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成都地鐵砂卵石地層盾構(gòu)施工風險分析及對策

鐘  山   劉世杰   段紹和

(中鐵二局股份有限公司  四川成都  610032)

    隨著城市化進程的加快和城市交通量急劇增長，發(fā)展城市地鐵已成為必然的選擇。因其自身的優(yōu)勢，盾構(gòu)法施工在城市地鐵隧道建設(shè)中正扮演越來越重要的角色。

    我國上海、廣州、北京等城市已經(jīng)采用盾構(gòu)法成功實施了不少工程。成都的地質(zhì)情況與上述城市截然不同，成都地鐵施工具有獨特的“三高”特點，即地層具有高富水及砂卵石  含量高、卵石和漂石強度高的特點。這種不良地質(zhì)條件增大了盾構(gòu)施工難度。因此，加強盾構(gòu)施工技術(shù)風險分析并找出相應的對策是極其必要的。

    本文以成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道為例，對施工中存在的風險進行辨識，并提出相應的控制措施，以確保盾構(gòu)在富水砂卵石地質(zhì)條件下的順利掘進。

1.工程概況

     成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道最大埋深13.5m，最小坡度2‰，最大坡度6．99‰，左右線間距13～13.5m，最小曲線半徑400m。

     隧道穿越的地層主要為卵石土層，含夾薄層粉細砂透鏡體，20～200mm卵石含量約占55.0％，75.4％，粒徑一般以30～70 mm為主，部分粒徑80～120 mm；填充物以細砂、中砂為主，夾少量黏性土及礫石，含量約為10．0％～25．0％：漂石含量一般為5％～l0％，隨機分布，地勘揭露漂石最大粒徑為340 mm。卵石單軸極限抗壓強度為90.9～91.7 MPa，漂石單軸極限抗壓強度為88.6～95.3MPa。

    地下水系為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型。孔隙潛水主要埋藏于砂卵石土層中，滲透系數(shù)K=20.0 m/d．為強透水層。地下水位埋藏較淺，豐水期地下水位正常埋深約為3m，成都充沛的降雨量是地下水的重要補給源之一。基巖裂隙水主要賦存于泥巖強風化裂隙帶中，透水性較差。

    隧道下穿南河與濱江路下穿隧道，并近距離水平穿越錦江大橋與開行大廈(26層)。

    地層“三高”特點及沿線建(構(gòu))筑物，對隧道掘進主要有以下幾個方面的影響。

    (1)隧道圍巖均為卵石土夾透鏡體砂層，自穩(wěn)能力差，透水性強，地下水位較高，水量十分豐富。區(qū)間隧道盾構(gòu)施工，開挖面容易產(chǎn)生涌水、涌砂，造成細顆粒物質(zhì)大量流失，引起開挖面失穩(wěn)、地面沉降甚至塌陷。

    (2)隧道頂部覆土為人工填筑土、粉質(zhì)黏性土、卵石土夾透鏡體砂層，均為松散土體，自穩(wěn)能力差，盾構(gòu)掘進可能引起地面沉降或塌陷。

    (3)隧道圍巖分布有高強度、大粒徑的卵石、漂石，容易造成超挖和排碴困難，還造成對盾構(gòu)設(shè)備磨損嚴重。這些都對盾構(gòu)順利施工有較大影響。

    (4)盾構(gòu)掘進需要先后穿越南河、濱江路下穿隧道，近距離通過開行大廈和錦江大橋。盾構(gòu)掘進，對周圍土體產(chǎn)生擾動，可能造成周圍建(構(gòu))筑物變形和破壞。

    (5)通過南河時，地下水位較高，砂卵石地層滲透性強，開挖面易涌水、涌砂，容易發(fā)生噴涌，引起河床的沉陷，甚至發(fā)生冒頂事故。

2.盾構(gòu)施工風險分析及對策

    根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗及成都地質(zhì)調(diào)查分析，筆者對該地段盾構(gòu)施工存在的風險源進行辨識、分析并提出了相應解決對策。

    2.1盾構(gòu)進出洞地表坍陷風險

    2.1.1風險辨識

    盾構(gòu)進出洞時，洞門外側(cè)地面坍陷。

    2.1.2風險分析

    由于成都地鐵盾構(gòu)工作井洞門圍護結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋樁，盾構(gòu)能直接破除洞門，因而未對端頭地基進行特殊加固處理。這樣，盾構(gòu)進出洞時，可能會由于洞門密封失效引起洞門漏水、噴砂，大量土體從洞口流人端頭井內(nèi)；或由于車站施工長期降水導致端頭地層中砂土流失，地層受盾構(gòu)掘進擾動而坍陷。

