青岛盾构隧道安全风险组段划分方法研究

刘绪壮,王旭春,罗敏鹤,郝展鹏,洪 勇

(青岛理工大学 土木工程学院 青岛市 266033)

0 引 言

盾构/TBM在施工过程中常常发生因设备参数控制不合理而引发风险的事情,如土压设置过低导致掌子面失稳进而使地面沉降甚至塌陷,又如扭矩过高导致设备经常性停转不能正常施工等风险,地铁隧道存在着较高的施工风险,一旦发生危险,所产生的损失将是不可弥补的,因此需要对掘进参数进行精细控制,并建立完善的施工参数控制体系才能防范于未然。何其平[1]对南京地铁施工进行研究,分析了适用于该地层的盾构机类型以及施工参数范围;袁敏正等[2]对广州地铁主要掘进参数进行研究,确定了主要掘进参数范围;王洪新等[3]建立土压平衡盾构掘进的数理模型,推导出盾构掘进主要阐述的经验关系式,这些关系对盾构掘进时的参数控制有着重要的指导意义;张厚美[4]以广州地铁三号线为背景,建立了土压平衡盾构的掘进速度以及刀盘扭矩模型。现阶段施工单位大多以施工经验对盾构的推力、刀盘扭矩、刀盘转速等掘进参数进行控制来达到规避风险的目的,而且国内外专家学者主要是对盾构掘进的主要参数进行研究,对掘进参数范围进行控制,但并未对地层进行划分,因此适应性不高,组段划分就成为了盾构隧道施工安全风险评估的重要工作和首要内容[5-8]。目前人们对地铁隧道地层分类还不成熟,且将地层分类与施工安全结合的研究较少[9-12]。文章将结合青岛地区的自身及环境风险进行划分组段、界定等级,建立适用于区间不同地质、环境等特殊条件下的盾构施工参数控制标准和控制范围,是对盾构/TBM施工参数精细化控制的有效手段。

1 基于地层与施工风险的组段划分方法

1.1 地层分段

结合青岛地区不同区域和不同深度范围内的隧道均有土、岩层共存的实际情况,将盾构施工区间隧道穿越的地层划分为4种不同类型的段,分别为:

(1)A段,穿越地层为粘土、中砂、细沙、粉土、粉质粘土以及如上地层组成的复合地层。

(2)B段,穿越地层为粗砂、碎石层、卵石、砾石、以及这四种地层和/或A段的土层、砂层组成的复合地层。

(3)C段,穿越地层为A段和/或B段包含的地层等与岩石地层的混合地层。

(4)D段,穿越的地层为全断面岩层,包括中风化至未风化的各类岩层(全风化岩层划入土层管理,强风化地层根据实际围岩情况判断划入土层或全断面岩层管理)。

1.2 环境分级

盾构施工环境的风险分级,应根据环境风险工程分级原则,结合盾构施工特点,并充分考虑隧道的埋深、特殊地质情况(漂石、隧道上方有河流等水体及断裂带等)和盾构隧道上覆地层情况等风险因素综合确定。青岛地铁盾构隧道施工的环境分级组合分为如下三级,分别为:

(1)Ⅰ级,上跨/下穿既有线路,或下穿重要市政管线和河湖、海、洋等工程,或下穿/临近重要建(构)筑物,或隧道埋深深度小于9m的浅埋隧道,或穿越地层中有漂石、断层破碎带、高水压地带、孤石等特殊地质情况,或有上述两种或两种以上情况的组合。

(2)Ⅱ级,隧道埋深9m以上,或者下穿一般的市政管线,或者地层内地质条件比较恶劣,对盾构施工影响较小、没有其他特殊地质情况;或隧道下穿/临近一般建筑物,或下穿重要市政道路。

(3)Ⅲ级,隧道埋深在13m以上,或隧道上方地层无管线或者仅有不敏感沉降管线(如电力管线、广播电视管线、电信管线等)且管线埋设较浅,或隧道远离建筑物基础、重要市政道路,或地层没有不良地质情况。

