盾构隧道下穿深圳滨海大道沉降控制技术

陈学军,邹宝平,邝光霖,崔晓艳

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004;2.广东华隧建设股份有限公司,广州 510635)

盾构隧道下穿深圳滨海大道沉降控制技术

陈学军1,邹宝平1,邝光霖2,崔晓艳1

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004;2.广东华隧建设股份有限公司,广州 510635)

结合深圳地铁 2号线南山商业中心站—科技园站区间盾构隧道穿越滨海大道的施工实际经验,介绍盾构掘进施工要准确设定土仓平衡压力、控制掘进速度、合理控制注浆材料配合比、确定适合土层的泡沫剂、确定盾尾油脂用量及注入压力、制定全面的机械检修与保养工作,同时通过监控量测,信息化管理,找出盾构法施工引起地表沉降的主要原因,及时采取有效措施控制地表沉降,保证了深圳市滨海大道行车安全。

地铁;盾构隧道;沉降控制

1 概述

近年来,随着我国地下空间开发利用程度的不断扩展,盾构隧道施工技术日益成熟,然而,盾构隧道开挖过程中都不可避免地会对原有的地层和应力场产生扰动,从而引起地层的移动和地表沉降(或隆起),进而对地表建(构)筑物带来不良影响。尤其在软土层开挖,软土灵敏度高,稍经扰动就会丧失承载力,且要经过很长的时间才能稳定下来[1]。国内外学者对盾构隧道施工引起地表沉降的规律进行了大量研究,但关于软土地区盾构隧道下穿深圳市主要城市干道的工程经验还没有,对于隧道上部深圳市滨海大道车辆动荷载反复作用下的沉降规律是否与一般地面沉降类似,尚缺乏可靠的资料和认识。

盾构法施工引起周围地层变形的主要原因是,施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结[2]。加强对影响盾构隧道施工的主要因素进行定量分析,总结出地表变形或结构沉降与盾构开挖过程中各种因素之间的关系,在施工过程中减少对土工环境的损伤和破坏、确保施工安全等方面具有重要的现实意义[3]。以深圳地铁 2号线南山商业中心站—科技园站区间盾构隧道在里程 ZDK9+892.500～ZDK 10+45.000处下穿深圳市滨海大道为背景,通过施工阶段对大量现场实测数据的整理和分析,初步得出本工程施工引起深圳市滨海大道沉降规律的认识,为将来类似工程的设计、施工提供参考。

2 工程概况

深圳地铁 2号线南山商业中心站—科技园站区间为盾构区间,起讫里程为 YDK 9+629.740～YDK10 850.200,全长 1 220.46m。本工程采用 2台全新德国海瑞克公司制造的复合式土压平衡式盾构机 S470和S471由南山商业中心站向科技园站方向掘进,盾构开挖直径 6.28 m,盾构隧道在里程 ZDK9+892.500～ZDK10+45.000处下穿深圳市滨海大道。深圳市滨海大道是南山区连接福田区、罗湖区的主要快速干道和深圳市重要的海滨自然风景带,于 1999年建成通车。本工程盾构隧道左右线间距为 14.2m,隧道覆土厚度为 14.25～17.50 m,平面处于直线段,纵断面最大坡度为 22.66‰,该区间隧道是深圳地铁 2号线工程的施工重点和难点。盾构隧道与深圳市滨海大道位置关系如图1所示。

图1 盾构隧道与深圳市滨海大道平面位置关系

该区间原始地貌为滨海相潮间带(滩涂),后经软基处理,由填海而成。隧道穿越复杂地层条件,依次为 ：Qml层填石、填砂 ;Q4m层淤泥质黏土和砾砂(含淤泥);Q4al+pl层黏土和砾砂;Q3al+pl层黏土;Q2el层砾(砂)质黏土和砾 (砂)质黏土;γ53层全风化岩、强风化岩、中等风化岩和微风化岩等构成。赋存于黏性土和各砂层中的地下水类型为孔隙潜水,赋存于基岩风化层中的地下水类型为基岩裂隙水,但二者渗透性相近,因而两种类型的地下水一般不具承压性。区间范围地下水位埋深0.70～4.60m,水位高程 -1.40～2.81m,最大隧道涌水量为 7 576m3/d,属水量极丰富区,易造成局部流砂、涌水等现象。施工区域岩土物理力学参数如表1所示。

