地铁区间隧道盾构掘进中地层损失控制技术研究

肖昌军

中铁广州工程局城轨工程有限公司 广东 广州 510000

本文结合南宁轨道交通3号线一期工程五平区间工程实例,针对本区间工程的地质水文特征、盾构掘进模式、覆土厚度、周边环境等情况,盾构掘进过程中灵活多变的改变掘进参数,设置合适的土压力,严控出渣量,符合地层应力稳定的管片壁后注浆方式和注浆数量,有效的控制了地表沉降,监测数据均小于预警控制指标。通过近距离穿越立交桥、高压电塔、下穿综合管廊、下穿既有铁路桥、下穿交通繁忙市政一级道路等,有效的保护了沿线地上和地下的建构筑物设施。

1 工程概况

五象湖站～平良立交站为两条单洞单线圆形盾构隧道,线间距12～17m,曲线最小半径为450m;区间左线长1173m,右线长1115m,区间设置一处联络通道兼区间泵房;区间线路纵断面先以2‰出站,之后以5‰下坡,再以22.98‰上坡,最后以2‰的上坡到达平良立交站。整个区间隧道的覆土厚度为7.32～19.24米。

根据区间工程地质情况,采用中铁装备复合式土压平衡盾构机施工,并配置六辐条刀盘。在硬岩段施工时,采用全断面滚刀破岩模式;当掘进在软岩或软土地段时,采用滚刀与刮刀相配合的破岩模式。同时配备了同步及二次注浆系统、外加剂注入系统、空气压缩系统、自动导向系统等,适应地层广,满足不同地层的掘进要求,适用于含硬岩、软岩、复合地层的隧道掘进。

2 地质概况

本段地貌上属于溶蚀残丘谷地区(Ⅲ区),沿线地形经过平整,地势变化较平缓,高差不大。根据地勘报告,本区间隧道按岩土层层序,从上至下分述如下:

杂填土①1→素填土①2→粉质黏土⑥1－1→黏土⑥1－2→粉土⑥2－2→粉砂⑥3－2→中等风化灰岩⑧H3(C),灰岩饱和单轴抗压强度平均值为43.88MPa,最大值为99.8MPa。隧道主要穿越黏土⑥1－2、中等风化灰岩⑧H3(C),地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水。

3 沉降控制标准

表1 五象湖站～平良立交站区间监测控制指标(值)

4 地层损失变形机理

地层损失是盾构掘进过程中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动,引起地面沉降。盾构施工产生围岩(土体)位移的原因与机理如下:

(1)初期沉降:主要原因是地下水位降低,围岩(土体)受挤压而压密;孔隙水压力减少,有效应力增加,然后产生固结。

(2)掌子面前方变形:地面隆起主要是盾构机推力过大,注浆压力过大,注浆量过多;导致孔隙水压力增加,反向土压力增加,最终压缩产生弹塑性变形。地面沉降主要是盾构机推力过小,出渣过量,土压力小,注浆压力小,注浆量不够;导致应力释放,扰动土层,最终产生弹塑性变形。

(3)盾构通过时沉降:盾构施工扰动,盾构与围岩(土体)间剪切错动,出渣,水流量过量,产生应力释放,最终发生弹塑性变形。

(4)盾构通过后盾尾间隙沉降:围岩(土体)失去盾体支撑,管片背后注浆量不足、注浆不及时等原因造成应力释放,最终发生弹塑性变形。

(5)后期固结变形:围岩(土体)后续时空效应变形,应力松弛造成弹塑性变形

图1 地层变形一般规律示意图

4.1 初期沉降

在盾构隧道掘进前,通常在盾构掘进影响范围内布设沉降观测点,通过五平区间盾构掘进的经验数据,盾构机刀盘切口前方约16m为影响距离,约等于覆土厚度＋盾构机直径6.28m;刀盘切口前方5m,地面沉降一般均在1mm左右。