1.3 综合组段划分

综合组段划分,应根据一下规则进行:

(1)根据盾构穿越地层分段、施工环境综合分级,将A、B、C、D四个地层分段和三个环境综合分级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组合,划分为AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ、CⅠ、CⅡ、CⅢ、DⅠ、DⅡ、DⅢ共计12个组段,即将每个地层分段与盾构施工环境综合分级划分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个级别分别组合在一起,形成青岛地铁考虑盾构穿越地层和上覆地层及其环境等因素综合在一起的盾构区间隧道综合组段划分,将覆盖青岛地铁建设中盾构施工所遇到的所有地层。

(2)盾构隧道综合组段划分如图1所示。

图1 盾构隧道安全风险组段的综合划分示意图

2 工程实例

2.1 工程简介

青岛地铁6号线03标黄海学院站—海港路站区间起讫里程Y(Z)DK29+952.749～Y(Z)DK31+000.593,左线区间长1050.014m,右线区间长1047.844m。区间线路出黄海学院站后,沿开城路向东敷设,到达海港路站,盾构区间隧道洞体,以微风化花岗岩层为主,部分区段位于强风化和中风化的花岗岩中,围岩主要为Ⅱ～Ⅴ级。隧道拱顶埋设深度在10～32m,隧道底部埋设深度在16～38m,区间平面图如图2所示。

图2 黄海区间平面图

2.2 组段划分

由盾构隧道组段划分可知穿越的地层为全断面岩层,地层为D段。环境分级为区间拱顶埋深10～32m,下穿开城路、砖结构房、沟渠、高压线塔管线;侧穿月亮湾水库、金盾加油站、高压线塔、管线等,因此划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。综合组段划分结果为依据地层分段、环境分级,综合组段划分为3个组段,分别为DⅠ、DⅡ、DⅢ,组段划分示意图如图3所示。

图3 组段划分过程示意图

3 施工情况

3.1 施工段掘进参数

本区间将DⅠ、DⅡ、DⅢ分别组段划分为第一、二、三施工段。黄海学院站—海港路站区间盾构隧道风险组段划分见表1,盾构掘进参数设置见表2。

表1 青岛地铁03标黄海学院站—海港路站盾构隧道风险组段

表2 青岛地铁03标黄海学院站—海港路站盾构掘进参数设置

3.2 地表沉降情况

本区间按照表2盾构掘进参数对盾构掘进主要参数进行了控制,施工过程中未出现发生事故,根据《地面沉降调查与监测规范》规定地表沉降累计值控制值为±30mm,变化速率控制值为±3mm/d,图4所示的各施工段地表沉降情况显示,最大正向沉降值处于DⅠ段,最大正向沉降值为-3.52mm,最大沉降速率为0.77mm/d,地表沉降累计值为-14.25mm,均位于控制值以内。

图4 地表沉降情况

3.3 施工效果评价

盾构隧道安全风险组段划分方法结合实际工程黄海学院站—海港路站施工结果充分考虑了盾构施工穿越地层、上覆地层及隧道埋深等因素以及地下水状况,并综合考虑了所处区域的地面及上覆地层内的施工环境状态,如地面及地下建(构)筑物、重要管线等对掘进参数进行控制,使该盾构隧道从始发至接收未发生塌方、涌水等安全事故,用更科学有效的施工方法,保障了盾构隧道顺利贯通,大大提高了施工安全,减少了施工事故的发生。

4 结论

结合青岛地区不同区域和不同深度范围内土层的实际情况,将盾构施工区间隧道穿越的地层与施工风险进行组段划分,使原本以经验控制掘进参数的施工方式转变为更科学有效的方法,结合青岛地铁的实际工程验证了盾构隧道安全风险组段划分方法的可靠性与必要性。

盾构隧道安全风险组段划分方法,可为盾构隧道施工提供借鉴,但该方法需结合施工地区内实际地质条件及施工环境进行调整,以确保掘进参数控制的准确性。