砂卵石层中盾构施工技术分析

邓 武,冯 钢

(长沙市轨道交通集团有限公司,湖南长沙 410007)

0 前言

随着经济发展,城市化进程不断加快,我国城市交通拥堵现象日益严重,已经影响了人们的正常生活,因此越来越多的城市开始修建地铁来提高城市路网效率,改善交通状况。盾构工法因其地质适应性强、施工速度快、对周围环境影响少等优点已成为地铁隧道施工工法的首选[1]。但因各地的地质情况不同,特别是在一些非常复杂的地质条件下,如长沙地区广泛分布的砂卵石地层等,给盾构施工带来了很大的风险和困难。

长沙轨道交通2号线一期工程13标的长沙大道站～体育新城站盾构区间盾构机穿越砂卵石层时地表塌陷,经及时处理后,保证了盾构的顺利通过。

1 工程概况

长沙市轨道交通2号线一期工程13标,位于湖南省长沙市雨花区。本标段包括两个盾构长间隧道,其中体育公园～长沙大道站区间长约887m,长沙大道站～人民东路站长约1 828m。区间工程位置示意图如图1所示。

长沙大道～体育公园区间隧道在ZDK16+220～ZDK16+720(500m)地表为棚户区民房,其中ZDK16+420～ZDK16+730(310m)段盾构隧道穿越卵石地层,此段隧道埋深6.0～7.8m,地层自上而下为杂填土、＜2-1＞粉质粘土、＜2-4＞卵石、＜5-1＞强风化泥质粉砂岩、＜5-2＞中风化泥质粉砂岩地层(如图2所示)。

棚户区段地势低洼,较周边地势低5m左右,为地表水的汇集段,且无排水系统,地下水丰富,主要为地表渗入补给,在砂卵石地层透水性强,地下水位为地表下约0.5m。据了解此洼地以前为菜地及鱼塘,后由村民就地修建无基础、干砌空心砖一层简易结构,其结构整体性差,且房屋大部分已有裂缝。

隧道穿越地层主要为＜2-4＞卵石、＜5-1＞强风化泥质粉砂岩地层。卵石地层厚度2～8 m,该地层多为中密状,卵石含量约55%～60%,石英质,亚圆形,磨圆度较好,最大粒径达10 cm,一般粒径20～40mm,砂质充填。卵石地层侵入隧道最大约4m,隧道断面下部为泥质粉砂岩,岩石强度约4～9MPa。砂卵石地层空隙率高,连通性好,和地表水联系密切,富水性强。盾构掘进时对土体进行扰动,容易引起土层失水、土体变形,极易造成地表下沉。

2 地表塌陷原因分析

根据盾构隧道右线前80环(共120m)掘进的施工参数,盾构施工掘进时土仓压力为0.8×105Pa左右,停机时保压为1×105Pa左右;同步注浆及时压注,注入量平均为6.5m3/环,砂浆经过配比调试,达到稠度高、凝固速度快的效果,盾尾后地面沉降量在20 mm以内(多在10 mm左右),均在规范允许范围(-10～+30)内[2]。

当右线盾构掘进至80环时,地表出现坍陷,其宽约3m,深约1 m,体积约6m3的坑。坍陷位置位于隧道81环处,坑内主要为砂及泡沫混合体。该处隧道洞体上半部为砂卵石层,下半部为泥质粉砂岩,砂卵石层延伸至洞顶以上2 m,其上部为粘土及杂填土,隧道埋深约6.5m。

综合地质条件、施工情况和坍陷现象分析,此次事故的可能原因[3]有:

1)砂卵石层位于隧道顶部,地质松散,孔隙率大,含水量高。在盾构掘进时对土体进行扰动,引起土层失水,土体变形,造成地表沉降过大。

2)坍塌部位有一锈蚀的铸铁排水管道,其流水外泄对周边土体长期冲刷,形成空洞,当盾构掘进过程中对其扰动,使土体失稳,造成地表坍塌。

3)盾构施工时有糊刀现象,刀盘扭矩大,推力大,速度慢。采用加泡沫对渣土改良,其效果不理想。同时土仓保压不稳定,其值约为0.4×105～0.6×105Pa之间,造成该环出土量比前期多0.3车。

3 处理措施

3.1 恢复掘进方案

根据盾构恢复掘进2环的情况,刀盘扭矩大,掘进速度无法提高,碴土改良难以实现,碴土粘性高等情况分析,盾构刀具及刀盘面板上已有糊刀的现象,要对刀盘及刀具上的糊土进行处理。