盾构机开挖面达到监测点之前产生的沉降,是盾构机掘进中地下水流动和水位降底或水土流失造成的。

4.2 开挖面前方变形

距刀盘切口前5m内的地面沉降点,发生隆起的原因主要是盾构机在掘进过程中推力过大,速度较快,同步注浆压力较大的情况下产生的,使开挖面的土压力增加;发生沉降主要是盾构机在掘进中推力较小,刀盘转速过快,同步注浆不饱满,土压力较小引起沉降。

4.3 盾构通过时的地面变形

盾构机掘进中刀盘切口到盾尾段所发生的沉降或隆起,主要是由于盾壳向前移动过程中盾壳对地层的摩擦和剪切作用说引起的,盾壳外表面在掘进过程中被粘附一层黏土或浆液,使盾构外周尺寸实际增大,从而增加盾构与管片的间隙,造成地表变形。

4.4 盾尾空隙引起的地面变形

一般指的是管片脱出盾尾后0～5环内产生的沉降,盾尾间隙土体失去盾构机外壳支撑或管片背后注浆压力小、注浆量不够、注浆不及时、注浆部位、注浆浆液配比和材料方面选择不合适,使建筑空隙未能及时填充形成有效支撑,管片脱出盾尾后无支撑能力,管片周边土层自行进行填充建筑空隙,引起土层应力释放,导致盾尾地面沉降。

4.5 后期固结沉降

该段盾构隧道已掘进完成,管片脱出盾尾约一周以后的地层沉降,主要是隧道土体蠕变而产生的塑性变形;后期由于其他原因造成区间隧道周边土体扰动引起的固结变形和蠕变时空效应等产生的沉降。

上述分析可知:盾构掘进中引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结是产生沉降的主要原因。对于五平盾构区间,优越区间隧道主要穿越黏土层和中风化灰岩,并且隧道埋深相对较浅,因此区间地面沉降以盾构通过时的沉降和盾尾间隙沉降为主,整个盾构区间无预警。

5 盾构施工中的沉降控制技术

盾构掘进时影响隧道地面沉降的的主要因素有:地质水文特征、覆土厚度、盾构机选型、盾构机掘进模式的选择、掘进参数的选择、注浆方式、注浆压力和注浆量的控制、浆液的配合比、地层水土流失、出渣量的控制、掘进速度等这些因素,引起地面沉降通过监测和快速反馈控制数据在允许范围内,从而达到保护地面环境和周边建构筑物的目的。

5.1 盾构掘进模式的选择

土压平衡式盾构一般有三种模式,即敞开式、半敞开式、土压平衡式三种掘进模式。

(1)敞开式掘进模式一般用于地层自稳条件较好的地层,在能够自稳、地下水少的地层。

(2)半敞开式适用于具有一定自稳能力和地下水压力不高的地层,对于大部分处于硬岩地层,局部处于软岩等,且地下水压力在1～1.5kg/cm2,特别是在上软下硬地层或硬岩地层且地下水可以控制时,多采用这种模式。在上软下硬或硬岩地层施工时以滚刀破岩为主,以齿刀、刮刀为主削切土层。

(3)土压平衡式盾构对于开挖地层稳定性不好或有较多地下水的软质岩地层时,需采用土压平衡式(即EPB模式),根据地层的不同,保持不同的渣仓压力。土仓内的压力通过改变盾构的掘进速度或螺旋机的转速(排渣量)来调节,按与盾构掘削土量(包括加泥材料量)对应的排渣量连续出土,保证使掘削土量与排渣量相对应,使土仓中的流塑性渣土的土压力能始终与开挖面上的水土压力保持平衡,保持开挖面的稳定性,压力大小根据安装在土仓壁上的压力传感器来获得,螺旋机转速根据压力传感器获得的土压自动调节。土仓压力值应略大于静水压力和地层土压力之和,在不同地质地段掘进时,根据需要的外加剂、聚合物、膨润土等进行渣土改良,也可在螺旋输送机上安装止水保压装置,使土仓内的压力稳定平衡。

