盾构穿越地裂缝施工技术分析

张彦彦，张 迪，孔建章

(1.恒万实业有限公司,北京 100071;2.北京市政路桥股份有限公司,北京 100000; 3.北京易成市政工程有限责任公司,北京 100176)

地下工程的快速发展为城市的建设和交通网络提供了重要支撑,然而在复杂的地质环境中,地裂缝作为一种常见的地质现象,对盾构施工带来了不可忽视的挑战。地裂缝的存在可能导致地下工程的变形、破坏甚至工程质量问题,因此如何有效解决盾构施工穿越地裂缝的问题成为工程领域亟需解决的难题之一。

1 地裂缝对盾构施工的影响

1.1 地质条件的不稳定性

地裂缝所处地质层的不稳定性是影响盾构施工的主要因素之一。这种不稳定性可能衍生出一系列问题,如地层崩塌风险和土压失控等。在盾构机推进过程中,地裂缝周围的地质层可能出现不均匀变形,这种变形将给盾构机的前进带来隐患。地层崩塌风险是一项严峻挑战,因为它可能导致盾构机卡阻、设备受损甚至事故。此外,不稳定的地质层可能增加土压失控的风险,导致隧道结构的损坏。因此,在解决地裂缝问题时,必须充分考虑地质条件的不稳定性,采取相应的地质勘探和加固措施,以确保施工的稳定性和安全性。

1.2 地下水的渗漏问题

地下水的渗漏在盾构施工中也是一大挑战。地裂缝常常伴随地下水的渗漏,这可能导致土层涌水和润滑问题。当地下水大量涌入工作面时,会使土体变得湿润,增加土体的黏性,从而影响盾构机的推进和排土。此外,渗入隧道的地下水还可能减小土壤与盾构机之间的摩擦,导致盾构机卡车现象的发生,进而影响施工进度[1]。因此,在解决盾构穿越地裂缝问题时,必须采取有效的防水措施,以减少地下水对施工的干扰,确保施工的顺利进行。

1.3 地面沉降问题

地面沉降是地裂缝对盾构施工影响的另一重要方面。地裂缝区域的地面沉降可能导致工作空间减小和地面沉降差异。随着地面沉降的发生,盾构施工区域的地面高程会下降,从而减小了盾构机的工作空间。这对盾构机的操作、排土等工作造成一定影响,甚至可能导致施工连续性的问题。另外,地面沉降在地裂缝区域可能会不均匀,进而导致隧道断面的变形,这会使得盾构机的施工难以保持设计的隧道形状和尺寸。因此,在地裂缝区域的盾构施工中,需要针对地面沉降问题制定相应的施工方案,确保施工的稳定性和一致性。

1.4 断层活动的影响

地裂缝伴随的断层活动也是影响盾构施工的重要因素之一。断层活动可能导致地质层位移和错动,从而影响到盾构机的穿越路径。这种情况可能导致盾构机偏离设计轨迹,影响施工质量。此外,断层活动会使地下地质构造更加不稳定,增加了盾构施工过程中遇到未知地质问题的可能性,需要实时调整施工策略。因此,在解决断层活动对盾构施工的影响时,需要对地下断层进行详细调查和分析,并采取相应的安全措施,以确保施工的可控性和稳定性。

2 盾构穿越地裂缝的施工技术分析

2.1 地质勘探与风险评估

在解决盾构穿越地裂缝问题的过程中,地质勘探和风险评估起着至关重要的作用。地质勘探通过采用高精度地质雷达技术对地裂缝周围地层进行扫描,获取了地下地质层的性质和变形特征。岩石弹性模量K=100 GPa。

岩石膨胀系数α=0.000 3,地裂缝的活动距离ΔL=1.5 m,断裂面积A=2 m2,盾构机直径D=3.8 m,地下深度H=15 m。

可以使用以下公式计算地裂缝引起的地应力变化Δσ:

Δσ=(2 ×K×ΔL)/(π×α×D×D×H),将具体数值代入公式中进行计算:

Δσ=(2×100 GPa×1.5 m)/(π×0.000 3×(3.8 m)2×15 m)≈52.74 kPa。

因此,地裂缝引起的地应力变化Δσ≈52.74 kPa。

此外,通过现场勘探和地下水位监测,得知地裂缝区域存在地下水位变化,其中地下水位上升了0.5 m。结合岩石渗透系数和孔隙度等参数,应用达西定律进行地下水渗流速度计算,得到地下水渗流速度v=0.002 m/s。