基于此种状况,其实施措施为:先对刀盘前方土体进行加固,加固范围为刀盘前长6 m,宽至隧道边线外2m,加固深度至强风化泥质粉砂岩2m,加固采用地表袖阀管注双液浆的方式,注浆孔间距为1m,注浆时按先外后内包围的注浆顺序,自下而上按一定的设计注浆分段长度进行注浆;另外在刀盘前后施工降水井,对刀盘位置进行降水,防止在开仓过程中发生流砂的现象,降水井采用地表管井降水,共设4孔(刀盘前后5m,左右为隧道边线外2m),降水井深度为深入强风化泥质粉砂岩地层3m,孔径50 cm,下放3.5 kW水泵抽水(如图3所示)。

在地表措施完成后,根据土仓内压力等参数分析,确定刀盘前方稳定后,进行开仓,人工对刀具及刀盘的糊土进行处理,处理完后关闭仓门,恢复掘进。

图3 地表处理措施图(单位:mm)

3.2 盾构穿越砂卵石层的施工方案

通过对前70环掘进情况分析,各项施工参数较为合理,地表沉降总体控制在10mm左右,最大沉降值为14mm,均在规范要求(+10～-30mm)之内。具体采取措施如下:

1)根据地表埋深及水位高度和前段施工经验,理论土仓上部压力设定在0.6×105～0.8×105Pa[4],停机保压在0.9×105～1.0×105Pa。

2)出土量采用分段控制,按每掘进18 cm以一控制段,约半斗碴,掘进36 cm为一斗碴,由主司机、值班工程师及调车员共同确认,出碴前先确定碴斗内的碴是否倒完,如发现有多出土现象立即停机再提高土压。

3)碴土改良以泡沫为主,同时针对砂卵石地层加入高分子聚合物防止糊刀及喷涌现象发全,对泡沫加入量不进行限制,以碴土改良均匀为目的,高分子聚合物每环加入量在2 kg左右。

4)为碴土在土仓内充分搅拌,达到更好的碴土改良,同时使同步注浆能及时饱满地充填盾尾空隙,掘进速度控制在5 cm/min左右,并做好设备保障,使盾构实现连续均衡掘进。

5)盾尾后同步注浆目前的配合比能满足要求,水泥掺入量在220 kg/m3,在满足盾构压注的情况下提高稠度。考虑砂卵石地层浆液流散多,浆液填充按理论空隙的1.8倍考虑,注入量按7～7.5m3/环控制,同时根据注浆压力在1.2×105Pa左右,压注结束标准采用注入量与压力两项标准同时控制,当两项标准均达到后方可结束。压注过程中根据掘进速度及时注入饱满。

6)在盾尾后3～6环管片上,进行二次注浆。通过特殊环管片预留注浆孔,打入钢花管对管片背后地层进行双液浆注入作业,着重对顶部150°位置进行注浆。根据地质情况,棚户区段内隧道上部3m内有砂卵石地层段,如隧道上部砂卵石地层厚度大于3 m,加固厚度则按3.5 m进行。地层加固注浆形式如图4所示。

图4 隧道洞内注浆加固示意图

7)因砂卵石地层变形迅速,前奏时间短,采取增大监测频率及至跟踪监测,监测人员采取两班倒的形式,并将监测数据及时分析反映至洞内,指导盾构施工。

8)本段民用水井较多,影响到隧道的水井约39孔,其中有10孔在隧道内。水井管质有混凝土管及钢管,水井深度在5～9m,因隧道上部为卵砾石层,透水性强,影响到盾构掘进时的土压保持工作。部分水井侵入洞体,盾构带压掘进过程中压力可能通过这些管道释放,导致泡沫泥浆等喷、涌出地面,造成压力释放,影响开挖面稳定。盾构到达前对影响盾构施工的水井做提前做回填处理。

9)根据地质剖面图和房屋布置分析,隧道在270环后,砂层在隧道顶部上1m,基本对隧道无影响,则右线加固范围为80～270环,左线50～270环,共615m,在有条件的地方采用袖阀管注浆加固,注浆孔间距按1m布置,深度为5 m,注浆压力为0.8～1.0MPa,使地面下5m形成一硬壳层,在盾构掘进时盾构顶部有地层损失而不致于地表下沉。

4 结论

在盾构穿越砂卵石层时,存在较大的风险和困难,但可以通过调整土仓压力、出土量、掘进速度、盾尾注浆、二次注浆等施工参数及地层加固和加强监测等措施来有效地控制地表沉降。

[1]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2]夏才初,李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版社,1999.

[3]李希元,闫静雅,孙艳萍.盾构隧道施工工程事故的原因与对策[J].地下空间与工程学报,2005,1(6):698-671.

[4]王明年,魏龙海,路军富,等.成都地铁卵石层中盾构施工开挖面稳定性研究[J].岩土力学,2011,32(1):99-105.