5.2 控制出渣量

盾构施工排土量多少直接影响到盾构开挖面稳定盾构正面土压力,控制排土量是控制地表变形的重要措施。土压力、推进速度和出土量三个参数中,推进速度和出土量都是通过正面土压力的变化而对周围的土体和邻近隧道产生作用的,三参数间影响密切,如推进速度增加,如果出土量不变,正面土压力必然相应的增加。根据区间出渣量分析,在正常条件下黏土层松散系数一般为1.25～1.45,中风化灰岩地层松散系数考虑为1.6～1.8。出土量一般为理论值的90%左右,即每环出土量理论计算为V＝46.4m3/环,根据监测结果分析,受土地质条件和掘进参数的影响,在黏土层出土量设置在60m3/环较为适合,在中风化灰岩层出土量设置在75m3/环较为适合。

管片安装时,土仓建立土压平衡或气压平衡。应特殊原因需要长时间停机时,应使渣土充满土仓,建立土压平衡。

5.3 管片壁后注浆

管片壁后注浆主要是使管片与周围岩体的环形空隙尽早建立注浆体的支撑体系,防止洞室岩壁坍塌与地下水流失造成地层损失,控制地面沉降,也可以确保管片衬砌的早期稳定性。管片壁后注浆同时作为管片的保护层,可避免或减缓地下水对管片的侵蚀,提高管片衬砌的赖久性。

(1)壁后注浆可采用同步注浆与二次注浆的方式

盾构在向前推进盾尾间隙形成同时进行,浆液在盾尾间隙形成的瞬间及时起到填充作用,使围岩体获得及时支撑,可有效防止岩体坍塌,控制地面沉降。经验表明,壁后注浆开始时间越早,填充率越高。二次注浆是通过管片吊装孔对管片进行补强注浆,为提高壁后注浆层的防水性和密实性。

(2)注浆材料的选择

注浆材料必须选择适合隧道的土质和盾构形式的等条件的材料。注浆材料应具备不发生材料离析、不丧失流动性、注浆后的体积变化小、尽早达到围岩强度以上、水密性号等特征,最重要的是充填性、流动性及不向盾尾以为的区域流失等,实现壁后注浆目的。

(3)同步注浆以注浆压力与注浆量进行双控,二次补强注浆量根据地质情况及注浆记录情况,分析同步注浆效果,在结合区间监测情况,由注浆压力控制注浆量。

(4)注浆时间及速度

根据盾构掘进速度,从盾构掘进开始进行注浆,到盾构掘进一环注浆结束,以均匀注入达到每环总注浆量。注浆过快可能造成堵管,过慢则会导致地层坍塌或管片不均受力,产生偏压。

5.4 其他地面沉降控制措施

(1)盾构暂停掘进时,推进千斤顶可能漏油回缩引起盾构后退,而使开挖面土体松弛造成地面沉陷,此时应做好防止盾构后退措施,并对开挖面及盾尾采取封闭措施。

(2)由于左右线盾构施工的相互影响,左线土压要比右线土压考虑提高0.1～0.2Bar.

(3)在土压力作用下,隧道衬砌产生的变形或沉降也会引起地层损失,隧道衬砌沉降较大时,会引起不可忽视的地层损失。

6 结束语

通过对盾构施工中地面沉降研究和沉降数据的分析,将信息及时反馈给施工现场,对施工起到指导作用,能够有效地控制施工中地面沉降。地面沉降监测与盾构施工紧密地结合在一起,做好地面沉降研究工作可以减小因盾构施工引起地面沉降造成的经济损失和安全事故。

通过对影响地面沉降的要素严格控制,加强监测和严格管理,五平区间地面沉降得到了很好的控制,沉降值均小于允许控制值,盾构机成功的近距离穿越了结构各异的建构筑物,各类管线等。