    2.1.3風險控制措施

    加強降水井的降水、排水措施；提高洞門密封性能。同時對端頭地層預留加固注漿孑L，當?shù)貙映两底冃屋^大時，及時對端頭補充注漿加固。

    2.2盾構(gòu)掘進軸線偏差風險

    2.2.1風險辨識

    盾構(gòu)掘進過程中，盾構(gòu)推進軸線過量偏移導致隧道設(shè)計軸線發(fā)生偏差。

    2.2.2風險分析

    造成軸線偏差的主要原因包括盾構(gòu)超挖或欠挖，糾偏不及時、測量誤差與同步注漿量不夠。

    2.2.3風險控制措施

    正確設(shè)定平衡土壓力，使盾構(gòu)的出土量與理論值接近，減少超挖與欠挖現(xiàn)象，控制好盾構(gòu)姿態(tài)；盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生偏差時及時糾偏，使盾構(gòu)正確地沿著隧道設(shè)計軸線前進；盾構(gòu)掘進過程中經(jīng)常校正、復測及復核測量基站；施工按質(zhì)保量做好注漿工作，保證漿液質(zhì)量和注漿量。

    2.3掘進中地表塌陷風險

    2.3.1風險辨識

    在盾構(gòu)掘進過程中，地表發(fā)生塌陷。

    2.3.2風險分析

    隧道頂部覆土為人工填筑土、粉質(zhì)黏性土、粉細砂，其自穩(wěn)能力差。若盾構(gòu)掘進時平衡土壓力過小，可能引起地面塌陷；受砂卵石土層和較大滲透率的影響，土倉內(nèi)不易形成不透水流塑性狀態(tài)的碴土而不能建立土壓平衡機理，或土倉壓力不穩(wěn)定而造成地表塌陷；隧道開挖范圍為卵石土夾透鏡體砂層，透水性強，地下水位較高，水量豐富，開挖面容易產(chǎn)生涌水、涌砂，造成細顆粒物質(zhì)大量流失，引起開挖面失穩(wěn)和地面塌陷；掘進過程中，實際出土量遠大于理論出土量，地層損失過大；盾構(gòu)掘進過程中，如果同步注漿不及時，也會引起地面塌陷。

    2.3.3風險控制措施

    根據(jù)地質(zhì)情況、隧道埋深等參數(shù)，設(shè)定合理的土倉平衡土壓力，并防止過大波動；配置強大的碴土改良系統(tǒng)，選取優(yōu)質(zhì)膨潤土和泡沫劑作外加劑，提高土倉中砂卵石土的流塑性和止水性，防止涌水、涌砂現(xiàn)象發(fā)生，保證開挖面穩(wěn)定，建立土壓平衡，從而避免地表沉陷；嚴格控制出土量，防止超挖。控制盾構(gòu)姿態(tài)，防止超量糾偏、蛇形擺動；及時進行同步注漿，確保合理的注漿壓力和注漿量。地表沉降過大時，進行二次注漿；加強施工監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測資料反饋，優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)。

    2.4盾構(gòu)穿越南河風險

    2.4.1風險辨識

    穿越南河時，發(fā)生盾構(gòu)機內(nèi)涌水、涌砂，河床沉陷甚至冒頂。

    2.4.2風險分析

    盾構(gòu)在南河下方主要穿過的土層為卵石土層，局部全風化泥巖層，隧道拱頂距河床最小距離7 m。當盾構(gòu)通過該地段時，土層受到擾動過大，或開挖面平衡土壓力控制不當，易造成盾構(gòu)機內(nèi)涌水、涌砂，河床塌陷甚至盾構(gòu)機冒頂。

    南河采用人工河堤，河堤基礎(chǔ)和墻身均為漿砌片石。盾構(gòu)穿越引起擾動基礎(chǔ)，引起河堤變形、破壞。

    2.4.3風險控制措施

    穿越前對盾構(gòu)機進行全面檢查與保養(yǎng)，確保盾構(gòu)以良好狀態(tài)通過南河；穿越前實測南河水深度，隨時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖；選取優(yōu)質(zhì)膨潤土和泡沫劑作外加劑，改善碴土的流塑性，盾構(gòu)機配置雙螺旋輸送機、雙閘門，形成雙保險，防止噴涌而造成土體失穩(wěn)和河床沉陷；盾尾鋼絲刷內(nèi)充滿優(yōu)質(zhì)油脂，確保盾尾無漏漿現(xiàn)象；加強姿態(tài)控制；派專人觀察河面變化情況，若發(fā)現(xiàn)水面冒出氣泡或出現(xiàn)渾水時立即暫停掘進，關(guān)閉螺旋輸送機；盾構(gòu)穿越河堤時，覆土層厚度發(fā)生突變，要及時調(diào)整平衡土壓力，減少對河堤基礎(chǔ)的擾動，保護南河河堤；加強施工監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測資料反饋，優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)。

    2.5盾構(gòu)側(cè)通過錦江大橋風險

    2.5.1風險辨識

    盾構(gòu)近距離側(cè)通過導致錦江大橋破壞風險。

    2.5.2風險分析

    錦江大橋為跨度17.15m的三跨連續(xù)拱橋，橋長51.45m，橋面寬50m，始建于l958年，后經(jīng)多次擴建。大橋為臺階形擴大基礎(chǔ)，厚3m，基礎(chǔ)最下層為Cl0級砼基礎(chǔ)，其余二臺為M5級水泥砂漿砌條石基礎(chǔ)，橋墩為M5級水泥砂漿砌城磚，拱部為Cl0級水泥砂漿砌城磚拱。

