浅埋砂层中土压平衡盾构机土仓压力和同步注浆量与地表沉降的关系浅析

2010-08-03周智

铁道标准设计 2010年1期

周智

(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司,武汉 430074)

1 工程概况

1.1 工程位置

广州市轨道交通 6号线盾构 2标区间线路自大坦沙站南端始,下穿广茂铁路,在双桥公园内设盾构始发井,沿坦尾中路,下穿珠江、火车南站站场股道(南站已停运),到达如意坊站,再从如意坊站东端出发,沿火车南站站场股道,在广州市一中人行天桥附近拐入黄沙大道,到达六二三路与大同路交叉段的黄沙站,然后过黄沙站到达东端的盾构吊出井。盾构隧道为双线圆形断面,右线长2433.652m,左线长2699.297m。砂层段位于大坦沙岛上,长约 150m,紧邻珠江。

1.2 地质及水文条件

该砂层段隧道上覆第四系为人工填土层、淤泥层、淤泥质土层、淤泥质粉细砂层(Q4mc)、粉质黏土、粉土层、冲积 -洪积粉细砂层(Q3alpl)、冲积 -洪积中、粗、砾砂层(Q3alpl),隧道底部为冲积 -洪积中、粗、砾砂层(Q3alpl)、冲积 -洪积土层、可塑或稍密～中密残积土层、硬塑或密实状残积土层、白垩系、石炭系棕红色、红褐色岩石,风化程度不均一,软硬夹层较多。盾构机要穿越的砂层地段主要位于区间的始发地段,占区间总长的 6%。砂层段线路为 30‰的下坡。

隧道洞身的冲积 -洪积中、粗、砾砂层(Q3alpl)渗透系数为 1×10-4m/s。地下水按贮存方式分为第四系孔隙水、基岩风化裂隙水。在天然状态下,基岩风化裂隙含水层主要接受第四系含水层的渗入补给、越流补给为主。由于残积土、全风化的相对隔水作用,本含水层大多具有一定的承压性,其承压水头一般与第四系含水层相近。在地铁施工中这类含水层的主要威胁来源于侧向动力补给。

1.3 地表建筑情况

该项目区间隧道位于老城区,地表建筑物较多,在砂层段地表建(构)筑物主要是:桥中南路、内环路广佛放射线立交桥、大坦沙污水处理厂。该段道路交通极为繁忙,且隧道在此埋深仅 6.5～10.9m。设计要求地表沉降应控制在 -30/+10mm。

1.4 盾构机设备情况

该项目采用 2台德国海瑞克公司生产的复合式土压平衡盾构机掘进施工。在采购设备时考虑到该项目隧道需穿越长达 150余 m的全断面砂层并且临近珠江,地下水极其丰富,为防止发生喷涌造成地表沉陷,将螺旋输送机改为两级螺旋输送机,使螺旋输送机底部能承受的水土压力大大增强。

2 掘进施工参数制定原则

掘进参数主要包括:盾构机推力、刀盘转速、土仓压力、泡沫剂浓度及掺入量、发泡率、注浆量等等。

2.1 盾构机推力

盾构机推进过程主要靠推进千斤顶克服盾壳与围岩之间、盾壳与管片之间的摩擦力,并使刀刃在掌子面岩层上产生足够的压力破碎、切削前方岩土。

该项目中沙层段盾构机推力为8000～1100kN。

2.2 刀盘转速

刀盘转速根据掌子面地质情况设定,一般在软岩、软土地层采用 0.8～1.5r/min的较低转速,刀盘贯入度控制在 6～8mm;硬岩地层采用 1.5～2.2r/min的较高转速,刀盘贯入度控制在不大于 4mm。该项目砂层段按照软土地层参数 0.8～1.5r/min设定。

2.3 土仓压力

土仓压力值是否合适、同步注浆量是否饱满是地表沉降量的控制因素。土仓压力设定前必须对刀盘位置地层水土压力进行理论计算。目前水土压力计算理论一般根据地层的排水固结方式分为水土分算和水土合算两种。该项目砂层段由于砂层良好的渗透性采用水土分算理论进行计算。

经计算,该项目砂层段的主动土压力理论值为102～157kPa,被动土压力理论值为 307～484kPa,实际设定时为避免土压太大难以推进,取主动土压力理论值再增加 20kPa左右作为土仓压力设定值。

2.4 泡沫剂浓度、掺入量、发泡率

该项目采用泡沫剂对砂层砟土进行改良,以降低该段砟土的渗透性,增强其流动性。泡沫剂的浓度、掺入量、发泡率根据试验进行初值设定,并在实际施工中调整,以使改良效果达到最优。

该项目泡沫剂使用初值设定为:浓度 3%～5%,每环掺入量 10%～20%(体积比),发泡倍率 12。

2.5 注浆量

注浆分为同步注浆和二次注浆。同步注浆在盾构推进施工的同时由盾尾注浆管注入,同步注浆是否饱满对控制盾尾地表沉降至关重要。同步注浆以注浆压力和注浆量双指标控制,一般注浆压力要达到略大于注浆管口的水土压力值 20kPa,注浆量则至少达到理论计算空隙的 1.2倍方可认为同步注浆饱满。

注浆量理论计算值 L1

式中 Aw——隧道开挖断面积;

Ag——管片外皮断面积;一般设定值 L=(1.5～2.0)L1。该项目砂层段注浆量设定值 6～8m3,注浆压力180～200kPa。

3 地表监测

3.1 监测点布设

该项目砂层段先在内环路广佛放射线立交桥下穿过,再横穿坦尾路进入桥中南路,随后沿桥中南路向如意坊站推进。在始发后 25～40m距隧道顶部 1.5m有1条φ1800mm承压污水管。该段隧道覆土较浅,最浅覆土仅有 6.5m,而地表是对沉降较敏感的管道、桥梁及交通繁忙的交通干道,地表和建筑物沉降变形监测对指导施工确保安全是至关重要的。该项目采取打穿公路混凝土及水泥稳定层后埋设 1根 2m长钢筋的方法来监测盾构施工期间地层的沉降变形情况,线路纵向及横断面上监测点间距均为 5m,横断面监测宽度为线路中心两侧各 20m,桥墩两相邻侧壁钻孔安装膨胀螺钉作为监测点。

3.2 监测频率

监测频率按照 2次/d进行,主要监测范围为盾构机前后各 30m。根据设计要求监测地表沉降报警值-24、+8mm,控制值 -30、+10mm。采用莱卡精密水准仪 +测微器和铟瓦钢尺测量,精度为 0.3 mm/km。

3.3 实际监测结果

根据监测方案对盾构机前后各 30m的范围内的地表、建筑物沉降变形进行了监测。监测结果见图1。

图1 地表沉降监测数据

4 土仓压力、同步注浆量与地表沉降关系分析

土压平衡盾构机的工作原理是在土仓内堆积刀盘切削下的砟土,使其压力与刀盘前方土层水土压力保持平衡,从而控制地表的沉降。由此可以看出土仓压力对地表沉降控制的重要性。而盾构机开挖出的隧道直径比管片外径大 28cm左右,这个空隙主要是靠盾尾同步注浆充填的,因此同步注浆是否饱满也直接关系到盾构施工的工后沉降大小。

根据该项目在砂层段施工期间的实测数据,绘制了地表沉降与土仓压力及同步注浆关系图,见图2。