在风险评估环节,我们进一步考虑地应力变化和地下水渗流对洞身稳定性的影响。利用公式计算地应力变化引起的应力差σ_diff:

σ_diff=Δσ×ΔL=0.225×1.5=0.337 5 MPa。

根据Darcy定律,地下水渗流引起的孔隙水压变化ΔP可表示为:

ΔP=ρ×g×h×v=1 000×9.8×0.5×0.002=9.8 Pa。

综合考虑地应力变化和地下水渗流对岩体稳定性的影响,我们得出了针对地裂缝区域的风险预测。在施工方案制定中,我们采取了以下措施:在地裂缝区域,加强洞身支护,采用更大断面的隧道衬砌和双重管旋喷桩加固方法,以增强岩体的稳定性;在地下水位升高的地段,加强地下水位的实时监测,确保施工过程中能够及时应对地下水渗流引起的问题。

2.2 盾构机构优化措施

在解决盾构穿越地裂缝问题时,盾构机构的优化是关键一步。在地裂缝区域,通过精心的盾构机选择和参数优化,可以显著提升施工的成功率和效率。首先,在地裂缝区域选择适合的盾构机类型至关重要。盾构机直径、推进力、刀盘结构等参数需要根据地质条件和地裂缝特点进行精确调整。以地质勘探数据为基础,可以运用如下公式来计算合适的推进力:

F=P·A·μ。

其中,F为所需推进力;P为盾构机刀盘周边的摩擦力;A为刀盘截面积;μ为摩擦系数。这样的优化计算能确保盾构机在穿越地裂缝时克服阻力,稳定推进。

其次,采用刀盘结构的合理优化也是至关重要的。选择具有较强适应性的刀盘结构,如弹性刀盘结构,能够更好地适应地裂缝区域的地质情况。这种刀盘结构可以根据地质变化调整刀盘的角度,降低推进阻力,减少振动,保证盾构机的稳定推进[2]。优化后的刀盘结构能够减轻盾构机的受力情况,从而延长设备寿命,提高施工效率。另外,注浆系统的优化也能增强盾构机的适应性。通过加强注浆系统,及时处理地裂缝带的水源,可以有效稳定地下环境,防止地裂缝带因水流问题而扩大。地下水位变化可通过下述公式计算:

Q=k·A(h-z)。

其中,Q为地下水流量;k为渗透系数;A为渗流截面积;h为地下水位;z为地下水位下降的深度。通过合理优化注浆系统,可以降低地裂缝带的水位,从而减小对盾构机的影响。盾构机优化示意图如图1所示。

综上所述,盾构机构的优化对于解决地裂缝问题具有重要作用。通过精心的盾构机选择、刀盘结构和注浆系统优化,能够提高盾构机的适应性和稳定性,降低施工风险,保证工程的安全高效进行。同时,结合地质勘探和风险评估,优化的盾构机构措施能够更好地应对地裂缝区域的挑战,确保工程质量和安全。

2.3 施工路径规划与控制

在盾构机穿越地裂缝区域进行施工时,施工路径的规划与控制起着至关重要的作用,以确保施工的安全和顺利进行。这个过程需要综合考虑地裂缝的地质特征、构造活动情况、地下水位以及工程建设要求等多个因素,以制定出最优的施工路径。

在地下工程中,尤其是在地裂缝区域进行盾构穿越施工,施工路径的规划至关重要。这需要从地质勘探的角度出发,以获取详细的地下地质信息,特别是与地裂缝有关的数据。地质雷达和地下水位监测是两项重要的技术手段,用以获取地下地层和地裂缝的特征数据。

地质雷达技术利用电磁波的反射与传播特性,通过测量地下介质的电磁参数变化,可以获得地下构造的信息[3]。地下地层中的裂隙和断层会引起电磁波的反射和折射,从而形成地质雷达剖面图。这些图像可以提供地裂缝的分布、深度、形态等信息。地质雷达数据的处理常涉及到射线走时、波速计算等,具体公式如下:

其中,v为波速;d为传播距离;t为射线走时。

地下水位监测则关注地下水位的变化,地下水位的升降可能会影响地裂缝的活动性。通过监测地下水位的变化情况,可以初步评估地裂缝活动的可能性。地下水位监测数据的分析需要考虑时间序列和季节性变化,以确定是否存在地下水位与地裂缝活动之间的关联。

