砂卵石层中盾构施工技术分析

2011-02-28邓武,冯钢

湖南交通科技 2011年2期

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。