表1 土层的物理力学指标

3 地表沉降控制技术措施

造成深圳市滨海大道产生地表沉降的原因主要有施工引起的地层损失,包括开挖土体应力和地层原始应力的变化,盾构推进时的挤压作用以及盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不足,衬砌结构变形和管片的渗漏水。此外,盾构在推进过程中,由于挤压、超挖和盾尾的压浆作用,使土层受到扰动,在隧道周围产生正、负超孔隙水压力,从而使盾构隧道周围土体受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结,也是其产生地表沉降的原因[4～6],如果沉降差异过大,滨海大道就有可能遭到破坏,因此,要控制盾构施工引起滨海大道的地表沉降(或隆起),关键要使盾构掘进对正面及周围土体的扰动最小化,要准确设定土仓平衡压力、控制掘进速度、合理控制注浆材料配合比、确定适合土层的泡沫剂、确定盾尾油脂用量及注入压力、制定全面的机械检修与保养工作等,同时以监测数据指导盾构掘进参数的设置,进行信息化施工。

3.1 土仓平衡压力控制

盾构掘进土舱压力的设置,主要考虑地层土压、地下水压(孔隙水压)和预压 3部分,同时结合地表沉降监测反馈数据进行修正,从而科学合理地设置土压力值和适宜的推进速度等参数。该区间段隧道覆土厚度为 14.25～17.50m,根据计算和实测经验,土舱压力设置偏大时常导致开挖面前方地层发生破坏性隆起,且最终沉降量较大;偏小时刀盘前方地表沉降较大,对最终沉降控制也不利。因此,设计开挖面水土压力为1.8～1.9bar,盾构机推进时土舱压力控制在 1.9～2.0 bar(1 bar=100 kPa)。

3.2 盾构推进速度和姿态控制

盾构机的推进速度和姿态控制直接影响到土体沉降。盾构在穿越滨海大道时应适当放慢掘进速度,推进的速度与正面的土压力、千斤顶推力、土体性质等因素都有关系,应综合考虑。本工程的掘进速度控制在40～50mm/min,即一环(1.5m)掘进时间控制在 30～40min,并尽量保持盾构机匀速前进,以减少对土体的扰动。

此外,为了保持盾构姿态、方向、高程准确无误,在施工中盾构机姿态变化不宜过大或过频,并且严格控制中线平面位置偏差、盾构切口与盾尾平面以及高程偏差均不超过 ±50mm,并且达到 ±30mm时报警。同时要加强激光导向,并定期跟进中线控制桩,加密施工中线、高程的测量频率,并据以随时调整输入数据,保证激光导向的正确无误,使盾构的前进始终按预定目标进行,一旦出现盾构偏移轴线过大或地面变形偏大,应逐步纠正,并及时调整推进速度。

3.3 合理控制注浆材料配合比

盾构施工引起的地层损失和盾构隧洞周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透,是引起地表沉降的重要原因。为了减少和防止沉降,在盾构掘进过程中,要尽快在盾尾脱离出的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙。同时浆液质量要达到易于压送、不离析、不沉淀不堵管。本工程采用单液水泥砂浆填充管片外环形间隙,同时结合本区间实际地质情况并经多次试验确定浆液的初凝时间为 6～8h,1d龄期强度达到0.3～0.MPa。每 m3浆液配比及性能指标如表2、表3所示。

表2 每 m 3材料含量配比

表3 同步注浆浆液性能指标

3.4 确定适合土层的泡沫剂

泡沫剂的使用能保证盾构在掘进时能调整土仓内渣土的和易性,降低刀盘的扭矩和刀盘的工作温度,保证渣土均匀从螺旋输送机送出,保持土仓压力的均匀本工程在盾构施工过程中,推荐使用的泡沫品牌有康达克和艾尔科,试验艾尔科有更容易消除泥饼、软化黏土的作用。同时,在盾构施工过程中,要加强对泡沫管的保护,发现堵塞时及时疏通和改造泡沫系统,并注意泡沫使用的浓度和用量,确定发泡倍数和稀释度。

