性,并依據分析結果和現場監測結果,給出了支護方案。梅志遠等[9]采用有限元軟件對隧道穿越斷層破碎帶時不同開挖形式和超前支護方式進行了相應研究。劉智等[10]開展了超大直徑泥水平衡盾構穿越斷層破碎帶施工技術研究,并提出了各項解決措施。姜克寒等[11]為提高盾構機掘進效率及控制地表沉降,對在破碎帶地層施工時的盾構參數進行理論計算。以上學者雖然研究并提出了一些在隧道破碎帶地層施工過程中的應對措施,但在地鐵隧道斷層破碎帶盾構施工的案例相對較少,而針對既存在淺層破碎地層又存在深層斷層破碎帶中掘進的施工技術研究則更為少見,為此,開展這類研究具有重要的工程意義。

本文結合青島地鐵1號線穿越斷層破碎帶和淺埋破碎帶工程實例,從斷層破碎帶和淺層破碎地層引起的施工技術難題入手,采用地表深孔預注漿加固和TBM掘進參數優化對其實際掘進效果進行研究,成功實現了不良地層下的TBM安全掘進施工。

1 工程概況

青島地鐵1號線土建二標1工區TBM段南起團島始發井,最后接入青島站。通過現場鉆探揭示,場區第四系厚度0.50～4.50m。基巖為侵入花崗巖,局部存在煌斑巖巖脈、花崗斑巖,研究區地鐵線路共存在5個主要巖土層及13個亞層。本研究瓦貴區間賦存大面積破碎帶,斷層和破碎帶的存在會嚴重影響TBM掘進施工安全及掘進效率。該區間第四系地層厚度較小,基巖中等風化、微風化巖面埋深較淺,擬建隧道圍巖以微風化花崗巖為主,但部分地段有中風化和強風化斷裂帶,隧道從強風化帶中穿過,因此地基均勻性差。

2 工程特點分析

2.1 高風險工程點多

TBM施工區間及車站施工會影響周邊的市政道路、建(構)筑物、地下管線等,所涉及的風險因素較大。針對含有破碎帶的區域,在施工過程中,須采取有效措施保障現有建(構)筑物的安全。

2.2 施工工藝復雜

施工區段主要掘進方法為TBM法,項目實施過程中存在眾多接口,主要有出入口與車站主體接口、風井橫通道、TBM隧道與車站的接口等。施工工藝本身較為復雜,加之不良地質的存在,又進一步增大了施工難度。

2.3 暗挖工程作業面少、開挖方量大

貴州路站為明暗挖相結合車站,施工過程中需要從明挖段開挖一個新的工作面進入暗挖段,并且只有一個工作面,暗挖開挖方量比較大。西鎮站則是全暗挖車站,需通過風道進入車站主體進行施工,任務繁重、挖方量較大,因此,合理地對破碎帶區域進行加固和掘進參數優化對于提升掘進效率尤為關鍵。

3 針對性措施及施工關鍵技術

3.1 地表深孔預注漿加固斷層破碎帶

3.1.1加固方案

結合現場地質勘察資料進行技術分析,擬在深層斷層破碎帶區域采取地表深孔超前注漿的方法進行破碎帶加固。注漿加固范圍初步設定為隧道輪廓線以外3m,左線加固區域長70m,寬12m,右線加固區域長160m,寬12m(見圖1)。

圖1 注漿加固范圍

3.1.2鉆孔設計

1) 地表垂直鉆孔與傾斜鉆孔結合超前預注漿加固方案

根據鉆探量和施工難度,應首先考慮選用地表垂直鉆孔注漿方法。然而施工區域地表情況復雜,需超前預注漿加固的區域橫穿海岸灘涂、交通要道、綠化帶、污水管線、雨水管線及電力管廊,與住宅樓最近距離小于15m,如圖1所示。

地表鉆孔平面布置:鉆孔開孔的間距和排距均為1.5m,梅花形布置,終孔位置落于隧道中軸線±6m內。左右線共布置垂直鉆孔422個,預計鉆探量共16 880m;傾斜鉆孔500個,預計鉆探量25 000m;總鉆孔數為922個,總鉆探量為41 880m。垂直鉆孔剖面如圖2a所示,傾斜鉆孔剖面如圖2b所示。

圖2 鉆孔布置(單位:m)