    左線盾構(gòu)隧道距錦江大橋基礎(chǔ)最小水平距離僅2m、最小豎向距離僅5.2 m(見圖l)，錦江大橋的基礎(chǔ)及拱式結(jié)構(gòu)，對環(huán)境變形敏感。而盾構(gòu)隧道通過時，容易造成地基土體擾動，從而導致大橋基礎(chǔ)變形、位移，大橋結(jié)構(gòu)開裂、破壞。

    2.5.3風險控制措施

    通過錦江大橋時，嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)，嚴禁超量糾偏、蛇形擺動；對掘進參數(shù)及時進行調(diào)整，刀盤轉(zhuǎn)速l.1cm/min，土壓力值逐漸減小，推進速度3-4cm/min；嚴格控制出土壓力值和出土量，以免造成盾構(gòu)前方土體發(fā)生坍塌；加強碴土改良的控制，選取優(yōu)質(zhì)膨潤土和泡沫劑作外加劑，改善碴土的流塑性，防止突涌而造成水土流失、土體失穩(wěn)及河床沉降；優(yōu)化同步注漿配合比，加大同步注漿壓力，保證同步注漿量，使注入的漿液能及時有效地填充管片與圍巖之間的空隙；采用高壓旋噴樁對左線盾構(gòu)隧道與橋基之間土體進行隔離加  固，旋噴樁有效直徑Φ500mm，樁間距lm。

    加強河床、錦江大橋基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)監(jiān)測，一旦變形過大，及時進行隧道二次注漿，或?qū)Υ髽虻鼗�進行補充注漿加固。

    2.6卵石、漂石風險

    2.6.1風險辨識

    盾構(gòu)刀具、刀盤與螺旋輸送機磨損嚴重，失去掘進與出  碴能力。盾構(gòu)無法排除較大粒徑卵石、漂石。

    2.6.2風險分析

    大粒徑卵石與漂石具有含量高、強度高的特點，對盾構(gòu)的刀盤、刀具與螺旋輸送機磨損嚴重，影響正常掘進效率，甚至失去掘進與出碴能力。盾構(gòu)所通過的地層漂石含量約為5％～l0％，局部富集層高達20％～30％；揭露漂石最大粒徑為340mm，而且漂石單軸極限抗壓強度高達98.4 MPa。漂石粒徑大，難以通過刀盤開口和螺旋輸送機，甚至造成盾構(gòu)無法繼續(xù)掘進。

    2.6.3風險控制措施

    在刀盤和螺旋輸送機表面加焊耐磨鋼板和耐磨條，增加刀盤的耐磨性能；對碴土進行改良，減少碴土對盾構(gòu)刀盤、刀具及輸送機的磨損；定期檢查，發(fā)現(xiàn)刀具、刀盤磨損及時更換或維修。優(yōu)化刀具布局，選擇合適的刀具組合形式，從而加強盾構(gòu)破除高強度卵石與漂石的能力：利用刀盤上的單刃、雙刃滾刀將大粒徑的卵石、漂石破成碎塊；增大刀盤與螺旋輸送機的開口尺寸，使盾構(gòu)機能直接排出直徑小于280 mill的卵石、漂石。對于盾構(gòu)機不能破損的大直徑漂石，采用進入土倉利用巖石分裂機進行巖石分裂破碎處理。

    2.7更換刀具風險

    2.7.1風險辨識

    人員進入土倉檢查、更換刀具時，掌子面失穩(wěn)導致人員的傷害或地表坍陷。

    2.7.2風險分析

    在檢查、更換刀具時，必須清空出土倉內(nèi)的部分碴土以提供工作空間，原有的土壓平衡被打破，由于卵石土層自穩(wěn)能力差，掌子面土體容易坍塌，導致作業(yè)人員傷害，或引起地面坍陷。

    2.7.3風險控制措施

    減少掘進對刀具的磨損，提高刀具耐磨性能，從而降低進倉更換刀具的頻率；改進盾構(gòu)設(shè)備，增加刀盤開口擋板，阻止塌落下的土方人員對作業(yè)人員造成的傷害；采用氣壓換刀，提高掌子面穩(wěn)定性能；加強工人培訓，完善開倉管理制度，制定詳盡的應急預案。

3.結(jié)束語

    由于成都地質(zhì)具有“高富水、砂卵石含量高、卵石和漂石強度高”的特點，使得盾構(gòu)施工存在較大的安全風險。

    在施工前，對掘進過程中潛在的安全風險進行全面、充分的分析，并采取安全可靠的控制措施，制定合理的施工方案，是可以杜絕施工安全事故的發(fā)生的，真正做到防患于未然。截至目前為止，該區(qū)間盾構(gòu)隧道已順利掘進了共1100 m，未發(fā)生任何施工安全事故。

參考文獻：

[1]周文波．盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應用[M]．北京：中國建筑工程出版社，2004．

[2]竺維彬，鞠世健．復合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M]．北京：中國科學技術(shù)出版社．2006．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)