3.5 确定盾尾油脂用量及注入压力

根据以往施工经验,通过加大盾尾油脂压注量能防止注浆液通过盾尾流失。经现场施工及监测信息反馈,当盾尾油脂压力设计为 1.2 bar时,能较好地充填饱满盾尾空腔,防止盾尾漏浆,确保盾尾间隙均匀。

3.6 盾构机的维修保养

在滨海大道底不允许停机开仓,因此为了保证盾构掘进以较好状态进入滨海大道底,在盾构机过滨海大道前,盾构机应停止掘进,提前对盾构机进行全面的检修与保养工作,确保盾构机以良好的状态顺利穿过滨海大道。另外,对盾尾密封加强检查,控制好盾尾间隙,保证盾尾油脂注入的数量和质量,保护好盾尾刷,保证盾尾密封良好。同时对地面配套设施,如龙门吊、砂浆站等进行全面检修保养,确保过滨海大道施工过程中所需的材料、机械配件等的充分供给。

4 施工监测及效果评价

在盾构穿越深圳滨海大道时,在滨海大道上布置监测点,点位沉降观测选 4个断面,分别为 ZDK9 925、ZDK9+950、ZDK 9+980、ZDK10+005断面 ,每个断面选 4个观测点进行监测,监测点布置如图2所示ZDK9+925、ZDK9+950、ZDK9+980、ZDK10+005断面观测点沉降趋势如图3～图6所示。

图2 隧道地表沉降测点布置(单位：m)

从以上监测数据可以看出,盾构在下穿深圳滨海大道时,ZDK 9+925、ZDK9+950、ZDK9+980、ZDK10+005四个断面中,ZDK9+925断面沉降累计最大值发生在中轴纵线,为 28.1mm,累计最小值是 ZDK9 925-1横断面,为 13.7mm;ZDK9+950断面沉降累计最大值发生在中轴纵线,为 27.8mm,累计最小值是ZDK9+950-4横断面,为 12.4mm;ZDK9+980断面沉降累计最大值发生在中轴纵线,为 13.6mm,累计最小值是 ZDK9+980-1横断面,为 5.7mm;ZDK10 005断面沉降累计最大值发生在中轴纵线,为 10.mm,累计最小值是 ZDK10+005-4横断面,为 4.mm。因此,中轴线纵线沉降量最大的是 ZDK9+925,为 28.1mm,中轴线纵线沉降量最小的是 ZDK10 005,为 4.4mm,且距盾构隧道中线最远的点沉降量累计最小,但所有点位沉降量累计值都在 30mm以内,也就是说盾构下穿滨海大道地表沉降均控制在 ±3 mm以内,小于规范允许的 ±30mm,符合规范要求,因而确保了滨海大道的行车安全。盾构隧道纵断面地表累计量如图7所示。

图7 左线盾构隧道纵断面地表累计沉降

5 结语

在盾构隧道施工过程中,产生沉降的原因主要是由于盾构顶推过程中原状土层受到较大程度的扰动,且当盾构离开后发生了超孔隙水压消散的主固结沉降以及土体骨架蠕变所引起的次固结沉降[7],此外深圳市滨海大道车辆动荷载长期作用也使道路逐步产生永久累积变形。因此,本工程在采用了以上提到的各项施工技术和监测措施,使左右线隧道分别于 2008年7月 1 4日 ～ 12月 18日和 2 00 9年 2月 1日 ～ 4月30日在不影响深圳滨海大道正常运行情况下,成功实施了穿越,且各项指标均在理想的控制范围内,符合有关规范要求,这对今后类似工程设计和施工具有重要的指导意义。

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U 455.43

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1004-2954(2010)03-0092-03

2009-11-09;

2009-11-19

广西自然科学基金重点资助项目(桂科自 0832252);广西重点实验室基金资助项目(桂科能 07109005-2);广西研究生教育创新计划资助项目(2008105960814M 08)。

陈学军(1961—),男,教授,2001年毕业于中国地质大学。