2) 鉆孔結構設計

根據地層情況設計,一級開孔深度為20m,孔徑110mm,布設長20m套管,套管型號為φ89×7;二級孔徑42mm至終孔,如圖3所示。

圖3 鉆孔結構

3)鉆孔參數

針對研究區段,共設計注漿鉆孔922個,每孔采用前進式注漿工藝,預計鉆探量41 880m,復鉆量18 440m,鉆孔參數如表1所示。

表1 鉆孔參數

3.1.3注漿設計

1) 注漿壓力

根據經驗公式注漿壓力為上覆土層壓力的1～2倍,本工程上覆土層壓力計算如下:

P=ρgh

(1)

式中:ρ為土層天然密度;g為重力加速度;h為上覆土層厚度;P為上覆土層壓力。

研究區土層密度取值為1.9g/cm3,根據式(1)可以得出上覆土層壓力,并最終可以確定注漿終壓為0.8～2MPa。因本研究區段的復雜性,充分考慮周邊建筑物的結構安全,并考慮注漿壓力對注漿效果的影響,各鉆孔第1段淺部注漿終壓設計為1.5MPa;第2和第3段注漿設計終壓為1.5～2MPa;同時,注漿過程中密切監測地表及周邊管線隆起情況。

2) 孔間距

根據經驗公式,鉆孔間距為0.8倍的擴散半徑,設計鉆孔間距為1.5m。由于是針對中風化-強風化花崗巖注漿,鉆孔間距可根據現場實際條件適當調整。

3) 注漿結束標準

本項目擬采用量壓雙控結束標準:①當注漿壓力超過初始注漿壓力1倍后,并且達到預先設定終壓;②當單孔注漿量達到設計注漿量后,但注漿壓力未達到設計值時,此時可通過調整漿液膠凝的時間來使其達到終壓。

以上兩項注漿停止標準滿足其中的一條即可停止注漿。注漿達到終壓后,注漿量需低于5L/min,持續穩壓時間為10min。在注漿過程中同時也需要密切觀測隧洞變形,若變形量超過允許值時也應停止注漿。

4) 注漿站設計

注漿站擬占用20m×10m區域,保證水泥漿液和水玻璃溶液的制備及泵送,具體布置如圖4所示。

圖4 地表注漿站平面布置

3.1.4注漿材料

1) 單液水泥漿

單液注漿主要以普通硅酸鹽水泥漿液為主要材料,在加固初期主要以注漿充填為主,在注漿壓力逐漸升高后,注漿量增大,則可將注漿方式改為擠密注漿和滲透注漿,從而改善注漿加固滲透系數,同時可在隧道外圍形成一定厚度的注漿加固圈,進而可以阻擋地下水對隧道圍巖的影響。注漿原則是先稀后濃再稀。為提高水泥漿的早期強度,可以適當在水泥漿中加入0.3%～0.5%的三乙醇胺。

2) 水泥和水玻璃(C-S)雙液漿

若注漿過程中漿液流動半徑難以控制,遠超出預加固范圍時,可以更換注漿材料為雙液漿。該材料主要以水玻璃和水泥為主,并采用一定配合比注入。選用的水玻璃濃度要求為35～42°Bé,模數控制在2.3～3.0,水泥與水玻璃體積比一般為1∶1～5∶1。

3.1.5注漿工藝

3.1.5.1前進式分段注漿工藝

采用前進式注漿工藝,主要是為了防止風化破碎圍巖中漿液的不均勻擴散,提高圍巖加固效果。同時考慮加固段多為軟弱破碎帶,采用一次成孔注漿易造成卡鉆、塌孔以及漿液擴散范圍受限等情況。因此加固過程中應逐段加固、由淺入深、逐層推進(見圖5)。在施工中鉆、注交替,注漿分段長度為4m,利用孔口管進行止漿。

圖5 前進式分段注漿工藝

3.1.5.2模袋封孔注漿工藝

本研究存在的難點之一為地表淺層為軟弱雜填土,開孔點處缺少足夠強度的止漿巖帽,封固套管較困難,在注漿過程中跑漿串漿問題較難處理(見圖6),針對該難點采用模袋封孔工藝進行注漿管封固,將地表以下5～6m范圍內的雜填土層采用注漿膨脹模袋進行隔離,漿液的擴散范圍限制于TBM隧道中軸線6m范圍內,避免漿液在加固圈以外的區域進行無效注漿擴散。

圖6 漿液向上擴散示意

在模袋注漿管注漿過程中,首先針對鉆孔進行模袋封固(見圖7),采用水泥與水玻璃雙液注漿,漿液通過模袋上端小鐵管灌注,待注漿壓力達到1.5MPa時停止注漿,待模袋內水泥與水玻璃雙液漿初凝后開始通過注漿管對隧道圍巖注漿。