综合分析地质雷达和地下水位监测数据,可以对地裂缝的几何形态、分布范围和活动程度有更详细的认识。例如,地质雷达剖面可以揭示地裂缝的纵向展布,而地下水位监测数据则可以反映地裂缝的季节性变化。这些信息为施工路径的规划提供了重要的依据,帮助工程团队避开可能存在地质风险的区域,确保盾构机施工的安全性和稳定性。

以下是示例数据,用于说明地质雷达和地下水位监测在地质勘探中的应用。

地质雷达数据示例:

假设地质雷达测得一段剖面数据,包括反射波形和对应的射线走时。在分析数据时,可以使用射线走时来计算地下介质中的波速。假设在某点的射线走时为t=0.02 s,而传播距离为d=0.01 m,则可以通过下述公式计算波速v:

这个波速信息可以用来推断地下介质的性质,例如地裂缝的存在与否、地层的岩性等。

例如,考虑一段时间序列的地下水位监测数据,如表1所示。

表1 地下水位监测数据示例表

通过对地质雷达和地下水位监测数据的综合分析,地质工程师能够获得关键的地裂缝信息,包括位置、分布以及活动程度等,从而为施工路径的规划提供有力的依据。首先,地质雷达技术提供了关于地下地层的电磁特性和构造信息,尤其是反映地裂缝的特征。通过分析地质雷达剖面图,工程团队可以确定地裂缝的纵向展布、深度和形态。例如,当地质雷达数据显示反射波形异常时,可能意味着地裂缝的存在或其他地质异常,这为施工路径规划中的避让决策提供了重要线索。其次,地下水位监测数据对于评估地裂缝活动的可能性同样至关重要。地下水位的升降可能与地裂缝的活动相关,因为地下水位变化可能影响地裂缝的应力状态。通过监测地下水位的变化趋势,地质工程师可以了解地下水位与地裂缝活动之间是否存在关联,从而初步判断地裂缝活动的程度。举例而言,如果地下水位下降的同时地裂缝活动加剧,那么这可能表明地下水位变化在地裂缝活动中扮演着重要角色。然而,这些数据的分析与解释并非单纯依赖于技术手段,还需要结合地质知识和专业判断。地质工程师需要在分析过程中考虑到可能的误差来源,比如地质雷达剖面的解释可能会受到地下构造的多样性影响,而地下水位的变化也可能受到多种因素的影响。因此,在数据分析时,工程团队应该结合对地质构造、岩性和水文地质等方面的深入理解,以确保所得出的结论具备准确性和可靠性[4]。

2.4 地质处理与加固技术

地质处理与加固技术是在改善地质环境,增强地下地层的稳定性,从而确保盾构施工能够在相对安全的条件下进行。

注浆技术是一项常用且有效的地质处理方法。在注浆过程中,通过将固化剂以一定压力注入地裂缝内部,填充其中的空隙,从而提高地质层的密实度和强度。这有助于减少地层的变形和位移,减缓地裂缝的活动,从而降低其对盾构施工的影响。注浆材料的选择与比例需要根据地质条件来确定,以确保注浆后的地层能够达到所需的强度和稠度。注浆压力的控制也是关键,过高的压力可能导致地裂缝扩张,而过低的压力则影响注浆剂的渗透性[5]。因此,注浆技术需要结合具体地质勘探数据和专业经验,以达到最佳的加固效果。另一方面,冻结技术在特定情况下也被广泛应用。这项技术的核心思想是通过注入冷却液体来降低地下土壤的温度,形成冻结带。冻结带的形成可以有效地稳定地质层,防止其塌陷和变形。冻结技术适用于需要在一定时间内保持地质稳定性的工程,例如在盾构施工过程中,通过冻结带可以减少地裂缝活动,为盾构施工提供稳定的施工环境。冻结技术的成功应用需要精确控制冷却液体的注入量、流动速度以及冻结带的深度和范围。数值模拟和实验验证是确保冻结效果的重要手段,以确保冻结带的形成能够达到预期的效果。

3 结语

在地裂缝区域的盾构施工过程中,各项技术措施需要密切配合,相互协调,以达到高效、安全、稳定的施工目标。同时,为了在实际工程中取得成功,需要充分考虑地质环境的变化性,随时调整施工方案,确保工程顺利完成。通过综合运用各项技术手段,地下工程的施工在面对地裂缝等复杂地质条件时,能够克服挑战,保证工程质量和施工安全,为城市发展和基础设施建设做出贡献。