圖7 模袋注漿

在通過注漿管對隧道圍巖注漿過程中,首先采用硅酸鹽水泥單漿液進行注漿,通過觀察地層跑漿及串漿情況分析地層含導水構造發育及空間展布特征。

根據地層跑漿及串漿情況,動態調整C-S注漿材料體積配合比,根據不同體積配合比C-S注漿材料初凝時間不同,選用不同配合比漿液,實現動水封堵的調控。在模袋注漿時,選用的注漿停止條件為:地層開始隆起、注漿壓力達到1MPa或吸漿量小于1L/min時,滿足上述任意一條則停止注漿。

3.1.5.3深部定域控制注漿工藝

隨著地表注漿鉆孔深度的增加,會導致漿液在鉆孔內的移動時間增長,這樣會導致漿液在未達到預定的加固區就會凝結;如果增加漿液初凝時間則會導致注漿加固質量和漿液固結強度降低。注漿設計終壓則會隨鉆孔深度增加呈遞增趨勢,較高的注漿壓力會從深部薄弱區沿著孔壁作用在已加固的淺部孔壁圍巖上,進而導致圍巖部分區域重新劈裂,出現淺部圍巖重復注漿,而不能只針對深部的注漿薄弱區注漿。

針對以上情況,設計采用定域輸漿管初凝時間范圍內將漿液送入深部薄弱區,同時可使漿液黏度增長并將其穩定在某一特定值,此時漿液的狀態為膏狀黏塑性流體,仍然具備較強的流動擴散性。采用該工藝能夠實現相應的深部注漿漿液膠凝時間、擴散半徑及范圍。

地表注漿完畢后,仍存在部分注漿薄弱區,可以運用定域注漿工藝注漿加固(見圖8)。φ40無縫鋼管將被進一步運用在注漿加固上,并將無縫鋼管放置于靠近注漿薄弱區部位,并進一步注漿加固。

圖8 定域控制注漿工藝原理

3.1.5.4精細化控制性注漿工藝

在預期的時間和成本內,單一的方法或工藝往往難以實現對薄弱區的加固,應將多種注漿方法結合起來,實施精細化控制注漿技術:①采用逐級注漿、多次加固封堵,并能夠一步步達到加固要求;②在地表注漿過程中應采用反復強化、多種注漿材料注漿;③通過對C-S速凝注漿材料的配合比調節,控制漿液的凝膠固化時間,進而達到控制漿液擴散狀態的目的;④通過嚴格檢查,反復強化,提高隧道圍巖強度及穩定性。

3.1.5.5梯度控制注漿工藝

漿液配合比參數、注漿速率及注漿壓力是控制漿液擴散的關鍵因素。通過以上三者的合理調整,提出梯度控制注漿工藝,可使漿液在軟弱破碎圍巖內實現控制性擴散。

1)注漿速率梯度控制

注漿速率與注漿加固效果有著直接的關系,合理選擇注漿速率,并進行動態調整有利于提升注漿加固效果。注漿速率可按照圖9所示進行調整,分級降低注漿速率,由最初的快速率注漿轉變為慢滲注漿,有利于巖體的逐步強化。

圖9 梯度注漿速率下p-t曲線

2)注漿液動態控制

通過逐級降低注漿速率,并增大控制液(如水玻璃漿)與水泥體積比,增大漿液固化反應速率,使先注入的雙液漿在較大結構面內首先形成凝膠體,以此可以逐漸減小結構面面積,進而快速實現結構面封堵。

3.1.6注漿參數及其控制技術

1) 注漿加固圈厚度

在確定注漿加固圈厚度時,應首先考慮注漿加固后隧道圍巖的承載能力和工程安全。此外要考慮工期要求和工程成本。根據以往多數隧道的注漿設計經驗,在一般富水的裂隙破碎地層,注漿加固范圍一般考慮為隧道直徑的2～3倍。但是隨著注漿技術的進步以及注漿材料性能的不斷提升,超前預注漿徑向加固范圍都出現了減小趨勢,考慮到本研究區段高壓富水隧道施工的危險程度和難度,超前預注漿和徑向注漿的加固范圍可按如下公式選擇:

超前預注漿加固范圍:

B=(2～3)D

(2)

超前注漿加固圈厚度為:

B1=(B～D)/2

(3)

徑向注漿加固圈厚度為:

B2=(0.5～1.0)D

(4)

式中:D為隧道開挖直徑(m)。

根據以上注漿加固范圍計算公式,選擇本項目隧道圍巖預注漿加固圈厚度為3m。

2) 鉆孔注漿段間距選擇

本項目隧道圍巖地層為中風化～強風化花崗巖,松散富水,為保證注漿效果和注漿安全,采用前進式分段注漿工藝,注漿段間距的平均值定為1.5m,注漿起點位于隧道中線以上6m。在巖石比較完整且不含水的區域可適當增加,當遇到富水、松散破碎或呈流塑狀軟弱體時,要縮短注漿段間距為1m。

3.2 淺層破碎地層TBM掘進施工技術研究

3.2.1TBM掘進施工參數優化

1) 掘進參數

破碎帶掘進過程中參數控制:推進速度10～30mm/min,推力為最大推力的10%～20%,控制在2 500～5 000kN,刀盤扭矩為額定扭矩的10%～25%,控制在300～700kN·m,刀盤轉速為最大轉速的20%～40%,控制在2～4r/min。在掘進過程中根據參數變化及渣土情況選擇合理的掘進參數,緩慢均勻地切削土體,以確保掘進到達端墻時的穩定性。

2) 千斤頂行程

必須保證每環的長度,使管片自由放入,防止管片被碰壞。每環掘進完成換步后,保證主推油缸行程不低于500mm,如果巖層較破碎,使用半步換步模式掘進。

3) 滾動角

推進時注意盾體的回轉角,當超過20mm/min時,立即調整,防止盾體的扭轉較大。

4) TBM姿態

TBM姿態控制在偏離設計軸線±50mm內,并控制好盾尾間隙。如果存在糾偏,一環糾偏量不超過6mm,可以連續多環糾偏。

5) 出土量控制

開挖外徑6.3m,每環1.5m,按松散系數1.7計算得出每環渣土量為79.5m3。列車編組采用4節土斗,每斗20m3(即每進尺375mm為1斗土箱裝滿),主司機實時觀察掘進進尺與出渣量是否匹配。

6)刀具檢查

進入破碎帶之前確保刀具正常且期間不需要更換,掘進前及時對刀具、設備日檢項目進行檢查維保。檢查完成后立即恢復掘進,保證施工連續性。

7) 碎石吹填及注漿

每環掘進完成換完步后,管片底部90°范圍內及時吹填碎石,其余脫出盾尾中上部保證連續吹填飽滿并及時打止漿環,止漿環間水泥漿注入飽滿,嚴格按規范要求施工。

8) 掌子面觀察

每班不低于兩次觀察掌子面圍巖情況,檢查掌子面是否完整、有滲水情況等,并留存影像資料。

3.2.2施工方法

兩列編組礦車就位,TBM內停放一列空編組掘進,道岔停放一列空編組等候;順序啟動TBM各個系統,按照掘進速度10～30mm/min連續掘進,轉速控制在4r/min以內,掘進前主推油缸留有75cm余量,掘進150cm后停止掘進,換步75cm,重復按照上述掘進速度控制掘進;一旦發生故障立即檢修;掘進的同時,管片注漿、豆礫石吹填及時跟進,確保圍巖及時穩定;在掘進通過破碎帶時,參數具體值應該在操作時保存記錄或拍照留證。

4 結語

本文依托青島地鐵1號線某隧道盾構掘進工程,針對地鐵隧道盾構過程中遇到的深部及淺部破碎地層施工難點,從地表深孔預注漿加固和TBM掘進參數優化方面提出相應的控制措施,取得了較好的結果。

1)根據斷層破碎帶的深度不同,分別采用地表深孔預注漿加固后TBM掘進施工和淺埋破碎地層TBM合理控制掘進參數的施工方法,成功實現了不良地層下的TBM安全掘進。

2)根據施工區域深層斷層破碎帶的分布特征,采用地表超前預注漿加固的方法進行,注漿加固范圍確定為隧道輪廓線外3m,鉆孔采用地表垂直鉆孔與傾斜鉆孔相結合的方式,并對鉆孔結構及參數進行了設計。

3)設計注漿壓力、孔間距等參數,優化注漿材料、根據破碎帶的位置不同優化注漿工藝,并對注漿加固圈厚度、鉆孔注漿段間距等進行了設計。這些措施有助于提升注漿加固質量。

4)通過嚴格控制掘進參數、千斤頂行程、滾動角TBM姿態、出土量、刀具、碎石吹填及注漿等參數,有效提升TBM在淺層破碎帶中的掘進效率及安全性。